CN105717071A - 表面等离子体共振传感芯片及细胞响应检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面等离子体共振传感芯片及细胞响应检测系统和方法。该传感芯片包括：灌流室，具有培养液流入口和培养液流出口；位于灌流室下部的培养室，两室通过隔层隔开并且通过所述隔层流体连通；以及位于所述培养室下部并与所述培养室紧密封接的棱镜，所述棱镜与所述培养室接合的表面上镀有贵金属膜。上述隔层可以是多孔薄膜并且灌流室可以具有便于培养液均匀流过的特定结构。本发明的传感芯片能够实时补充细胞消耗的营养、排出细胞代谢废物，由此维持细胞在传感芯片上的长时间生长，实现长时间细胞检测；能够显著降低培养液流动产生的剪切力对细胞生长的影响，真实模拟细胞在体生长状态。此外，本发明的传感芯片结构简单，便于批量生产。

Description

表面等离子体共振传感芯片及细胞响应检测系统和方法

技术领域

本发明涉及生物检测领域，尤其涉及一种能够用于长时间细胞响应检测的表面等离子体共振传感芯片。

背景技术

表面等离子体共振(SurfacePlasmonResonance,SPR)技术利用光学原理，对表面物质的微量改变进行检测。SPR是存在于金属表面的自由电子波与入射光波的谐振。这些振荡受临近金属表面的材料的折射率影响，由此被用来检测表面折射率的细微变化，而这正是形成各种传感机制的基础。形成SPR现象的必要条件之一是金属膜和电介质间的界面存在。当入射光以某一特定的角度入射时，会由于金属膜的存在而发生衰减全反射现象(即，观察到反射率的显著降低)，此入射角度即为SPR角。附着在金属表面的物质不同，其SPR角不同，而同一种物质附着在金属表面的量不同，其SPR角也不相同。利用上述SPR技术的传感芯片和系统由于其实时、灵敏和无需标记的特点，已被广泛用于各种生物化学量的检测。

一般说来，SPR传感检测系统包括三个部分，即光学部分、传感芯片和数据采集处理部分。图1是现有技术的SPR传感检测系统的示意图。为了方便说明，图中省去了光学部分中的光学耦合器件和角度调节器件以及数据采集处理部分中的A/D转换电路和计算机等，而仅以光源120和光学检测单元130来分别代表光学系统和数据采集处理系统。图中的SPR传感芯片110包括流体通道111和棱镜112，其中棱镜112的上表面镀有贵金属膜，通常是金膜。可以将已知的生物分子固定在金属膜的表面，当这些生物分子与通过流体通道111的互补目标生物分子结合时，会导致金属膜表面结构的改变，从而导致SPR角的改变。根据SPR角的改变值，就能够得知结合的目标生物分子的种类和浓度。

SPR传感技术最近几年的新应用是检测细胞对外界刺激的响应，特别是癌细胞对不同化疗方案的响应。使用SPR传感技术检测细胞响应需要能够提供细胞正常生长所需液态环境的传感芯片。目前使用的有两种芯片。一种是基于静态培养的传感芯片，即传感芯片内的培养液在细胞培养的过程中处于静态而不加更换。基于静态培养的传感芯片能够较为真实的模拟细胞在体生长环境，但由于不能实时补充细胞消耗的营养和排出代谢产生的废物，细胞在传感芯片上生长一段时间(通常不超过24小时)后，传感芯片不再适合细胞生长，需要人工更换传感芯片内的细胞培养液。另一种方案是基于流动培养的传感芯片，即不断更新传感芯片内的细胞培养液，实时补充细胞消耗掉的营养和排出细胞代谢废物，使细胞能够在传感芯片上长时间生长，能够满足长时间细胞检测的需要。

