CN108780082A - 用于校准阻抗谱生物质传感器的方法和将悬浮液用于执行这种方法的应用 - Google Patents

用于校准阻抗谱生物质传感器的方法和将悬浮液用于执行这种方法的应用 Download PDF

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Abstract

一种用于校准阻抗谱生物质传感器的方法，所述生物质传感器构成用于借助具有周期变化的场方向的电场检测关于生物质中的活细胞的量和/或大小的信息，所述方法包括如下步骤：提供校准悬浮液，所述校准悬浮液包括能导电的、粘性能流动的或粘弹性的载体物质和容纳于其中的能导电的固体颗粒和/或半导体固体颗粒，尤其根据权利要求10至19中任一项所述的校准悬浮液；产生具有周期变化的场方向的作用于校准悬浮液上的电场；在场方向变化频率不同的至少两个电场中检测至少各一个代表校准悬浮液的介电常数的介电常数值；求出代表所检测的介电常数值的差的差值；将差值与同校准悬浮液相关联的参考值进行比较。

Description

用于校准阻抗谱生物质传感器的方法和将悬浮液用于执行这 种方法的应用
技术领域
本发明涉及一种用于校准阻抗谱生物质传感器的方法，并且还涉及将悬浮液用于这种校准方法的应用。
背景技术
电阻抗谱法用作为用于无破坏地在原位和体内确定生物材料的与频率有关的被动电学特性的测量方法。这种生物材料例如可以是由液体和容纳于其中的生物细胞构成的、下文中称为“生物质”的物质，其例如从细胞培养容器中获得。
生物质的上述与频率有关的被动电学特性可以提供尤其关于活细胞数和细胞活力的信息。此外，通过与频率有关的被动电学特性还能够测定生物质的其他特性，然而活细胞的数量和细胞活力的确定在生物技术应用中有最重要的意义。
非常基本地且粗略概述地，以阻抗谱方式检测关于生物质中的活细胞的量和/或大小的信息如下进行：将电场施加到容纳于载液中的生物细胞的悬浮液上，所述电场的场方向周期性以预设的频率变化。根据所选择的变化频率，不同的极化机制作用于生物质。因此，与纯离子溶液不同，生物质的被动电学特性是与频率有关的，并且构成典型的所谓的分散。如果在生物质中存在活细胞，则产生附加的效应。活细胞对于可自由运动的离子构成迁移障碍，使得细胞根据其横截面提高生物质的阻力，和进而其导电性降低。存在于生物质的细胞内部的离子也被电场控制。在导电性差的细胞膜处，出现导致在膜处的极化的电荷分离。极化作为电学双层出现。在这种情况下，通过电场引起的电流几乎仅流经生物质的细胞外载体物质。因此，极化反映在可测量电容的提高，和进而反映在产生场的电极之间的介电常数。
所谓的“α-分散”在毫赫兹至千赫兹的频率范围中出现，并且通过载流子在细胞表面上的运动和积聚产生。此外，活性的细胞膜效应和活性的离子膜通道影响α-分散。
在几千赫兹到几百兆赫的频率范围中出现所谓的β-分散，所述β-分散基于细胞膜的电容特性，细胞内组织和膜结构本身。细胞膜中的脂肪和蛋白质形成高阻结构。膜结构导致所谓的边界面极化。
在约0.1GHz至100GHz的范围中更高的频率情况下出现所谓的γ-分散，所述γ-分散通过极性介质例如水和蛋白质的偶极机制引起。在电场中，在高频率下具有偶极矩的大分子，例如蛋白质对齐。
对于在本申请的方法中特别令人感兴趣地检测关于生物质中的活细胞的量和/或大小的信息而言，主要β-分散区域是令人感兴趣的。关于生物质的分散区域和与频率有关的介电常数或电容的用于其显示的曲线的深入的信息参阅H.P.Schwan：“The practicalsuccess of impedance techniques from an historical perspective”(在Proceedingsof the X.International Conference on Electrical Bio-Impedance中，Barcelona(1998)，第3至16页)以及H.P.Schwan：“Electrical properties of tissue and cellsuspensions”(在Advances in Biological and Medical Physics中，第5卷(1957)，第147到205页)。
已知的用于借助于具有周期变化的场方向的电场以阻抗谱方式检测关于生物质中的活细胞的量和/或大小的信息的方法从US 7 930 110 B2中已知。从US 6,596,507 B2中已知可用于这种测量的生物质传感器。由申请人以商品名“Incyte”销售的传感器原则上也适合于上述测量方法。
在此，上述阻抗谱测量技术的用户——“测量技术”在此宽泛而言不仅可在方法方面而且可在所使用的传感器方面予以理解——面临如下情况：其通常必须信赖传感器的功能完好性，因为所述用户通常不可能对传感器在对于随后的测量运行有效力的校准运行中检查其功能性。
发明内容
因此，本发明的目的是：提供一种技术教导，其允许对如下阻抗谱生物质传感器进行有效力的校准，所述生物质传感器用于借助于具有周期变化的场方向的电场检测关于生物质中的活细胞的量和/或大小的信息。
根据本发明，所述目的通过用于校准阻抗谱生物质传感器的方法来实现，所述生物质传感器构成用于借助于具有周期变化的场方向的电场检测关于生物质中的活细胞的量和/或大小的信息，所述方法包括如下步骤：
-提供校准悬浮液，所述校准悬浮液包括能导电的、粘性能流动的或粘弹性的载体物质和容纳于其中的能导电的固体颗粒和/或半导体固体颗粒；
