CN108896642B - 一种叉指电极细胞活性阻抗传感器指隙试验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叉指电极细胞活性阻抗传感器指隙试验装置与方法，包括依次相连的PC上位机、ARM处理器控制电路、施加交流电信号的控制电路、叉指电极传感器和差分放大电路，工作时，PC上位机设定电极间距控制值并发送给ARM处理器，ARM处理器控制与继电器驱动电路相连的引脚输出相应电平，经继电器驱动电路控制继电器触点开关动作，将相应的条状型金电极接入施加交流电信号的电极公共端，其余条状型金电极与施加交流电信号的电极公共端断开。在保证同时性及同环境的前提下，比较不同结构参数下叉指电极传感器灵敏度，分析传感器结构参数对传感器灵敏度的影响，寻找最优的传感器结构参数。

Description

一种叉指电极细胞活性阻抗传感器指隙试验装置与方法

技术领域

本发明属于电化学阻抗检测技术领域，具体涉及一种叉指电极细胞活性阻抗传感器指隙试验装置与方法。

背景技术

细胞是组成生命体结构和功能的基本单元，也是生命活动的基本功能单元。细胞分析，包括细胞活性和生理状态的分析，有助于揭示细胞的基本结构、功能信息及其病理状态，在病理研究、药物研究、临床诊治、医疗卫生、环境监测中具有非常重要的意义。细胞阻抗检测作为一种实时、非侵入式、无需标记、操作简便的检测手段，已逐步成为生物医学领域一个高效的分析工具，叉指电极传感器由于其重复性好、灵敏度高等优点得到广泛应用。

通过检测叉指电极传感器输出的阻抗值，以期达到分析细胞活性和状态信息的目的。因而，如何选取合适叉指电极传感器结构参数以得到比较理想的传感器输出特性，如何设计更灵敏有效的叉指电极传感器装置是个非常重要的问题。

现有的探讨用于检测细胞状态的叉指电极传感器结构参数优化试验存在以下问题：

1、不能实现同时性及同环境

目前现有讨论叉指电极结构参数对细胞状态检测灵敏度影响的试验均是选用不同结构参数的多个叉指电极进行多次试验来比较分析试验结果，然而多次试验不能够保证实验环境、细胞样本、人员操作等的一致性。多组试验破坏了同时性和同环境条件，实验组间可能会有较大差异，因而后续探讨的关于阻抗传感器结构参数优化结论具有偶然性。

2、不能实现试验自动化

比较多组结构参数的叉指电极传感器时需要人工操作多次试验，很多细胞生理试验是一个长时和实时的记录观察过程，多次试验大大增加了试验时间和试验成本，同样，由于非全自动化的操作也会造成同时性和同环境条件的破坏。

现有的检测细胞状态的叉指电极传感器结构参数优化试验由于以上局限性，最终得出的结论会受较多因素影响，结论准确性不足，实际应用于指导叉指电极传感器结构参数设计是不太适合的。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种叉指电极细胞活性阻抗传感器指隙试验装置，包括ARM处理器控制电路、施加交流电信号的控制电路、叉指电极传感器、差分放大电路和PC上位机，所述PC上位机与ARM处理器相连，ARM处理器的输出端连接施加交流电信号的控制电路的输入端，施加交流电信号的控制电路的输出端连接叉指电极传感器，叉指电极传感器连接差分放大电路的输入端，差分放大电路的输出端连接ARM处理器的输入端；ARM处理器的输出引脚连接继电器驱动电路的输入端；所述继电器驱动电路由三极管、二极管、电阻和继电器组成，继电器一个输入端连接VCC，另一输入端接三极管的发射级，继电器两输入端之间反向并联一个二极管；所述叉指电极传感器由基片、电极阵列、绝缘引出线、电极输出端和导线组成，所述电极阵列置于基片上，电极阵列由电极组成，电极依次通过绝缘引出线、电极输出端、导线与继电器相连；所述电极阵列包括A、B两组，且A、B阵列中的电极交错平行布置，每个阵列所含的电极数量相同，每个电极大小形状相同，相邻的电极之间间距相等。

