CN103558367A - 生理条件下用纳米电极阵列测量生物细胞电特性的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生理条件下用纳米电极阵列测量生物细胞电特性的系统及方法，由纳米电极阵列、倒置或正置光学显微镜、探针控制模块，电信号处理模块等组成。将该系统置于适合细胞体外生长的培养环境中，利用纳米电极阵列及探针检测单个细胞电特性，按选择点或区域测量并记录电信号大小，在纳米尺度上获得细胞体电特性。本发明目的在于使用纳米电极阵列改进现有微电极阵列测量生物细胞带电量的方法而提出的一种不但能测量生物细胞的带电量，还能给单个细胞施加电激励信号，观察其变化，并利用探针检测细胞的电特性等的方法和系统。

Description

生理条件下用纳米电极阵列测量生物细胞电特性的系统及方法
技术领域
本发明涉及一种测量生物细胞电特性的系统及方法，尤其涉及一种生理条件下用纳米电极阵列测量生物细胞电特性的系统及方法。
背景技术
目前，最常用的测量生物细胞电特性的方法为膜片钳技术，膜片钳技术是用玻璃微电极吸管把只含1-3个离子通道、面积为几个平方微米的细胞膜通过负压吸引封接起来，用一个极为敏感的电流监视器（膜片钳放大器）测量此电流强度，就代表单一离子通道电流。但该技术中需要通过微电极吸附细胞膜这一过程，操作难度极大，需要实验人员经过长时间训练，而且也严重限制了该技术检测样品的范围，该过程对细胞的严重损伤也可能严重影响被测数据的真实性。还有比较常用的测量生物细胞电特性的方法是利用先进的微电子制造技术，制造出微电极阵列作为生物传感器对生物细胞的电特性进行研究，该研究提供了一种较为理想的细胞电生理检测手段，并减小了对生物细胞的损伤。但微电极阵列的进一步发展需要继续提高记录点密度,增加记录范围,以便同时检测到更多细胞的信号；还要减小植入部分的电极体积,从而减小对生物细胞的损伤。故使用纳米电极阵列将对此进行改善。
纳米电极阵列作为一种人工组装的纳米结构体系,具有高传质速率、低双电层充电电流、小时间常数、小IR降及高信噪比、可操作性强和测量灵敏度高等优势,因而在电化学理论研究、生物传感器、电催化材料和高能化学电源电极材料等方面具有广阔的应用前景。目前，人们采用多种材料设计制备出包括圆盘状、圆柱形、球形、圆锥形、插指状和井状等各种形状的纳米电极阵列，其制作方法主要包括模板法、刻蚀法和自组装法等,电极的表征主要采用电子显微技术和电化学方法。纳米电极阵列利用激光干涉光刻技术，通过激光双光束曝光产生的条纹图形烧蚀被加工材料表面，从而产生光刻图形，经再加工成条纹状纳米电极阵列。纳米电极阵列记录技术具有高时空分辨率，将其应用在测量生物细胞电特性中，提高了记录点的密度,增加了记录范围，并减小了对生物细胞的损伤，同时可检测到更多细胞的信号。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种生理条件下用纳米电极阵列测量生物细胞电特性的系统及方法，实现了在记录细胞动态特性的同时，还可观测其形貌，振幅等特征的变化，并能在高空间分辨率和亚细胞水平上揭示细胞细节信号的变化。
本发明技术解决方案：生理条件下用纳米电极阵列测量生物细胞电特性的系统包括：纳米电极阵列1、倒置或正置光学显微镜3、第一探针控制模块4，第二探针控制模块5，电信号处理模块7。被测物体2置于纳米电极阵列1上，第一探针控制模块4和第二探针控制模块5分别置于倒置或正置光学显微镜3的两侧，且第一探针控制模块4和第二探针控制模块5在同一水平面上对立放置，通过计算机分别控制第一探针控制模块4和第二探针控制模块5动作和操作；电信号处理模块7对第二探针控制模块5的检测结果进行处理，并输出测量结果，同时第一探针控制模块4通过扫描，在纳米尺度上获得细胞体电特性和形貌点阵图像。
所述纳米电极阵列的特征在于：使用透明绝缘体材料加工成纳米电极阵列。