-产生具有周期变化的场方向的作用于校准悬浮液上的电场；
-在场方向变化频率不同的至少两个电场中，检测至少各一个代表校准悬浮液的介电常数的介电常数值；
-求出代表所检测到的介电常数值的差的差值；
-将所述差值与同校准悬浮液相关联的参考值进行比较。
已证实：包括能导电的、粘性能流动的或粘弹性的载体物质和容纳于其中的能导电的固体颗粒和/或半导体固体颗粒的上述校准悬浮液，以与针对开头提及的用于检测关于活细胞的量和/或大小的信息的阻抗谱测量方法构成的生物质传感器共同作用的方式，对周期变化的电场提供与生物质本身类似的响应。因此，能够从校准悬浮液对关于场方向周期变化的电场的响应中推断出所使用的生物质传感器的功能完好性。
因此，在根据本发明的校准方法的范围中，产生具有周期变化的场方向的作用于校准悬浮液的电场，所述电场基本上与在真实的信息检测时作用于生物质上的电场相同或类似。
如开头在阻抗谱检测方法的技术背景描述的过程中陈述的那样，生物质的在此令人感兴趣的被动电学特性和进而同样校准悬浮液的被动电学特性是与频率有关的，使得为了校准至少一个生物质传感器在场变化方向频率不同的至少两个电场中能够分别检测到一个代表校准悬浮液的介电常数的介电常数值。
在此应澄清的是：这不一定表示：必须直接检测介电常数。足够的是：——如所述的那样——检测代表校准悬浮液的介电常数的值。这例如能够是通常与介电常数成比例的电容。
当在有至少两个不同场方向变化频率的情况下已检测出介电常数值时，能够求出差值，所述差值代表检测到的介电常数值的差。这能够通过在相应的场方向变化频率下检测到的介电常数值的简单相减来进行。
因为能够制备具有预定的化学和物理特性的校准悬浮液，所以对于所述校准悬浮液能够事先例如通过在实验室中的基准测量来确定多个参考介电常数值或多个参考值差值。于是，能够将这种参考值用于与检测到的差值比较。根据随后求出的比较结果，至少一个生物质传感器的用户能够：评估根据上面提到的方法校准的生物质传感器的功能完好性。
作为有利的改进形式，该校准方法也能够包括：评估差值与同校准悬浮液相关联的参考值的比较。例如，这能够全自动化地在评估装置中进行，所述评估装置在信号传输方面与至少一个生物质传感器连接。评估装置能够具有数据存储器，在所述数据存储器中能够保存至少其中一个相关联的参考值或多个与校准悬浮液相关联的参考值。例如，在数据存储器中能够保存征曲线族，在所述特征曲线族中为一种或多种校准悬浮液说明介电常数值和场方向变化频率之间的关联关系。代替特征曲线族也能够保存函数关联关系，所述函数关联关系使评估装置实现：根据在校准方法中使用的场方向变化频率计算参考值。
差值与参考差值的比较等同于检测到的介电常数值与相应的参考介电常数值的比较。最后提到的参考值于是对于场变化的如下频率与校准悬浮液相关联，在所述频率下在校准期间检测介电常数值。
此外，该方法能够包括：在输出装置处、如显示屏或打印机处输出评估结果。
根据本发明的校准方法的优点主要在于：校准方法借助校准悬浮液能够如阻抗谱生物质测量方法那样进行，其中所述校准悬浮液本身不必包含生物质，即活的或死的细胞或细胞组成部分，和进而不构成实际的生物质的污染风险。因此，能够在产生其场方向周期变化的场之前和/或优选其期间，至少一个生物质传感器至少借助一个部段、尤其测量方面起作用的部段接触校准悬浮液。通过如此校准方法除了作为测量对象的悬浮液之外对应于真实的阻抗谱的生物质测量方法的方式，能够实现极其精确的校准结果。此外，对于至少部分自动化的测量结构不需要对单独的校准方法流程进行编程，而是能够将真实的测量方法的流程也用于校准。
如果实施校准方法而没有用校准悬浮液润湿生物质传感器，尽管也实现结果，但所述结果尽管实验条件基本上相同而显著地波动，和进而这些结果在其效力方面相对于润湿传感器的校准降低。
为了实现尽可能精确的校准结果，因此在本发明的一个优选的改进形式中提出：校准悬浮液与生物质传感器的至少一个部段的接触包括：用校准悬浮液润湿生物质传感器的至少一个传感器电极、优选全部传感器电极。只要生物质传感具有多于仅一个的传感器电极，优选就用校准悬浮液润湿生物质传感器的全部传感器电极，所述传感器电极在生物质的阻抗谱检测时由生物质润湿。
为了提供可重复的和进而可靠的且可核实的校准结果，优选的是：校准方法包括如下步骤：均匀化校准悬浮液。容纳在载体物体中的固体颗粒能够——根据载体物质的粘度——随时间延续而沉积和进而改变校准悬浮液的对外部电场的响应特性。为了克服这种沉积趋势，能够实施均匀化步骤。所述均匀化能够通过搅拌和/或摇匀校准悬浮液来进行。均匀化能够在检测介电常数值之前进行，优选即将检测介电常数值之前进行，以便允许对尽可能均匀的校准悬浮液进行检测。
用于确定介电常数值的校准持续时间位于1秒至600秒的范围中，优选位于1秒至300秒的范围中并且特别优选位于1秒至60秒的范围中。应尽可能不出现沉淀超过该持续。
为了校准阻抗谱生物质传感器，开头提及的β-分散范围由于其效力而是令人感兴趣的。因此，对于根据本发明的校准方法优选的是：在频率不小于50kHz、优选不小于110kHz并且特别优选不小于250kHz并且不大于110MHz、优选不大于50MHz、特别优选不大于30MHz的情况下检测介电常数值，其中分别包括所述的边界值。由此，在如下频率下实施校准方法，所述频率对应于真实要检测的生物质的β-分散范围的频率。