基于静态培养的传感芯片的单次培养周期通常小于24小时。但细胞响应药物刺激通常需要24小时以上的时间。因此，这种传感芯片不适合长时间的SPR细胞检测。基于流动培养的传感芯片虽然能够进行长时间的细胞培养，但由于细胞培养液更新速率通常过快，对细胞产生较大的剪切力，影响细胞的正常生长，导致检测结果不能真实地反映细胞在人体内的状态。

由此，需要一种能够克服上述现有技术中的至少一个缺点的表面等离子体共振传感芯片。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题在于克服现有技术的上述不足，提供一种用于长时间细胞检测的SPR传感芯片，其能够长时间维持细胞的正常生理状态，从而能够在相当长的时间段内检测细胞对外界刺激的响应。

根据本发明的一个方面，提供了一种表面等离子体共振传感芯片，包括：灌流室，灌流室具有培养液流入口和培养液流出口；位于灌流室下部的培养室，灌流室和培养室通过隔层隔开并通过隔层流体连通；以及位于培养室下部并与培养室紧密封接的棱镜，棱镜与培养室接合的表面上镀有贵金属膜。

优选地，上述隔层可以是多孔膜。

优选地，上述多孔膜可以具有多个开孔并且多孔膜的开孔率在1％至5％之间。

优选地，灌流室的内腔体可以是等高腔体，等高腔体的水平截面由一个三角形、一个正方形和一个半圆形拼接而成，其中培养液流入口位于三角形的顶角处，培养液流出口位于半圆形的顶点处，以及培养室位于正方形的下部。

优选地，培养室的内腔可以是圆柱体，并且圆柱体的直径和高度之比在3:1至5:1之间。

优选地，培养室可以具有细胞注入口和细胞排出口，细胞注入口和细胞排出口在培养液流经灌流室时封闭。

优选地，上述传感芯片的灌流室、培养室以及隔层(例如，多孔膜)通过注塑一次成型。

根据本发明的另一个方面，提供了一种细胞响应检测系统，包括：如上所述的表面等离子体共振传感芯片；光学组件，用于发射并调制用于射入表面等离子体共振传感芯片中的棱镜的入射光；以及数据采集和处理组件，用于接收来自光学组件的入射光的数据以及来自棱镜的反射光的数据并对采集的数据进行处理以获取细胞响应的检测结果。

根据本发明的再一个方面，提供了一种细胞响应检测方法，包括：将细胞注入如上所述的表面等离子体共振传感芯片的培养室，其中细胞在棱镜上表面的贵金属膜上生长；使培养液持续流过传感芯片的灌流室，其中培养室通过隔层进行培养液交换；使入射光通过棱镜入射至棱镜的上表面；以及采集入射和反射光数据并加以处理以获取细胞响应的检测结果。

这样，通过将用于培养液流入流出的灌流室与用于细胞生长的培养室隔开，就能够在实现培养室内营养物质交换的同时避免培养液快速流动对细胞生长产生的不利影响，由此长时间地正确模拟细胞在体内的生长环境，从而提高传感芯片细胞检测的准确性。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1是现有技术的SPR传感检测系统的示意图。

图2是根据本发明一个实施例的SPR传感芯片的截面图。

图3是根据本发明一个实施例的SPR传感芯片的俯视图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

由于现有的SPR传感芯片无法为SPR细胞响应检测提供长时间适于细胞生长的环境，本发明提出了一种结构新颖的SPR传感芯片。不同于现有技术中仅有一个培养室甚至只有流体通道而没有配备培养室(例如，图1中的流体通道111)的传感芯片，本发明的SPR传感芯片具有“两室”结构，其中位于上部的灌流室用于培养液的流入和流出，位于下部的培养室通过隔层实现培养液的液体交换，从而模拟细胞在体内的生长环境，避免流体剪切力带来的不利影响。