上述方案中，所述电极为条状型金电极。

一种叉指电极细胞活性阻抗传感器指隙试验方法，PC上位机依次设定电极间距控制值，使实际工作电极间依次间隔i个电极，其中i＝0,2,4,…,m，m为偶数，ARM处理器接收并控制与继电器驱动电路相连的引脚输出相应电平，经继电器驱动电路改变接入施加交流电信号控制电路的电极阵列间距值，测量叉指电极传感器响应电流i_i0，计算占空比

及基线阻抗

其中S_i＝(i+1)espace+(i)ewidth，W_i＝ewidth，ewidth是电极宽度，espace是电极间距，v是施加交流电信号的控制电路产生的电压幅值；在叉指电极传感器内加入细胞培养液体系，在叉指电极传感器两端施加与测量基线阻抗Z_i0时同频同幅值的交流电信号，PC上位机重复设定同测量基线阻抗时一致的电极间距控制值，使实际工作电极间依次间隔j个电极，其中j＝0,2,4,…,m，m为偶数，测量响应电流i_j1，计算阻抗

依次计算实际工作电极间依次间隔k个电极的灵敏度

比较不同叉指电极传感器结构参数对灵敏度的影响，选择灵敏度Y_k值最大的叉指电极传感器结构参数，作为最优叉指电极传感器结构参数。

进一步，所述电极为条状型金电极。

本发明与已有方法和技术相比，具有如下优点：

1、本发明通过采用继电器充当程控开关，继电器触点开关动作时间在3ms以下，改变上位机电极间距参数，通过ARM处理器控制继电器，能够实现快速切换间距、任意改变电极结构参数功能。利用ARM处理器控制程控开关通断，最终完成叉指电极结构参数的改变，整个过程通过ARM处理器控制，实现了操作自动化，无需人为操作，降低了试验成本及劳动损耗。

2、本发明可在任意时间通过ARM处理器改变叉指电极结构参数，在细胞阻抗检测试验过程中切换电极间距可实现同时性及同环境，提高了结果准确性，从而更准确指导叉指电极设计。

附图说明

图1是叉指电极细胞活性阻抗传感器指隙试验装置结构框图；

图2是叉指电极传感器结构示意图；

图3是条状型金电极阵列结构放大图；

图4实际工作相邻电极在原始阵列基础上间隔出2个条状型金电极实施方式示意图；

图5是叉指电极细胞活性阻抗传感器指隙试验装置检测方法流程图。

附图标记说明：1、基片；2、条状型金电极；3、绝缘引出线；4、电极输出端；5、导线；6、继电器触点开关。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的说明，但是本发明的保护范围并不限于此。

参见图1，本发明一种叉指电极细胞活性阻抗传感器指隙试验装置包括ARM处理器控制电路、施加交流电信号的控制电路、叉指电极传感器、差分放大电路和PC上位机。

参见图2，叉指电极传感器由基片1、条状型金电极2阵列(A、B两组阵列)、绝缘引出线3、电极输出端4和导线5组成。电极输出端4便于叉指电极传感器与外电路相连。条状型金电极2阵列置于基片1上，交错的两个电极相互平行，各个阵列所含的条状型金电极2数量相同，每个条状型金电极2大小形状相同，相邻的条状型金电极2之间间距相等。电极对数为n对，实际应用中，根据所测量细胞的大小调整对数。相较于其他微电极结构，叉指结构基底覆盖率高，能减少实验组之间差异，具有重复性好，检测有效性高等特点。电极材料为金，不仅导电性良好，还具有较好的生物亲和性，适合细胞贴壁生长。

参见图1和图2，为了探究电极结构参数与传感器灵敏度之间的关系，本实施例在已有叉指电极传感器基础上增设了电极间距调整功能。PC上位机与ARM处理器通过USB数据线相连，ARM处理器的2n个输出引脚分别连接2n个继电器驱动电路的输入端。其中继电器驱动电路由三极管、二极管、电阻和继电器6组成，2n个继电器(J1…Jn、K1…Kn)一个输入端连接VCC，另一输入端接三极管的发射级，继电器两输入端间反向并联一个二极管。当继电器驱动电路输入端输入高电平时，三极管饱和导通，继电器线圈通电，继电器触点开关吸合，输入低电平时，三极管截止，继电器线圈断电，继电器触点开关断开。继电器J1…Jn的n个触点开关的输出端的一端分别连接条状型金电极EA1…EAn的n个电极输出端4，另一端连接电极公共端A；继电器K1…Kn的n个触点开关的输出端的一端分别连接条状型金电极EB1…EBn的n个电极输出端4，另一端连接电极公共端B。ARM处理器的输出端连接施加交流电信号的控制电路的输入端，施加交流电信号的控制电路的输出端连接电极公共端A和电极公共端B。电极公共端A和电极公共端B连接差分放大电路的输入端，差分放大电路的输出端连接ARM处理器的输入端。