不仅用户能够借助该校准方法获得关于至少一个由其使用的阻抗谱生物质传感器的功能完好性的印象，而且其还能够定量地使用校准结果，以修正至少一个生物质传感器的可能的检测误差。这也能够自动化地在具有至少一个生物质传感器的测量装置的控制装置中或在上述以传输信号的方式与至少一个生物质传感器关联的评估装置中进行。因此，该校准方法根据一个有利的改进形式可以包括：根据差值与参考值的比较结果调准生物质传感器或与其以传输信号的方式耦合的数据处理设备。因此，能够根据差值与参考值的比较调准如下生物质传感器，使得由其检测到的介电常数值对应于在相应测量情况下实际可预期的介电常数值，所述生物质传感器例如由于漂移误差等可能提供介电常数值的实际不正确的检测结果。主要——但是不仅——根据差值与参考值的比较结果调准生物质传感器的可行性实现了如下可行性：只要能调准生物质传感器是可调准的或其具有能调准的误差，就确保在如开始已描述的阻抗谱检测方法中，总是实现正确的检测结果。对此，如上文描述的并且改进的校准方法在对生物质执行的真实的测量方法之前或在一系列真实的测量方法之前执行，以便确保：至少一个根据校准方法执行的测量方法的检测结果是正确的。
因此，本发明还涉及一种用于以阻抗谱方式检测关于生物质中的活细胞的量和/或大小的信息的方法，所述方法包括：
-如上面描述的和改进的校准方法，
-随后：清洁生物质传感器；
-随后：借助于生物质传感器和具有周期变化的场方向的由生物质传感器所产生的电场以阻抗谱方式检测关于生物质中的活细胞的量和/或大小的信息。
对于高度灵敏的阻抗谱检测应用，甚至能够提出：不仅在阻抗谱检测之前利用作为测量对象的生物质执行校准方法，而且也在该检测之后执行如在上文中描述和改进的校准方法。由此，例如能够对于记录和认证目的确保和证实：生物质传感器在其对生物质的真实检测应用之前和之后正确地工作，并进而以近乎必然的概率也可预期：所述生物质传感器在阻抗谱检测期间正确地工作。
校准方法的核心是：通过校准悬浮液交换作为测量对象的生物质，所述校准悬浮液能够以限定的组分中无生物组成部分的方式制备，和进而排除生物质与其他生物质的交叉污染。因此，本发明也涉及悬浮液的应用，所述悬浮液包括能导电的、粘性能流动的或粘弹性的载体物质和容纳于其中的能导电的固体颗粒和/或半导体固体颗粒，该应用用以校准阻抗谱生物质传感器，所述生物质传感器构成用于借助于具有周期变化的场方向的电场检测关于生物质中的活细胞的量和/或大小的信息。
为了能够确保：校准悬浮液中的固体颗粒至少在校准方法的持续时间期间具有仅可忽略的沉积趋势，校准悬浮液优选具有如下载体物质，所述载体物质具有借助于旋转粘度计测量的不小于1Pas、优选不小于50Pas和不大于50000Pas、优选不大于10000Pas、特别优选不大于1000Pas的动态粘度。
为了有针对性地调节载体物质的动态粘度，所述载体物质能够包括基础液体和增稠剂。基础液体能够是水。
增稠剂能够选自：生物聚合物，即例如多糖，尤其是糖原，淀粉，果胶，黄原胶，角叉菜胶，瓜尔胶，阿拉伯树胶，纤维素或纤维素衍生物，如羧甲基纤维素，木质素，几丁质，壳聚糖，明胶，琼脂-琼脂，藻酸盐，或聚合物，即例如聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinylpyrrolidon)，聚-DADMAC或聚AMPS，或乙二醇。
代替通过增稠剂增稠的基础液体，载体物质也能够包括或者是聚合物和/或凝胶。尤其能够将所谓的水凝胶用作凝胶。
附加地：全部在本申请中对于校准悬浮液、容纳在其中的固体颗粒和载体物质的物理参数做出的说明均在室温和1013hPa的标准大气压下测定，或者测定用于比较。
如开始提出的那样，对于载体物质的可应用性重要的是：其是能导电的。如下载体物质证实为是特别适合的，所述载体物质的导电率处于0.01mS/cm至500mS/cm的范围中，优选处于0.1mS/cm至200mS/cm的范围中，特别优选处于1mS/cm至50mS/cm的范围中。最优选地，导电性甚至处于1mS/cm至10mS/cm的范围中。
在本申请中的全部范围说明中，所说明的边界始终应理解为被该范围包括。
能够通过如下方式调节所述电导率：载体物质具有相反电荷极性的可运动的离子，例如由于盐的溶解或熔化和/或由于酸或碱的质子分解等而具有相反电荷极性的可运动的离子。在此，盐的溶解由于对此所需的热学边界条件相对于其融化是优选的。
为了能够排除：载体物质和进而校准悬浮液的离子含量的改变能够影响校准结果，根据校准悬浮液的应用的一个有利的改进形式提出：载体物质中相反电荷极性的离子的浓度与介电常数相关地是饱和的，使得在其它条件相同的情况下，载体物质中离子浓度的升高不会引起校准悬浮液的介电常数值升高。在此，所述条件尤其是用于检测校准悬浮液的介电常数的条件。
能够应用于要容纳在载体物质中的或已经容纳在其中的固体颗粒的粒度范围从0.01μm至500μm。优选地，在校准溶液中使用具有0.1μm至200μm范围中的粒度的固体颗粒。这也能够与固体颗粒的相应的材料相关。特别优选地，在用于形成校准悬浮液的载体物质中容纳具有1μm至20μm范围中的粒度的精细的固体颗粒。在此，粒度能够通过筛分确定。如果粒度不能足够精确地通过筛分确定，则这能够通过动态光散射来进行。
例如，铝粉末(铝颗粒)能够用作为粒度为100μm至200μm的固体颗粒。优选地，石墨粉末(石墨颗粒)作为固体颗粒容纳在载体物质中，其中对于石墨颗粒使用1μm至20μm的范围中的优选的粒度。也能够将活性炭颗粒作为固体颗粒容纳到载体物质中，以形成校准悬浮液。在活性炭的情况下，粒度范围从2μm至12μm。
能够由电导率在5×10-3S/m至7×107S/m，优选在1×104S/m至4×106S/m的材料形成固体颗粒。
例如，碲可以作为半导体用作为固体颗粒材料。碲的电导率处于所提出的范围的下端点处为大约5×10-3S/m。例如，银在所提出的电导率范围的上端部处为略小于7×107S/m。校准悬浮液的固体颗粒的其他可行的和甚至优选的材料是电导率为50S/m的碳化硅，电导率例如略小于4×106S/m的铝，电导率为大约2×104S/m的活性炭，电导率略大于9×106S/m的铂。特别优选地，将石墨用作为固体颗粒材料。石墨在其平行于其平面层的导电方向上具有3×106S/m的电导率。
合适的固体颗粒材料就其类型而言能够包括金属和/或半金属和/或半导体材料和/或导电有机材料和/或石墨和/或活性炭，或者由至少一种这样的材料构成。校准悬浮液优选没有细胞材料，例如细胞，细胞膜等。
为了使技术教导完整，本发明也涉及一种校准装置，其包括：
-如上描述和改进的校准悬浮液，
-阻抗谱生物质传感器，所述阻抗谱生物质传感器构成用于借助于具有周期变化的场方向的电场检测关于生物质中的活细胞的量和/或大小的信息，和
-数据处理设备，所述数据处理设备构成用于处理由生物质传感器根据运行输出的传感器信号，并且所述数据处理设备尤其构成用于执行上面描述的和改进的方法。
附图说明
下面，根据所附的附图详细阐述本发明。附图示出：
图1示出生物质的介电常数的频率相关性的粗略示意性的关联关系，和
图2示出粗略示意地在特别令人感兴趣的β-分散区域中生物质的与频率有关的介电常数。
具体实施方式
在图1中大体上或仅粗略示意性地示出生物质的、即例如包含生物细胞的液体的介电常数的频率相关性。实线10示出与频率f相关的介电常数ε的实部，虚线12示出与频率有关的介电常数ε的虚部。
通过将电场施加到生物质上来获得图表，所述电场的场方向周期性地变化或者相反。以Hz为单位的场方向变化的频率f沿着图1的曲线图的横轴绘制。在纵坐标方向上，绘制以pF/cm为单位的介电常数ε。
如果频率f在大的频率范围之上逐渐提高，则在生物质中由于包含于其中的组成部分出现不同的极化效应，所述极化效应引起产生场的电极之间的介电常数(和同样电容)的变化。生物质的介电常数-频率曲线中的各个可识别的梯级根据H.P.Schwan称作为α-、β-和γ-分散。α-分散(参见图1的α-分散范围14)在毫赫兹至千赫兹范围中的频率下出现。α-分散根据当前的知识水平通过载流子在细胞表面上的移动和积聚来引起。此外，α-分散受活性的细胞膜效应和活性的离子膜通道影响。
在图1中，α-分散的频率范围14具有两个子分散α1，其通过区域16标记，和α2，其通过区域18标记。
β分散的频率范围20处于几千赫兹至大约100MHz的范围中并且基于细胞膜的电容特性，大致因为脂肪和蛋白质形成高阻结构，并且还基于细胞内组织和膜结构，在那里在所提出的频率范围中出现边界面极化。
γ-分散在大致0.1GHz至100GHz的频率范围22中出现。其因极化介质如水和同样包含在生物质中的蛋白质的双极机制引起。在此，其为定向极化，通过具有偶极矩的大分子引起，所述大分子在高频率下对齐。
介电常数ε的实部10在相应的分散的特征性的频率中具有拐点，所述拐点通常处于两个类似平台的频率范围之间。介电常数ε的虚部在分散的相应的特征性的频率下具有局部最大值。
频率范围22中的γ-分散由于在那出现的极化效应能够用于确定生物对象的水成分，而频率范围20中的β-分散对于评估生物质是非常令人感兴趣的，因为β-分散范围20中的介电常数ε，尤其是其实部提供关于包含于生物质中的活细胞的数量、细胞活力和细胞大小的信息。
在图2中纯粹定性地绘制生物质的与频率有关的介电常数ε的实部。
在此，从与频率f相关的介电常数的实部的曲线10中定性地获得如下信息。在图2中定性地示出：在对于β-分散范围20特征性的频率fCh之前设有平台区域22，在所述平台区域中，与特征性频率fCh周围的区域相比，介电常数ε随频率仅少量变化，而在特征性频率fCh之后设有另一平台区域24，所述另一平台区域与特征性频率fCh之前的平台区域22不同，并且在所述平台区域24中又与特征性频率fCh周围的区域相比，介电常数ε同样不强烈地随频率变化。
因此，如果在平台区域22中的频率f1下检测到代表介电常数ε的、更确切地说其实部的介电常数值ε1，并且同样在平台区域24中的频率f2下检测到介电常数值ε2，则从两个频率f1和f2中求出的介电常数值ε1或ε2能够求出两个介电常数值的差值Δε。差值Δε在此是包含于生物质中的活细胞的数量的度量。用两个点和三个虚线表示的替选的介电常数曲线30在相应的测量频率f1和f2下会引起绝对值上更大的Δε，这得出如下结论：针对其已获得介电常数曲线30的生物质与介电常数曲线10所基于的生物质相比在相同的体积中具有更多的活细胞。
为了完整性，需提及：特征性频率fCh的改变显示出细胞大小或其生理学的改变。具有两个点和一个虚线的介电常数曲线32在图2中显示出更高的特征性频率。
介电常数曲线在其特征性频率fCh的点中的斜率是细胞大小分布的度量，其中增加的斜率显示出更强的异质的细胞大小分布，并且其中介电常数曲线10在特征性频率fCh的位置处变得更扁平的变化曲线表示更均匀的细胞大小分布。
如果β-分散地区对于要以测量方式检测的生物质而言某种程度上是已知的，则频率f1和f2作为测量点是已知的。
在本申请中描述的校准悬浮液提供在测量频率f1和f2处限定的不同的介电常数值ε1或ε2，所述介电常数值引起同样限定的差值Δε。
因为校准悬浮液在所使用的材料：载体物质和固体颗粒方面和在制备悬浮液时使用的量比方面是已知的，所以所述校准悬浮液能够以高的精度复制。
因此，校准悬浮液能够通过在不同的频率下介电常数值的相应的测量与参考值相关联，所述参考值能够由值对，即例如测量频率和在此测量到的介电常数值构成。通过多次重复测量，能够统计性地存储参考值。因此，也能够知晓参考值围绕参考值平均值的散布。
因此，对于预定的校准悬浮液在预定的不同的频率f1和f2下从相关联的参考值中能够求出介电常数值的要用于校准的参考差值。因此，在利用要校准的生物质传感器，然而利用限定的校准悬浮液代替生物质执行校准测量方法时，能够以传感器的方式检测介电常数值的差值，并且与参考差值比较。随后，根据在校准方法中检测的差值与参考差值之间的一致性的程度，能够推断出在校准方法中使用的生物质传感器的功能完好性，或者能够相应地调准生物质传感器，使得校准的介电常数值的由生物质传感器在限定的校准条件下提供的差值与相应的参考差值一致。
校准方法、可选地在结合校准方法的情况下，能够以规则的间隔执行，或者可以每次都在执行生物质的传感器检测之前执行。
也在生物质的传感器检测之后，能够执行校准方法，以便能够证实：在测量方法期间，生物质传感器的功能完好性不改变。
为了校准生物质传感器，能够提供不同的校准悬浮液，所述校准悬浮液在载体物质和/或固体颗粒方面和/或在容纳在载体物质中的固体颗粒的量方面不同。由此，在与执行用于传感器检测生物质的测量方法的相似性尽可能大的情况下，能够利用适当选择的校准悬浮液来执行校准。因此，能够有利地提高校准方法对于借助相同的生物质传感器执行的测量方法的效力。

Claims (20)

1.一种用于校准阻抗谱的生物质传感器的方法，所述生物质传感器构成用于借助具有周期变化的场方向的电场检测关于生物质中的活细胞的量和/或大小的信息，所述方法包括如下步骤：
-提供校准悬浮液，所述校准悬浮液包括能导电的、粘性能流动的或粘弹性的载体物质和容纳于其中的能导电的固体颗粒和/或半导体固体颗粒，其尤其根据权利要求9至19中任一项所述的校准悬浮液；
-产生具有周期变化的场方向的作用于所述校准悬浮液上的电场；
-在场方向变化频率不同的至少两个电场中，检测至少各一个代表所述校准悬浮液的介电常数的介电常数值；
-求出代表所检测到的所述介电常数值的差的差值；
-将所述差值与同所述校准悬浮液相关联的参考值进行比较。
2.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于，在产生电场之前或其期间，所述校准方法包括：将所述校准悬浮液与所述生物质传感器的至少一个部段接触。
3.根据权利要求2所述的校准方法，其特征在于，所述校准悬浮液与所述生物质传感器的至少一个部段的接触包括：用校准悬浮液润湿所述生物质传感器的至少一个传感器电极、优选全部传感器电极。
4.根据上述权利要求中任一项所述的校准方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：均匀化所述校准悬浮液，例如通过搅拌和/或摇匀所述校准悬浮液来均匀化。
5.根据权利要求4所述的校准方法，其特征在于，所述步骤在检测所述介电常数值之前执行，尤其即将检测所述介电常数之前执行。
6.根据上述权利要求中任一项所述的校准方法，其特征在于，在频率不小于50kHz、优选不小于110kHz并且特别优选不小于250kHz并且不大于110MHz、优选不大于50MHz、特别优选不大于30MHz的情况下检测所述介电常数值，其中分别包括所述的边界值。
7.根据上述权利要求中任一项所述的校准方法，其特征在于，所述方法包括：根据所述差值与所述参考值的比较结果，调准所述生物质传感器或与其以传输信号的方式耦合的数据处理设备。
8.一种用于以阻抗谱方式检测关于生物质中的活细胞的量和/或大小的信息的方法，所述方法包括：
-根据上述权利要求中任一项所述的校准方法，
-随后：清洁所述生物质传感器；
-随后：借助于所述生物质传感器和由所述生物质传感器所产生的具有周期变化的场方向的电场以阻抗谱方式检测关于所述生物质中的活细胞的量和/或大小的信息，
-可选地，随后：根据上述权利要求中任一项所述的校准方法。
9.一种悬浮液的应用，所述悬浮液包括能导电的、粘性能流动的或粘弹性的载体物质和容纳于其中的能导电的固体颗粒和/或半导体固体颗粒，所述应用用以校准阻抗谱的生物质传感器，所述生物质传感器构成用于借助于具有周期变化的场方向的电场检测关于生物质中的活细胞的量和/或大小的信息。
10.根据权利要求9所述的悬浮液的应用，其特征在于，所述载体物质具有借助于旋转粘度计测量的不小于1Pas、优选不小于50Pas，和不大于50000Pas、优选不大于10000Pas、特别优选不大于1000Pas的动态粘度。
11.根据权利要求9或10所述的悬浮液的应用，其特征在于，所述载体物质包括基础液体，例如水，和增稠剂。
12.根据权利要求11所述的悬浮液的应用，其特征在于，所述增稠剂包括生物聚合物，即例如多糖，尤其是糖原，淀粉，果胶，黄原胶，角叉菜胶，瓜尔胶，阿拉伯树胶，纤维素或纤维素衍生物，如羧甲基纤维素，木质素，几丁质，壳聚糖，明胶，琼脂-琼脂，藻酸盐，或聚合物，即例如聚乙烯吡咯烷酮，聚-DADMAC或聚AMPS，或乙二醇。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的悬浮液的应用，其特征在于，所述载体物质包括或者是聚合物和/或凝胶，特别是水凝胶。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的悬浮液的应用，其特征在于，所述载体物质的导电率处于0.01mS/cm至500mS/cm的范围中，优选处于0.1mS/cm至200mS/cm的范围中，特别优选处于1mS/cm至50mS/cm的范围中。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的悬浮液的应用，其特征在于，所述载体物质具有相反电荷极性的可运动的离子，例如由于盐的溶解或熔化和/或由于酸或碱的质子分解等而具有相反电荷极性的可运动的离子。
16.根据权利要求15所述的悬浮液的应用，其特征在于，所述载体物质中相反电荷极性的离子的浓度与介电常数相关地是饱和的，使得在其它条件相同的情况下，所述载体中离子浓度的升高不会引起所述校准悬浮液的介电常数值升高。
17.根据权利要求9至16中任一项所述的悬浮液的应用，其特征在于，所述固体颗粒具有0.01μm至500μm范围中的，优选0.1μm至200μm范围中的，特别优选1μm至20μm范围中的粒度，其中所述粒度通过筛分确定。
18.根据权利要求9至17中任一项所述的悬浮液的应用，其特征在于，由电导率在5×10-3S/m至7×107S/m的范围中，优选在1×104S/m至4×106S/m的范围中的材料形成所述固体颗粒。
19.根据权利要求9至18中任一项所述的悬浮液的应用，其特征在于，所述固体颗粒包括金属和/或半金属和/或半导体材料和/或导电有机材料和/或石墨和/或活性炭，或者由至少一种这样的材料构成。
20.一种校准装置，其包括：
-根据权利要求9至19中任一项所述的校准悬浮液，
-阻抗谱的生物质传感器，所述生物质传感器构成用于借助于具有周期变化的场方向的电场检测关于生物质中的活细胞的量和/或大小的信息，和
-数据处理设备，所述数据处理设备构成用于处理由所述生物质传感器根据运行输出的传感器信号，并且所述数据处理设备尤其构成用于执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111303451A (zh) * 2020-02-20 2020-06-19 北京大学 导电水凝胶的制备方法及其细胞阻抗传感检测方法

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT520272A1 (de) 2017-07-21 2019-02-15 Novapecc Gmbh Messmethode zur Bestimmung der Hefevitalität und der Zellzahl
DE102017128488A1 (de) 2017-11-30 2019-06-06 Hamilton Bonaduz Ag Verfahren und Zellpopulationssensor zum Bestimmen eines die Permittivität einer Zellpopulation anzeigenden Werts
KR102448945B1 (ko) * 2021-01-08 2022-09-30 주식회사 위즈맥 Eis 측정 및 알고리즘 방식을 통한 전기화학 전극센서 트랜스듀서의 자동 교정 방법, 수명 진단 방법, 및 양불 진단 방법
CN114942039B (zh) * 2022-05-18 2024-05-07 清华大学深圳国际研究生院 一种多传感器联合标定装置及标定方法

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1085316A2 (en) * 1999-09-15 2001-03-21 Aber Instruments Limited Detecting cell-condition changes
CA2473150A1 (en) * 2002-02-19 2003-08-28 The Regents Of The University Of California Cell viability detection using electrical measurements
CN1996001A (zh) * 2006-01-06 2007-07-11 博奥生物有限公司 监测细胞和生物分子生物学行为的生物传感器及传感方法
US7250775B1 (en) * 2003-11-12 2007-07-31 The Regents Of The University Of California Microfluidic devices and methods based on measurements of electrical admittance
US20080262748A1 (en) * 2004-08-16 2008-10-23 Nanotec Solution Method And Device For Biomass Determination In A Medium, In Particular A Medium Containing Biological Cells, And Mesurement Apparatus Implementing Same
US20080297169A1 (en) * 2007-05-31 2008-12-04 Greenquist Alfred C Particle Fraction Determination of A Sample
CN101324501A (zh) * 2007-06-15 2008-12-17 纳米技术公司 生物培养基中细胞在线原位计数的方法和系统
CN101939408A (zh) * 2008-01-16 2011-01-05 西班牙高等科研理事会 生物量浓度测量装置、方法以及电子芯片元件在测量所述生物量浓度上的使用
US20120208283A1 (en) * 2011-02-16 2012-08-16 Eugen Gheorghiu Systems and Methods for Detection and Quantitation of Analytes Using an Oscillating Stimulus
CN103827662A (zh) * 2011-05-25 2014-05-28 麦克罗威斯克有限公司 具有双压电晶片致动和压阻读出的微悬臂梁式传感器
CN104508480A (zh) * 2012-07-16 2015-04-08 昌和生物医学科技(扬州)有限公司 增强疾病检测与鉴定的器件与方法
US9304133B2 (en) * 2004-07-19 2016-04-05 ProteinSimple Methods and devices for analyte detection

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3506544A (en) * 1964-10-09 1970-04-14 Magna Corp Method of determining microbial populations,enzyme activities,and substrate concentrations by electrochemical analysis
GB8408529D0 (en) 1984-04-03 1984-05-16 Health Lab Service Board Concentration of biological particles
CA2090699A1 (en) * 1990-08-30 1992-03-01 Douglas B. Kell Analytical method
ATE351900T1 (de) * 2000-03-27 2007-02-15 Nte Sa Sonde, zelle und verfahren zur messung der konzentration und der zusammensetzung von biomasse
EP1272832A1 (fr) 2000-04-14 2003-01-08 Nanotec Solution Dispositif et procede de determination de caracteristiques d'une biomasse
FR2867278B1 (fr) * 2004-03-05 2006-05-19 Univ Montpellier Ii Procede et dispositif pour mesurer et caracteriser en ligne une biomasse dans un processus de fermentation de bacteries lactiques, et procede de pilotage associe
GB0822058D0 (en) * 2008-12-03 2009-01-07 Aber Instr Ltd Capacitance measurement validation for biomass measurement instruments
DE102009007060B4 (de) 2009-02-02 2014-07-17 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Statistisches Verfahren zur resistiven Bestimmung der Partikeldichte und Partikelgröße in Flüssigkeiten und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
EP2259045A1 (en) * 2009-06-05 2010-12-08 Koninklijke Philips Electronics N.V. Multi-frequency impedance method and apparatus for discriminating and counting particles expressing a specific marker
ES2898637T3 (es) * 2012-01-06 2022-03-08 Bend Res Inc Métodos y aparatos de espectroscopia dieléctrica

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1085316A2 (en) * 1999-09-15 2001-03-21 Aber Instruments Limited Detecting cell-condition changes
CA2473150A1 (en) * 2002-02-19 2003-08-28 The Regents Of The University Of California Cell viability detection using electrical measurements
US7250775B1 (en) * 2003-11-12 2007-07-31 The Regents Of The University Of California Microfluidic devices and methods based on measurements of electrical admittance
US9304133B2 (en) * 2004-07-19 2016-04-05 ProteinSimple Methods and devices for analyte detection
US20080262748A1 (en) * 2004-08-16 2008-10-23 Nanotec Solution Method And Device For Biomass Determination In A Medium, In Particular A Medium Containing Biological Cells, And Mesurement Apparatus Implementing Same
CN1996001A (zh) * 2006-01-06 2007-07-11 博奥生物有限公司 监测细胞和生物分子生物学行为的生物传感器及传感方法
US20080297169A1 (en) * 2007-05-31 2008-12-04 Greenquist Alfred C Particle Fraction Determination of A Sample
CN101324501A (zh) * 2007-06-15 2008-12-17 纳米技术公司 生物培养基中细胞在线原位计数的方法和系统
CN101939408A (zh) * 2008-01-16 2011-01-05 西班牙高等科研理事会 生物量浓度测量装置、方法以及电子芯片元件在测量所述生物量浓度上的使用
US20120208283A1 (en) * 2011-02-16 2012-08-16 Eugen Gheorghiu Systems and Methods for Detection and Quantitation of Analytes Using an Oscillating Stimulus
CN103827662A (zh) * 2011-05-25 2014-05-28 麦克罗威斯克有限公司 具有双压电晶片致动和压阻读出的微悬臂梁式传感器
CN104508480A (zh) * 2012-07-16 2015-04-08 昌和生物医学科技(扬州)有限公司 增强疾病检测与鉴定的器件与方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MICHAL DABROS ET. AL: "Cole–Cole, linear and multivariate modeling of capacitance data for on-line monitoring of biomass", 《BIOPROCESS BIOSYST ENG》 *
ZHEN ZHU ET AL: "Real-time monitoring of immobilized single yeast cells through multifrequency electrical impedance spectroscopy", 《ANAL BIOANAL CHEM》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111303451A (zh) * 2020-02-20 2020-06-19 北京大学 导电水凝胶的制备方法及其细胞阻抗传感检测方法
CN111303451B (zh) * 2020-02-20 2021-08-17 北京大学 导电水凝胶的制备方法及其细胞阻抗传感检测方法

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EP3423826B1 (de) 2020-10-21
JP6995053B2 (ja) 2022-01-14
WO2017149005A1 (de) 2017-09-08
CN108780082B (zh) 2020-09-22
DE102016203576A1 (de) 2017-09-07
EP3423826A1 (de) 2019-01-09

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