所述第一探针控制模块4由第一探针、第一探针架及第一XYZ方向步进电机组成；第一探针通过第一探针架支撑，并与第一XYZ方向步进电机相连接，第一XYZ方向步进电机与计算机连接。
所述第二探针控制模块5由第二探针、第二探针架、压电陶瓷驱动器及第二XYZ方向步进电机组成；第二探针通过第二探针架支撑，并与第二XYZ方向步进电机相连接，第二XYZ方向步进电机与压电陶瓷驱动器连接，压电陶瓷驱动器与计算机连接。
生理条件下用纳米电极阵列测量生物细胞电特性的方法，实现步骤如下：
（1）使用透明绝缘体材料加工成纳米电极阵列；
（2）在所述纳米电极阵列上培养生物细胞；
（3）在生理环境下，利用倒置或正置光学显微镜进行细胞快速粗定位，选择细胞位置，再通过第一探针模块对样品进行扫描，以确定被测细胞位置；
（4）第一探针控制模块调整确定第一探针位置，并控制第一探针给被测细胞发出电激励信号，第二探针控制模块控制第二探针检测单个细胞电特性，并按选择点测量并记录所测量的电信号，同时纳米电极阵列在生理环境下也检测单个细胞电特性，并按选择区域测量并记录所测量的电信号大小，实现对细胞不同点和面的电特性测量；
（5）电信号处理模块对检测结果进行处理，并输出测量结果，同时第一探针控制模块通过扫描，在纳米尺度上获得细胞体电特性和形貌点阵图像。
本发明与现有技术相比在优点在于：本发明将不再只是单纯的测量细胞的带电特性，还可以实现给单个细胞施加电激励信号，在记录细胞动态特性的同时，还可观测其形貌，振幅等特征的变化，并能在高度空间分辨率和亚细胞水平上揭示细胞细节信号的变化。
附图说明
图1为本发明在生理条件下用纳米电极阵纳米列测量生物细胞电特性的系统原理示意图；其中1为纳米电极阵列，2为被测物体，3为倒置或正置光学显微镜，4第一探针控制模块，5为第二探针控制模块，6为根据探针可得到的生物细胞形貌图像或振幅等特征的变化信息，7为电信号处理模块，8为根据检测及分析所得到的细胞电特性；
图2为表面带有一排纳米导线条的纳米电极阵列示意图；其中9为制备的纳米电极阵列；
图3为表面带有两排纳米导线条的纳米电极阵列示意图；其中10为制备的纳米电极阵列；
图4为本发明的系统设计图；其中1为纳米电极阵列，41为第一探针及第一探针架，42为第一XY方向步进电机，43为第一Z方向步进电机，51为第二探针及第二探针架、54为压电陶瓷驱动器，52为第二XY方向步进电机，53为第二Z方向步进电机。
具体实施方式
如图1、4所示，本发明生理条件下用纳米电极阵列测量生物细胞电特性的系统包括：纳米电极阵列1、倒置或正置光学显微镜3、第一探针控制模块4、第二探针控制模块5和电信号处理模块7。被测物体2置于纳米电极阵列1上，第一探针控制模块4和第二探针控制模块5分别置于倒置或正置光学显微镜3的两侧，且第一探针控制模块4和第二探针控制模块5在同一水平面上对立放置，通过计算机分别控制第一探针控制模块4和第二探针控制模块5动作和操作。首先使用第一探针对被测样品进行扫描，确定被操作物体的位置，再通过系统的反馈信息，将第一探针和第二探针移动到所需要到达的位置，进行电信号的给予及探测，同时可使用纳米电极阵列对细胞进行电信号测量；电信号处理模块7对所测的检测结果进行处理，并输出测量结果，电信号处理模块包括放大器、滤波器、AD采集卡等，对数字信号处理时，选用小波去噪算法，对信号进行还原，从而获取细胞生物电特性。同时第一探针控制模块通过扫描，可以在纳米尺度上获得细胞体电特性和形貌点阵图像。
首先在绝缘的透明材料上制备条纹状阵列，经再加工形成表面带有一排纳米导电线条（如图2中的9所示）或两排纳米导电线条（如图3中的10所示）的纳米电极阵列；然后将细胞置于纳米电极阵列之上培养，并在生理环境下，利用倒置或正置光学显微镜3进行细胞快速粗定位，选择目标位置。通过纳米电极阵列1可测量细胞本身的电特性，即在无探针电信号激励下的细胞本身的带电特性；再利用第一探针控制模块4通过扫描得到生物细胞形貌图像或振幅等特征的变化信息，并精确定被测细胞位置；利用第一探针控制模块4调整确定探针位置，并利用第一探针控制模块输出电激励信号，然后利用第二探针控制模块5和纳米电极阵列检测输入响应信号，最后由电信号处理模块7处理、记录并输出测量结果。
