CN107219261B - 一种高密度培养细胞阻抗测量装置 - Google Patents

一种高密度培养细胞阻抗测量装置 Download PDF

Info

Publication number
CN107219261B
CN107219261B CN201710332657.1A CN201710332657A CN107219261B CN 107219261 B CN107219261 B CN 107219261B CN 201710332657 A CN201710332657 A CN 201710332657A CN 107219261 B CN107219261 B CN 107219261B
Authority
CN
China
Prior art keywords
electrodes
excitation
pair
cell
cell cavity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710332657.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107219261A (zh
Inventor
吴昌哲
许诗晨
张广浩
张丞
霍小林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Electrical Engineering of CAS
Original Assignee
Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Electrical Engineering of CAS filed Critical Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority to CN201710332657.1A priority Critical patent/CN107219261B/zh
Publication of CN107219261A publication Critical patent/CN107219261A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107219261B publication Critical patent/CN107219261B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant

Landscapes

  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Abstract

一种高密度培养细胞阻抗测量装置，包括细胞腔体(1)、一对激励电极(2a、2b)、激励源(4)、一对测量电极(3a、3b)、信号处理器(5)、控制器(6)以及计算单元(7)。在控制器(6)的控制下，激励源(4)经由激励电极(2a、2b)向细胞腔体(1)内注入激励信号，并经由测量电极(3a、3b)采集细胞腔体(1)内的电压信号，信号处理器(5)对采集到的电压信号进行放大解调处理后送至计算单元(7)，计算单元(7)根据处理信号和激励信号计算出细胞腔体(1)内的阻抗值。本发明的装置能够实时在线地测量高密度培养下的细胞阻抗，可应用于细胞高密度培养过程的细胞状态监控。