图2是根据本发明一个实施例的SPR传感芯片210的截面图。该传感芯片210可以包括灌流室201、隔层202、培养室203以及棱镜204。

灌流室201具有培养液流入口205和培养液流出口206，用于培养液的流入和流出。虽然图中将出入口设在灌流室顶部，但本领域技术人员可以理解的是，也可以基于实际应用将出入口205和206设在灌流室201的任何部位，只要其能够实现培养液的流入和流出即可。

隔层202位于灌流室201和培养室203之间，在避免两室直连的同时确保两室彼此流体连通。这样，培养液在进入灌流室201后，一部分透过隔层202扩散到下部的培养室203中，用于补充细胞消耗的营养和交换排出细胞代谢产生的废物，其余直接从出口206排出。在使用传感芯片进行细胞响应检测的情况下，培养室203起到细胞生长室的作用。

在一个实施例中，隔层202可以是多孔膜。通过调整多孔膜上孔的数目、大小和分布，可以模拟体内的营养交换速度，从而有助于营造近似于体内的细胞生长环境，由此提供更为准确的检测结果。在其他实施例中，隔层202可以具有其他结构。例如，隔层202可以是带缝膜、没有物理开口的物质交换膜，或是其他隔层结构，只要其能够实现培养室203中培养液的合理速度的交换即可。

培养室203与棱镜204紧密封接，并且棱镜204在与培养室203接合的上表面上镀有一层贵金属膜。培养室与棱镜的紧密封接使得棱镜的上表面用作培养室的下表面。该面上的贵金属膜可以是一层20-50nm厚的银膜或是金膜，其上用于生物分子/细胞的生长。例如，在用于癌细胞的化疗效果的测试中，可以使得目标癌细胞在金膜上生长，并且根据穿过棱镜204的入射光和反射光的变化(以及相应的SPR角的变化)来推断癌细胞的生长状况，由此对化疗效果给予准确的评估。

在一个实施例中，培养室203具有细胞注入口207和细胞排出口208。上述出入口207和208用于细胞的注入和排出(即，每次细胞培养开始前和结束后)，并在培养细胞时封闭，即，细胞注入口207和细胞排出口208在培养液流经灌流室时封闭。出入口207和208位于培养室203侧壁上，图2中虚线示出的表示这两个口布置在与纸面垂直的方向上，即，出入口207和208的连线与出入口205和205的连线垂直。虽然避免将灌流室201和培养室203的开口布置在同一个方向上有利于传感芯片的加工，但本领域技术人员应该理解，可以任意布置出入口207和208的位置，只要其能够方便细胞的注入和排出即可。在另一个实施例中，也可以不设置细胞注入口207和细胞排出口208，而是在使用培养液流入口205和培养液流出口206灌注培养液之前，通过灌注室的开口205或206来实现细胞的注入，并在细胞培养结束之后在使用开口205或206实现细胞的排出(例如，通过伸入的导管)。

棱镜204可以为直角棱镜或梯形棱镜。该棱镜204位于两室整体形成的细胞培养腔下部，与两室细胞培养腔的培养室紧密封接，形成一个封闭腔室。棱镜204上表面的至少一部分镀有贵金属膜，该部分同时构成培养室203的下表面。棱镜可由BK7或ZF5玻璃制成，并且优选地，棱镜上表面镀有的贵金属膜是20-50nm的金膜。

灌流室201、隔层202、培养室203和棱镜204可以被制造为任何合适的尺寸。虽然图2示出了内腔截面尺寸要大于培养室203的灌流室201，但是本领域技术人员可以理解的是，可以使得灌流室和培养室203的内腔具有相同截面尺寸。例如，由隔层隔开的圆柱体的上部和下部分别构成灌流室和培养室的内腔。

可以合理选择灌流室和培养室内腔的形状，以进一步优化两室对体内细胞生长环境的模拟。图3是根据本发明一个实施例的SPR传感芯片310的俯视图。在一个实施例中，图2可以看做是沿着图3中的线段AA’剖开得到的截面图，即，传感芯片310可以与传感芯片210表示相同的内腔构造。但可以理解的是，传感芯片310和210也可以具有不同的内腔，例如，可以将传感芯片310的构造看作是基于传感芯片210的一个优选实施例。

如图所示，灌流室301的外部可以是一个长方体，而其内部空腔可以是一个等高腔体。该等高腔体的水平截面由一个三角形、一个正方形和一个半圆形拼接而成，培养液流入口305位于三角形的顶角处，培养液流出口306位于所述半圆形的顶点处。优选地，所述三角形可以是顶角为135度的等腰三角形。

使用该特定构造，可以使得培养液在经流入口305流入灌流室301内后，先流过三角形空腔，形成均匀层流；再流过矩形空腔，一部分透过隔层302(例如，多孔薄膜)扩散到下部的培养室303中，用于补充细胞消耗的营养和交换排出细胞代谢产生的废物；其余培养液流向半圆形空腔(圆弧形构造可以避免任何角度带来的流场扰动)，最终从流出口306排出。

培养室303位于所述正方形的下部，例如，培养室303的内腔可以是直径与上述正方形边长相等的圆柱体。隔层302位于培养液灌流室301和细胞培养室303中间。隔层302可以是多孔膜，包含n个直径为d的圆形微孔，用于培养液灌流室301和细胞培养室303的物质交换。

虽然图3示出了具有特定形状和构造的灌流室、培养室和隔层，但本领域技术人员可以理解的是，灌流室、培养室和隔层也可以采用其他的形状和构造，只要培养室能够实现缓慢且连续的物质交换以便模拟细胞在体内的生长环境即可。

另外，虽然为了避免混淆发明原理而未在图2和图3中示出，但是本发明的传感芯片也可以包括现有SPR传感芯片所具有的其他部件，例如流量传感器和温控部件等。

以上已参考图2和图3给出了本发明及其优选实施例的具体描述，如下将给出根据本发明原理的表面等离子体共振传感芯片的具体制造例。

在实际制造中，培养液灌流室、隔层(例如，多孔薄膜)和细胞培养室103可以是一个整体，并由PDMS多聚物材料通过注塑一次成型。在使用例如图3的优选构造下，培养液灌流室310的外部尺寸为12mmX9mmX2mm(长X宽X高)，内部空腔由一个三角形、一个正方形和一个半圆形拼接组成：三角形顶角为135°，对边边长4mm；正方形边长为4mm；半圆形直径为4mm。该室的培养液流入口305和流出口306直径均为1mm。隔层302是多孔薄膜，其厚度为0.1mm，开孔率为2％，具有9个直径为0.2mm的圆形通孔。

细胞培养室303的外部尺寸为12mmX9mmX1mm(长X宽X高)，内部空腔为直径4mm的圆柱体。优选地，该室也可以包括分别用于细胞的注入与排出的入口和出口(例如，图2的207和208)，并且两口均为的直径为1mm的孔。在此例中，培养室303的高度和直径之比(深径比)为1:4，在其他例子中，深径比可以在3:1至5:1之间。

棱镜可以是直角棱镜或梯形棱镜；材料为BK7或ZF5玻璃；上表面镀有20-50nm的金膜。棱镜上表面与细胞培养室紧密封接形成密闭腔室，细胞附着在金膜上生长。

以上描述的本发明的SPR传感芯片及其优选实施例。根据本发明的传感芯片能够实时补充细胞消耗的营养、排出细胞代谢废物，维持细胞在传感芯片上的长时间生长，实现长时间SPR细胞检测；还能够显著降低培养液流动产生的剪切力对细胞生长的影响，真实模拟细胞在体生长状态。此外，由于本发明的SPR传感芯片结构简单，其两室结构可以通过注塑一次成型，因此便于批量生产。

使用本发明的传感芯片，能够得到一种更为准确有效的生物检测系统，尤其是细胞响应检测系统。该系统可以包括本发明的上述传感芯片及其优选实施例，还可以包括光学组件以及数据采集和处理组件。光学组件可以发射并调制用于射入所述棱镜的入射光，而数据采集和处理组件则可以接收来自光学组件的入射光数据以及来自棱镜的反射光数据并对采集的数据进行处理。通过对获取的数据加以分析处理，能够获取更为准确的生物检测结果，例如，细胞响应的检测结果。

同样地，可以使用本发明的上述表面等离子体共振传感芯片实现一种新颖的细胞响应检测方法。在进行细胞响应检测时，可以首先将细胞注入传感芯片的培养室(例如，可以使用图2的细胞注入口207和细胞排出口208进行细胞的注入和排出)，细胞被接种在培养室中并在棱镜上表面的贵金属膜上生长。在细胞的培养过程中，使培养液持续流过传感芯片的灌流室，而位于下层的培养室则通过隔层进行培养液交换。在需要检测细胞响应时，可以使光束入射棱镜，并根据由于贵金属膜上的细胞贴壁状态的变化所导致的入射光与反射光关系的变化(SPR角的变化)，来获取细胞响应的相应检测结果。另外，在培养结束时，可以排出腔内液体并加以清洗，以供下次使用。

使用本发明的传感芯片及细胞检测方法能够长时间地SPR检测细胞对外界刺激的响应，特别是癌细胞对不同化疗方案的响应，获得细胞的药物相应信息。生物医学和药物研究人员可以据此进行疾病诊断、药物发现与开发、癌症治疗方案优化等。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (9)

1.一种表面等离子体共振传感芯片，包括：

灌流室，所述灌流室具有培养液流入口和培养液流出口；

位于所述灌流室下部的培养室，所述灌流室和所述培养室通过隔层隔开并通过所述隔层流体连通；以及

位于所述培养室下部并与所述培养室紧密封接的棱镜，所述棱镜与所述培养室接合的表面上镀有贵金属膜。

2.如权利要求1所述的传感芯片，其中所述隔层是多孔膜。

3.如权利要求2所述的传感芯片，其中所述多孔膜具有多个开孔并且所述多孔膜的开孔率在1％至5％之间。

4.如权利要求1至3中任一项所述的传感芯片，其中所述灌流室的内腔体是等高腔体，所述等高腔体的水平截面由一个三角形、一个正方形和一个半圆形拼接而成，

所述培养液流入口位于所述三角形的顶角处，所述培养液流出口位于所述半圆形的顶点处，以及

所述培养室位于所述正方形的下部。

5.如权利要求4所述的传感芯片，其中所述培养室的内腔是圆柱体，并且所述圆柱体的直径和高度之比在3:1至5:1之间。

6.如权利要求1至3中任一项所述的传感芯片，其中所述培养室具有细胞注入口和细胞排出口，所述细胞注入口和所述细胞排出口在培养液流经所述灌流室时封闭。

7.如权利要求1至3中任一项所述的传感芯片，其中所述灌流室、所述培养室以及所述隔层通过注塑一次成型。

8.一种细胞响应检测系统，包括：

如权利要求1-7中任一项所述的表面等离子体共振传感芯片；

光学组件，所述光学组件发射并调制用于射入所述表面等离子体共振传感芯片中的所述棱镜的入射光；以及

数据采集和处理组件，所述数据采集和处理组件接收来自所述光学组件的入射光的数据以及来自所述棱镜的反射光的数据并对采集的数据进行处理以获取细胞响应的检测结果。

9.一种细胞响应检测方法，包括：

将细胞注入如权利要求1-7中任一项所述的表面等离子体共振传感芯片的培养室，其中所述细胞在所述棱镜上表面的所述贵金属膜上生长；

使培养液持续流过所述传感芯片的灌流室，其中所述培养室通过所述隔层进行培养液交换；

使入射光通过所述棱镜入射至所述棱镜的上表面；以及

采集入射和反射光数据并加以处理以获取细胞响应的检测结果。