条状型金电极2依次通过绝缘引出线3、电极输出端4、导线5与继电器相连，通过继电器的通断控制电极阵列间距值。

参见图3，原始条状型金电极阵列的结构参数：电极宽度为ewidth，电极间距为espace，占空比

根据不同细胞尺寸，电极间距可调整为几十微米至几百微米，占空比变为

在细胞培养监测过程中，叉指电极传感器检测灵敏度不仅与条状型金电极阵列的结构参数有关，还与细胞尺寸有关。电极间距较小时，叉指电极传感器有效面积增大，灵敏度增高。其中，传感器有效面积为单个条状型金电极面积*实际工作电极个数。同时，电极间距越小，叉指密度越大，叉指电极初始阻抗越小，灵敏度越高，微米级的叉指电极结构对微弱的阻抗变化非常灵敏。通过理论分析及数值模拟计算叉指电极传感器周围的电场分布，条状型金电极2边缘的电场强度与传感器中心电场强度相比，边缘电场强度最大，中心电场强度较小，细胞落在电极边缘阻抗较大，落在条状型金电极中心阻抗较小。细胞尺寸较于电极间距过大时，会导致细胞搭在两个或多个条状型金电极2上，引起阻抗过高。对某种尺寸的细胞来说，选择合适的结构参数的叉指电极传感器可以显著提高检测灵敏度。

参见图1-5，本发明一种叉指电极细胞活性阻抗传感器指隙试验装置工作时，通过PC上位机设定电极间距控制值space，ARM处理器接收PC上位机传送的十进制数space，由ARM处理器程序计算出space的二进制表达式，并将二进制数的各位按照由低到高的顺序，依次赋值给与继电器J1，J2，…，Jn，K1，K2，…，Kn驱动电路输入端相连的ARM处理器引脚，赋值1代表该引脚输出高电平，赋值0代表该引脚输出低电平，space值应保证所构成新的叉指阵列包含一个或一个以上叉指单元(两个交错的条状型金电极)。ARM处理器引脚输出相应电平经继电器驱动电路控制继电器触点开关动作，将相应的条状型金电极接入施加交流电信号的电极公共端，其余条状型金电极与施加交流电信号的电极公共端断开。在保证同环境的前提下，比较不同结构参数下叉指电极传感器灵敏度，分析传感器结构参数对传感器灵敏度的影响，寻找最优的传感器结构参数。为达到上述目的，本发明具体实施步骤如下：

步骤一：按下启动开关，PC上位机设定十进制电极间距控制值space，space转成二进制每一位都是1，通过ARM处理器和继电器驱动电路，使所有条状型金电极接入施加交流电信号的电极公共端，此时工作的叉指电极传感器为原始结构，原始结构参数为：电极宽度W₁＝ewidth，电极间距S₁＝espace，占空比

并通过ARM处理器和施加交流电信号的控制电路发出频率为f、幅值为v的正弦电压激励，频率f范围在10KHz至1MHz范围内。再通过ARM处理器采集经差分放大电路放大后的叉指电极传感器响应电流信号i₀₀，PC上位机接收ARM处理器传送的传感器响应信号，进行记录、计算、显示，测得未加入细胞时的叉指电极传感器基线阻抗Z₀₀，其中Z₀₀的计算公式为