Description

一种高密度培养细胞阻抗测量装置
技术领域
本发明涉及一种细胞阻抗测量装置，特别涉及一种高密度培养细胞阻抗测量装置。
背景技术
肝脏是人体的“化工厂”。生物人工肝治疗可通过体外培养肝细胞向患有严重肝衰竭的病人提供持续的体外肝脏支持(如合成、代谢、解毒、分泌等功能)，其每次治疗需要不少于1～2×1010个功能良好的肝实质细胞。另外，目前在新药创制的药物代谢及毒性评价中肝脏体外模型越来越受到关注，其具有不直接将人体作为研究对象、且尽可能减少实验动物的使用等优点。由此可知，足够数量且功能表达良好的肝细胞是应用基础和前提，然而动物源性肝细胞、人源肝细胞、永生化肝细胞株或者干细胞等的细胞来源稀少，无法直接用于研究或治疗，并且由于生物反应器大小受限，需要将种子细胞在体外高密度、大规模地培养以达到足够数量，且在长时间的培养过程中需要实时监控细胞状态。
众所周知，细胞外液和细胞内液均为含电解质的液体，可视为具有一定电阻的两个导体。细胞膜脂质双层类似于一个平板电容器，细胞膜具有显著的电容特性。根据细胞的这种特性，有望通过利用以在线无损检测为特点的阻抗分析技术，在线测量高密度培养细胞总体阻抗随细胞数量、功能等状态而变化的趋势，进而动态地监测细胞状态，为实时调控细胞环境参数提供依据。
国内外已有一些关于利用生物电阻抗技术来评价细胞行为研究的描述，例如公开号为CN1681938、CN101712925的中国专利描述了利用电极阵列来检测电极表面的细胞的装置。另外，如中国专利CN200910052895、CN200810041988、CN201210007058等描述了微量细胞的阻抗检测方法和装置。另外，美国专利3971365描述了生物阻抗的测量方法，美国专利533566766、43543B2、2011/0237926A1、6256532B1、5720296和中国专利201080056731.8、200610014163.0描述了基于生物阻抗测量的人体成分分析技术及装置。但是以上文献都无法实时测量高密度培养时的细胞总体阻抗。
发明内容
本发明的目的是克服不能实时测量体外高密度培养细胞阻抗的问题，提出一种能够无损、在线、实时、方便地检测体外高密度培养的细胞阻抗的装置。
为实现本发明的目的，本发明高密度培养细胞阻抗测量装置包括：
细胞腔体，用于容纳细胞以及培养液等物质；
一对激励电极，位于细胞腔体内且被培养液所浸泡，与激励源电连接,将激励源产生的激励信号注入细胞腔体内；
激励源，其输入端与控制器电连接，其输出端与一对激励电极电连接。受控制器控制，经由一对激励电极向细胞腔体内注入激励信号；
一对测量电极，位于细胞腔体内且被培养液所浸泡；此测量电机与信号处理器相连接，采集受激励源的激励在细胞腔体内产生的电压信号；
信号处理器，与测量电极电连接，将经测量电极采集的电压信号进行放大解调处理后送至计算单元；
控制器，用以控制激励源使得经由激励电极向细胞腔体注入信号，控制信号处理器使得经由测量电极采集树细胞腔体内的电压信号；
以及：
计算单元，计算单元根据信号处理器的处理信号和激励源的激励信号，计算细胞腔体内的阻抗值。
进一步地，激励源可以是电流源或电压源。
进一步地，一对激励电极可以是环状电极或网状电极，位于细胞腔体内的最外侧位置，材料可以是金或铂等金属。
进一步地，一对测量电极可以是环状电极或网状电极，位于细胞腔体内中比一对激励电极更靠近细胞腔体中心的位置，材料可以是金或铂等金属。
进一步地，本发明检测装置还可以具有一对细胞过滤器，一对细胞过滤器位于细胞腔体内中最靠近中心的位置，将细胞限制在所述的一对细胞过滤器之间，避免细胞贴附于激励电极或测量电极表面。
进一步地，细胞腔体可以是圆筒或长方体筒等筒体状，圆筒或长方体筒等筒体状的两端被端盖密封。
与现有技术相比，本发明能够无损、在线、实时、方便检测高密度培养下细胞总体阻抗，可应用于细胞高密度培养过程的动态监控，为生物人工肝应用和药物肝毒性代谢的细胞规模化培养奠定基础。
附图说明
图1是本发明的高密度培养细胞阻抗测量装置的结构框图；
图2是实施例1的细胞腔体以及电极布置的示意图；
图3是实施例2的细胞腔体以及电极布置的示意图；
图中，1细胞腔体，2a、2b激励电极，3a、3b测量电极，4激励源，5信号处理器，6控制器，7计算单元，8a、8b细胞过滤器。
具体实施方式
以下结合附图和实施例进一步说明本发明。
图1是本发明的细胞阻抗测量装置的结构框图。如图1所示，本发明的细胞阻抗测量装置包括细胞腔体1、一对激励电极2a、2b、一对测量电极3a、3b、激励源4、信号处理器5、控制器6以及计算单元7。其中，细胞腔体1用于容纳细胞和培养液等物质，使细胞存活并扩增。一对激励电极2a、2b位于细胞腔体1内，与细胞腔体1内的培养液接触，分别与激励源4的输出端电连接；一对测量电极3a、3b位于细胞腔体1内，与细胞腔体1内的培养液接触，分别与信号处理器5的输入端电连接，一对测量电极3a、3b位于一对激励电极2a、2b内侧，使一对激励电极2a、2b形成的区域不小于一对测量电极3a、3b形成的区域；激励源4与控制器6电连接并受其控制，向激励电极2a、2b提供激励信号；信号处理器5与测量电极3a、3b电连接，将经测量电极3a、3b采集的电压信号进行放大处理，送入计算单元7；控制器6控制激励源4经由激励电极2a、2b向细胞腔体1注入激励信号，控制信号处理器5经由测量电极采集细胞腔体1内的电压信号；以及计算单元7，根据信号处理器5的处理信号和激励源4的激励信号计算出细胞腔体1内的阻抗值。
本发明的细胞阻抗测量装置工作过程如下：控制器6通过控制激励源4经由一对激励电极2a、2b向细胞腔体1内注入激励信号，在控制器6的控制下信号处理器5经由一对测量电极3a、3b采集细胞腔体1内的采集信号并进行信号处理后送入计算单元7，然后计算单元7根据信号处理器的处理信号和激励源4的激励信号计算出细胞腔体内的阻抗值。
实施例1
如图2所示，细胞腔体1包括一个筒体1a和一对端盖1b、1c，筒体1a的两端被一对端盖1b、1c密封。一对激励电极2a、2b是环状电极，分别安装在筒体1a两端。一对测量电极3a、3b是环状电极，分别安装在筒体1a两端。激励电极2a、2b和测量电极3a、3b的安装位置可以如图2所示，一对测量电极3a、3b在一对激励电极2a、2b内侧，使一对激励电极2a、2b形成的区域不小于一对测量电极3a、3b形成的区域。另外，图2中筒体1a是圆筒形，端盖1b、1c为环状，激励电极2a、2b和测量电极3a、3b的形状也是环形；筒体1a也可以是长方体筒，相应地，端盖1b、1c和激励电极2a、2b和测量电极3a、3b的形状也是方形。
实施例2
如图3所示，实施例2与实施例1的区别在于，一对激励电极2a、2b和一对测量电极3a、3b的安装位置不同，一对激励电极2a、2b分别安装在端盖1b、1c。一对测量电极3a、3b分别安装在端盖1b、1c。激励电极和测量电极的安装位置可以如图3所示，一对测量电极3a、3b比一对激励电极2a、2b更靠近端盖1b、1c的前端，使一对激励电极2a、2b形成的区域不小于一对测量电极3a、3b形成的区域。另外，图3中筒体1a是圆筒形，端盖1b、1c和激励电极2a、2b和测量电极3a、3b的形状是环形，但是筒体1a也可以是长方体筒，相应地，端盖1b、1c和激励电极2a、2b和测量电极3a、3b的形状也是方形。
实施例3
实施例3与实施例1或2的区别只在于，在实施例1或实施例2的基础上还包括一对细胞过滤器8a、8b，细胞过滤器8a、8b的形状为网状，位于一对端盖1b、1c与细胞腔体1内细胞之间的任意位置，也可以安装在端盖1b、1c上，将细胞限制在一对细胞过滤器8a、8b之间，从而阻挡细胞贴附于激励电极2a、2b或测量电极3a、3b的表面。