如图4所示，第一探针控制模块4由第一探针及第一探针架41，第一XY方向步进电机42和第一Z方向步进电机43组成；第一探针通过第一探针架支撑，并与第一XYZ方向步进电机42和43相连接，第一XYZ方向步进电机与计算机连接；第二探针控制模块5由第二探针及第二探针架51、压电陶瓷驱动器54，第二XY方向步进电机52及第二Z方向步进电机53组成；第二探针通过第二探针架支撑，并与压电陶瓷驱动器54连接，压电陶瓷驱动器与第二XYZ方向步进电机连接，第二XYZ方向步进电机与计算机连接。在计算机的控制下，首先使用第一探针控制模块对被测样品进行扫描，确定被操作物体的位置，再通过系统的反馈信息，调整确定第一探针41的位置，并控制第一探针41给被测物体2的细胞发出电激励信号；第二探针控制模块5控制第二探针在生理环境下检测单个细胞电特性，并按选择点或区域测量并记录所测量的电信号大小。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.生理条件下用纳米电极阵列测量生物细胞电特性的系统，其特征在于包括：纳米电极阵列（1）、倒置或正置光学显微镜（3）、第一探针控制模块（4），第二探针控制模块（5），电信号处理模块（7）；被测物体（2）置于纳米电极阵列（1）上，第一探针控制模块（4）和第二探针控制模块（5）分别置于倒置或正置光学显微镜（3）的两侧，且第一探针控制模块（4）和第二探针控制模块（5）在同一水平面上对立放置，通过计算机分别控制第一探针控制模块（4）和第二探针控制模块（5）动作和操作；电信号处理模块（7）对第二探针控制模块（5）的检测结果进行处理，并输出测量结果，同时第一探针控制模块（4）通过扫描，在纳米尺度上获得细胞体电特性和形貌点阵图像。
2.根据权利要求1所述的生理条件下用纳米电极阵列测量生物细胞电特性的系统，其特征在于：使用透明绝缘体材料加工成纳米电极阵列。
3.根据权利要求1所述的生理条件下用纳米电极阵列测量生物细胞电特性的系统，其特征在于：所述第一探针控制模块（4）由第一探针、第一探针架及第一XYZ方向步进电机组成；第一探针通过第一探针架支撑，并与第一XYZ方向步进电机相连接，第一XYZ方向步进电机与计算机连接。
4.根据权利要求1所述的生理条件下用纳米电极阵列测量生物细胞电特性的系统，其特征在于：所述第二探针控制模块（5）由第二探针、第二探针架、压电陶瓷驱动器及第二XYZ方向步进电机组成；第二探针通过第二探针架支撑，并与第二XYZ方向步进电机相连接，第二XYZ方向步进电机与压电陶瓷驱动器连接，并与计算机连接。
5.生理条件下用纳米电极阵列测量生物细胞电特性的方法，其特征在于实现步骤如下：
（1）使用透明绝缘体材料加工成纳米电极阵列；
（2）在所述纳米电极阵列上培养生物细胞；
（3）在生理环境下，利用倒置或正置光学显微镜进行细胞快速粗定位，选择细胞位置，再通过第一探针模块对样品进行扫描，以确定被测细胞位置；
（4）第一探针控制模块调整确定第一探针位置，并控制第一探针给被测细胞发出电激励信号，第二探针控制模块控制第二探针检测单个细胞电特性，按选择点测量并记录所测量的电信号，同时纳米电极阵列在生理环境下也检测单个细胞电特性，按选择区域测量并记录所测量的电信号大小，实现对细胞不同点和面的电特性测量；
（5）电信号处理模块对检测结果进行处理，并输出测量结果，同时第一探针控制模块通过扫描，在纳米尺度上获得细胞体电特性和形貌点阵图像。
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