步骤二：通过PC上位机改变电极间距控制值space，在原电极阵列基础上，使实际工作的相邻电极间隔出2个条状型金电极，构成新阵列。ARM处理器程序计算出space的二进制表达式，并将二进制数的各位按照由低到高的顺序，依次赋值给与继电器J1，J2，…，Jn，K1，K2，…，Kn驱动电路输入端相连的ARM处理器引脚。参见图4，与继电器J1、J4、J7、J10…，K2、K5、K8、K11…的驱动电路输入端相连的ARM处理器引脚均输出高电平，继电器J1、J4、J7、J10…，K2、K5、K8、K11…的触点开关均闭合，与继电器J2、J3、J5、J6、J8、J9、J11、J12…，K1、K3、K4、K6、K7、K9、K10、K12…的驱动电路输入端相连的ARM处理器引脚输出低电平，继电器J2、J3、J5、J6、J8、J9、J11、J12…，K1、K3、K4、K6、K7、K9、K10、K12…触点开关均断开，由条状型金电极EA1、EB2、EA4、EB5、EA7、EB8、EA10、EB11…构成的新电极阵列通过继电器接入施加交流电信号的电极公共端，其余条状型金电极与施加交流电信号的电极公共端断开。此时实际工作的电极宽度W₂＝ewidth，电极间距S₂＝3espace+2ewidth，占空比

测量基线阻抗Z₂₀。

步骤三：以此类推，通过PC上位机依次改变电极间距控制值space，依次在原电极阵列基础上，使实际工作的相邻电极间隔出i个条状型金电极，构成新阵列，其中i＝4，6，…，m，m为偶数。实际工作的相邻电极间隔出i个条状型金电极时，结构参数为：电极宽度W_i＝ewidth，电极间距S_i＝(i+1)espace+(i)ewidth，占空比

依次测量基线阻抗Z₄₀，Z₆₀，…，Z_i0；阻抗值Z_i0计算公式为

步骤四：通过PC上位机改变电极间距控制值space，space转成二进制每一位都是1，将所有条状型金电极接入施加交流电信号的控制电路，切换成原始结构参数，在叉指电极传感器内加入细胞培养液体系，施加与测量基线阻抗时同频同幅值的正弦电压激励，细胞感受到外加电压刺激后，产生变化，通过与细胞相连的电极检测细胞变化，将细胞生理变化信息转换为电信号i₀₁，传送给PC上位机，测得阻抗值Z₀₁，并计算灵敏度Y₀，其中阻抗值Z_j1计算公式为

灵敏度Y₀的计算公式为

步骤五：再通过PC上位机依次改变电极间距控制值space，在原电极阵列基础上将实际工作的相邻电极间间隔j个条状型金电极，构成新阵列，其中j＝2，4，6，…，m，m为偶数。依次测量阻抗值Z₂₁，Z₄₁，…，Z_m1，计算灵敏度Y₂，Y₄，…，Y_m。实际工作的相邻电极间隔出k个条状型金电极时，灵敏度Y_k的计算公式为

步骤六：阻抗数据采集结束后，通过PC上位机绘制各传感器结构参数下灵敏度随时间变化曲线，并将电极宽度、电极间距、占空比、灵敏度汇总成表，对比分析叉指电极传感器结构参数对灵敏度的影响，选择灵敏度Y_k值最大的叉指电极传感器结构参数，作为最优叉指电极传感器结构参数。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种叉指电极细胞活性阻抗传感器指隙试验装置，其特征在于，包括ARM处理器控制电路、施加交流电信号的控制电路、叉指电极传感器、差分放大电路和PC上位机，所述PC上位机与ARM处理器相连，ARM处理器的输出端连接施加交流电信号的控制电路的输入端，施加交流电信号的控制电路的输出端连接叉指电极传感器，叉指电极传感器连接差分放大电路的输入端，差分放大电路的输出端连接ARM处理器的输入端；ARM处理器的输出引脚连接继电器驱动电路的输入端；所述叉指电极传感器由基片(1)、电极阵列、绝缘引出线(3)、电极输出端(4)和导线(5)组成，所述电极阵列置于基片(1)上，电极阵列由电极(2)组成，电极(2)依次通过绝缘引出线(3)、电极输出端(4)、导线(5)与继电器相连，通过继电器触点开关动作控制电极阵列间距值；

PC上位机依次设定电极间距控制值，使实际工作电极间依次间隔i个电极，ARM处理器接收并控制与继电器驱动电路相连的引脚输出相应电平，经继电器驱动电路改变接入施加交流电信号控制电路的电极阵列间距值，测量叉指电极传感器响应电流i_i0，计算占空比D_i及基线阻抗Z_i0；叉指电极传感器内加入细胞培养液体系，叉指电极传感器两端施加与测量基线阻抗Z_i0时同频同幅值的交流电信号，PC上位机重复设定同测量基线阻抗时一致的电极间距控制值，使实际工作电极间依次间隔j个电极，测量响应电流i_j1，计算阻抗Z_j1，依次计算实际工作电极间依次间隔k个电极的灵敏度Y_k，比较不同叉指电极传感器结构参数对灵敏度的影响，选择灵敏度Y_k值最大的叉指电极传感器结构参数，作为最优叉指电极传感器结构参数；其中i＝0,2,4,…,m，j＝0,2,4,…,m，m为偶数。

2.如权利要求1所述的叉指电极细胞活性阻抗传感器指隙试验装置，其特征在于，所述继电器驱动电路由三极管、二极管、电阻和继电器组成，继电器一个输入端连接VCC，另一输入端接三极管的发射级，继电器两输入端之间反向并联一个二极管。

3.如权利要求1所述的叉指电极细胞活性阻抗传感器指隙试验装置，其特征在于，所述电极阵列包括A、B两组，且A、B阵列中的电极(2)交错平行布置，每个阵列所含的电极(2)数量相同，每个电极(2)大小形状相同，相邻的电极(2)之间间距相等。

4.如权利要求1所述的叉指电极细胞活性阻抗传感器指隙试验装置，其特征在于，所述电极(2)为条状型金电极。

5.一种叉指电极细胞活性阻抗传感器指隙试验方法，其特征在于，

PC上位机依次设定电极间距控制值，使实际工作电极间依次间隔i个电极，其中i＝0,2,4,…,m，m为偶数，ARM处理器接收并控制与继电器驱动电路相连的引脚输出相应电平，经继电器驱动电路改变接入施加交流电信号控制电路的电极阵列间距值，测量叉指电极传感器响应电流i_i0，计算占空比D_i及基线阻抗Z_i0；当i＝2时，ARM处理器计算出space的二进制表达式，并将二进制数的各位按照由低到高的顺序，依次赋值给与继电器J1，J2，…，Jn，K1，K2，…，Kn驱动电路输入端相连的ARM处理器引脚；与继电器J1、J4、J7、J10…，K2、K5、K8、K11…的驱动电路输入端相连的ARM处理器引脚均输出高电平，继电器J1、J4、J7、J10…，K2、K5、K8、K11…的触点开关均闭合，与继电器J2、J3、J5、J6、J8、J9、J11、J12…，K1、K3、K4、K6、K7、K9、K10、K12…的驱动电路输入端相连的ARM处理器引脚输出低电平，继电器J2、J3、J5、J6、J8、J9、J11、J12…，K1、K3、K4、K6、K7、K9、K10、K12…触点开关均断开，由电极EA1、EB2、EA4、EB5、EA7、EB8、EA10、EB11…构成的新电极阵列通过继电器接入施加交流电信号的电极公共端，其余条状型金电极与施加交流电信号的电极公共端断开；

在叉指电极传感器内加入细胞培养液体系，在叉指电极传感器两端施加与测量基线阻抗Z_i0时同频同幅值的交流电信号，PC上位机重复设定同测量基线阻抗时一致的电极间距控制值，使实际工作电极间依次间隔j个电极，其中j＝0,2,4,…,m，m为偶数，测量响应电流i_j1，计算阻抗Z_j1，依次计算实际工作电极间依次间隔k个电极的灵敏度Y_k，比较不同叉指电极传感器结构参数对灵敏度的影响，选择灵敏度Y_k值最大的叉指电极传感器结构参数，作为最优叉指电极传感器结构参数。

6.如权利要求5所述的一种叉指电极细胞活性阻抗传感器指隙试验方法，其特征在于，所述占空比

基线阻抗

其中S_i＝(i+1)espace+(i)ewidth，W_i＝ewidth，ewidth是电极宽度，espace是电极间距，v是施加交流电信号的控制电路产生的电压幅值。

7.如权利要求6所述的一种叉指电极细胞活性阻抗传感器指隙试验方法，其特征在于，所述阻抗

8.如权利要求7所述的一种叉指电极细胞活性阻抗传感器指隙试验方法，其特征在于，灵敏度Y_k计算公式为

9.如权利要求5-8任意一项权利要求所述的一种叉指电极细胞活性阻抗传感器指隙试验方法，其特征在于，所述电极为条状型金电极。

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