Claims (4)

1.一种高密度培养细胞阻抗测量装置，其特征是，所述的测量装置包括：
细胞腔体（1），用于容纳细胞以及培养液；
一对细胞过滤器（8a、8b），位于所述细胞腔体内中最靠近中心的位置，将细胞限制在所述一对细胞过滤器（8a、8b）之间，避免细胞贴附于激励电极（2a、2b）或测量电极（3a、3b）表面；
一对激励电极（2a、2b），以网状形状形成，位于细胞腔体内的最外侧位置、且被所述培养液所浸泡，与激励源电连接、将所述激励源产生的激励信号注入所述细胞腔体内；
激励源（4），其输入端与控制器电连接，其输出端与一对激励电极（2a、2b）电连接，受控制器（6）控制，经由所述一对激励电极（2a、2b）向所述细胞腔体内注入激励信号；
一对测量电极（3a、3b），以网状形状形成，位于所述细胞腔体内、在一对激励电极（2a、2b）的内侧，比所述一对激励电极（2a、2b）更靠近所述细胞腔体中心的位置，使一对激励电极（2a、2b）形成的区域不小于一对测量电极（3a、3b）形成的区域，且被所述培养液所浸泡，与信号处理器（5）相连接，采集受所述激励源（4）的激励在细胞腔体内产生的电压信号；
信号处理器（5），与所述测量电极（3a、3b）电连接，将经由所述测量电极（3a、3b）采集的电压信号放大解调处理后送至计算单元（7）；
控制器（6），控制所述激励源（4），使其经由所述激励电极（2a、2b）向所述细胞腔体注入信号，控制所述信号处理器（5），使经由所述测量电极（3a、3b）采集所述细胞腔体内的电压信号；
以及：
计算单元（7），根据所述信号处理器（5）的处理信号和所述激励源（4）的激励信号，计算细胞腔体内的阻抗值。
2.按照权利要求1所述的测量装置，其特征是，所述的一对激励电极（2a、2b）是金属电极；所述金属电极的材料为金或铂。
3.按照权利要求1所述的测量装置，其特征是，所述一对测量电极（3a、3b）是金属电极；所述金属电极的材料为金或铂。
4.按照权利要求1所述的测量装置，其特征是，所述细胞腔体（1）是筒体状，两端被端盖密封。
CN201710332657.1A 2017-05-12 2017-05-12 一种高密度培养细胞阻抗测量装置 Active CN107219261B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710332657.1A CN107219261B (zh) 2017-05-12 2017-05-12 一种高密度培养细胞阻抗测量装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710332657.1A CN107219261B (zh) 2017-05-12 2017-05-12 一种高密度培养细胞阻抗测量装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107219261A CN107219261A (zh) 2017-09-29
CN107219261B true CN107219261B (zh) 2020-08-04

Family

ID=59944810

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710332657.1A Active CN107219261B (zh) 2017-05-12 2017-05-12 一种高密度培养细胞阻抗测量装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107219261B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113589042B (zh) * 2021-07-29 2023-02-17 重庆理工大学 一种包含独立激励电极和感测电极的高精度阻抗传感器
US20230134609A1 (en) * 2021-10-29 2023-05-04 CCLabs Pty Ltd System and method for training in vitro neurons using hybrid optical/electrical system

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1596826A (zh) * 2004-07-27 2005-03-23 天津大学 脉搏阻抗谱血糖或其他血液成分的无创检测装置及其检测方法
CN101712925A (zh) * 2009-11-23 2010-05-26 浙江大学 检测单细胞和群细胞行为的多尺度集成细胞阻抗传感器
CN102016575A (zh) * 2008-05-07 2011-04-13 斯特拉斯克莱德大学 细胞表征的系统和方法
CN102353698A (zh) * 2011-10-11 2012-02-15 重庆大学 人类血型的检测方法及装置
CN104941704A (zh) * 2015-05-27 2015-09-30 东南大学 一种集成细胞聚焦与检测的方法及其微型化系统
CN205049585U (zh) * 2015-10-29 2016-02-24 天津农学院 一种基于单片机的牛乳体细胞数快速检测传感器

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1596826A (zh) * 2004-07-27 2005-03-23 天津大学 脉搏阻抗谱血糖或其他血液成分的无创检测装置及其检测方法
CN102016575A (zh) * 2008-05-07 2011-04-13 斯特拉斯克莱德大学 细胞表征的系统和方法
CN101712925A (zh) * 2009-11-23 2010-05-26 浙江大学 检测单细胞和群细胞行为的多尺度集成细胞阻抗传感器
CN102353698A (zh) * 2011-10-11 2012-02-15 重庆大学 人类血型的检测方法及装置
CN104941704A (zh) * 2015-05-27 2015-09-30 东南大学 一种集成细胞聚焦与检测的方法及其微型化系统
CN205049585U (zh) * 2015-10-29 2016-02-24 天津农学院 一种基于单片机的牛乳体细胞数快速检测传感器

Also Published As

Publication number Publication date
CN107219261A (zh) 2017-09-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chow et al. Electrochemical detection of secretion from single cells
EP1196551B1 (en) Process and device for controlling electroporation
Wu et al. Electrical impedance tomography for real-time and label-free cellular viability assays of 3D tumour spheroids
Rahman et al. Cell culture monitoring by impedance mapping using a multielectrode scanning impedance spectroscopy system (CellMap)
CN203772786U (zh) 芯片式叉指阵列电极阻抗传感器
CN107219261B (zh) 一种高密度培养细胞阻抗测量装置
Özdemir et al. xCELLigence Real Time Cell Analysis System A New Method for Cell Proliferation and Cytotoxicity
Guo et al. A microchip integrating cell array positioning with in situ single-cell impedance measurement
Chen et al. Pt modified carbon fiber microelectrode for electrochemically catalytic reduction of hydrogen peroxide and its application in living cell H2O2 detection
CN107796856B (zh) 一种利用纳米材料细胞传感器评价抗氧化多肽活性的方法
Anderson et al. Carbon nanoelectrodes for single-cell probing
Teixeira et al. Bioimpedance analysis of L929 and HaCaT cells in low frequency range
Liu et al. Characterization of endothelial cells using electrochemical impedance spectroscopy
CN203923432U (zh) 基于阻抗测试的微电极阵列电镀装置
KR100829932B1 (ko) 혈액의 혈전형성율 측정장치 및 방법
CN115838625A (zh) 一种生物反应器内细胞状态实时检测装置
CN207717598U (zh) 流动体系下金属微生物腐蚀的电化学测试装置
Sun et al. Single cell imaging using electrical impedance tomography
WO2016062729A1 (en) A multi electrode array (mea), methods for producing a mea and a device containing a mea
CN208048715U (zh) 一种球囊形态高频动态检测装置
WO2019014692A1 (de) Messverfahren zur elektrischen spektroskopischen impedanzmessung eines lebende zellen enthaltenden fluids
Gupta et al. Near field non-invasive electrophysiology of retrotrapezoid nucleus using amperometric cation sensor
CN106033069A (zh) 单个囊泡融合和回收及其与钙离子通道耦合的膜片钳检测装置
Sheng-Wei et al. Synchronous detection of rat neural spike firing and neurochemical signals based on dual-mode recording instrument
Ehlers In vitro studies of trans-and intraepithelial potentials of the cornea

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant