CN108918451B - 一种细胞代谢实时检测及动态干预装置及测试干预方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种细胞代谢实时检测及动态干预装置及测试干预方法，包括进液单元、检测单元、数据处理及显示单元；进液单元为微量恒流泵；检测单元包括培养皿，其内腔底部安装有用于检测溶液各项生理参数的传感器芯片，培养皿的上方设置有气体传感器，气体传感器通过支架固定在培养皿的上方，培养皿通过塑料注液软管连接微量恒流泵，检测单元的外围包裹有密封箱体；数据处理及显示单元包括控制主板、SD卡和显示屏，SD卡插在控制主板上，经过信号处理后将收集的各种生理信息数据储存在SD卡内，同时显示于显示屏上。本发明有效的解决了不可同时动态检测多种生理指标、含放射性、难以精确注药干预实验进程等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种细胞代谢实时检测及动态干预装置，本发明还涉及细胞代谢实时检测及动态干预的测试干预方法，属于生物医学工程中的医学检测仪器技术领域。
背景技术
为研究细胞、组织等生物样本的有关生物学行为(如细胞生长代谢、运动等特征)，目前广泛采用于培养皿内离体培养生物样本的方法进行研究。
例如，用肿瘤细胞株在体外培养是目前肿瘤学研究的重要方法之一。实验表明，肿瘤细胞摄取代谢物质(特别是葡萄糖的速率)与肿瘤细胞的生物学行为密切相关，在临床上与肿瘤对化疗的敏感性相关，所以动态监测肿瘤细胞摄取葡萄糖的过程对研究肿瘤至关重要。正常细胞有氧条件下消耗葡萄糖产出CO2，无氧环境代谢缓慢；但肿瘤细胞不论有氧无氧条件均通过葡萄糖酵解获取能量并产生乳酸。针对该特点，我们可通过实时监测体外细胞代谢产物中CO2浓度、乳酸浓度(即pH)便可确定其代谢路径。
葡萄糖有氧反应式：C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+36ATP
糖酵解反应式：C6H12O6→2C3H6O3+2ATP
而现有检测手段为放射性核素法(用标记反应物，利用γ射线检测产物中放射线剂量以确定反应速率)。在培养皿(皿一端设置进液口，一端设置出液口，并略低于进液口，方便液体流动)中培养肿瘤细胞，利用微流泵向其动态加入放射性核素标记的葡萄糖或其类似物(如18F-氟代脱氧葡萄糖)溶液，置于细胞培养箱内培育；利用置于皿上方的γ射线仪动态检测细胞中放射线剂量，从而计算出该肿瘤细胞株在不同时间点摄取的葡萄糖的量。该法由于标记限制，无法同时检测多个标记物，且放射性废弃物质不易处理；在不影响代谢过程情况下，很难注药干预代谢反应并检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种细胞代谢实时检测及动态干预装置，以方便检测药物对细胞代谢的干预情况。
本发明采用了如下技术方案：
一种细胞代谢实时检测及动态干预装置，其特征在于：包括进液单元、检测单元、数据处理及显示单元；进液单元为微量恒流泵；检测单元包括培养皿，培养皿呈无顶空心圆柱体，其内腔底部安装有用于检测溶液各项生理参数的传感器芯片，培养皿的上方设置有气体传感器，气体传感器通过支架固定在培养皿的上方，培养皿通过塑料注液软管连接微量恒流泵，检测单元的外围包裹有密封箱体；数据处理及显示单元包括控制主板、SD卡和显示屏，SD卡插在控制主板上，控制主板与显示屏及气体传感器、培养皿底部的传感器芯片通过数据线连接，经过信号处理后将收集的各种生理信息数据储存在SD卡内，同时显示于显示屏上。
本发明的一种细胞代谢实时检测及动态干预装置，还具有这样的特征：传感器芯片包括光寻址点位传感器和Clark电极，光寻址点位传感器检测溶液pH值，Clark电极检测溶解氧浓度。
本发明的一种细胞代谢实时检测及动态干预装置，还具有这样的特征：气体传感器外部呈空心长方体，底部设有进气口及出气口。
本发明的一种细胞代谢实时检测及动态干预装置，还具有这样的特征：其中，气体传感器内部横向依次装有装有发光光源、偏光片及光源接收层。
本发明的一种细胞代谢实时检测及动态干预装置，还具有这样的特征：其中，发光光源为红外线光源。
本发明的一种细胞代谢实时检测及动态干预装置，还具有这样的特征：其中，气体传感器内部的顶层为气体检测信号处理层。
本发明还提供一种细胞代谢实时检测及动态干预装置的测试干预方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将待测细胞接种于培养皿中，同时配置培养液及干预代谢试剂；
S2.待细胞贴壁后，吸出培养皿中的培养液，随后将培养皿置于密封箱内，并将密封箱置于恒温环境中；
S3.启动微量恒流泵定量精确注入配置好的培养液；
S4.启动检测单元及信号采集单元，以3～10秒/次的固定周期检测细胞代谢生理过程，其所释放的气体信息及溶液内各项生理信息由气体传感器、培养皿底部传感器芯片捕捉并形成数字信号，得到细胞基础代谢信息，其经由数据处理及显示单元储存并显示；
S5.待信息记录完成后，向培养皿内定量注入干预代谢试剂，同时按上述步骤S2-S4记录各项信息；
S6.将细胞代谢被干预前后的生理信息通过对比分析可得出试剂对代谢的调控效果。
进一步，本发明的细胞代谢实时检测及动态干预装置的测试干预方法，其特征在于：其中，气体传感器采用红外吸收法，以红外线为测量介质，利用不同气体分子吸收特定波长的光波特性，通过光波被吸收强度的大小来确定该气体分子的浓度。
进一步，本发明的细胞代谢实时检测及动态干预装置的测试干预方法，其特征在于：步骤S2中，恒温环境的温度为37℃。
进一步，本发明的细胞代谢实时检测及动态干预装置的测试干预方法，其特征在于：步骤S5中，干预代谢试剂为二氯乙酸盐。
发明的有益效果
本发明的细胞代谢实时检测及动态干预装置及检测方法，有效的解决了不可同时动态检测多种生理指标、含放射性、难以精确注药干预实验进程等问题。将测量溶液内不同生理参数的传感器集成于同一芯片，以其为底制成培养皿，并在芯片上方设置气体传感器。于该芯片表面进行生物样品的体外培养、检测和干预。
附图说明
图1为本发明的整体结构框图；
图2为本发明采用气体传感器的结构示意图；
图3为本发明采用的培养皿的俯视图；
图4为本发明采用的培养皿的半剖图；
图5为本发明检测流程图。
附图编号：培养皿1，气体传感器2，微量恒流泵3，控制主板4，SD卡5，显示屏6，进气口7，出气口8，发光光源9，偏光片10，光源接收层11，信号处理层12，传感器芯片13，密封箱14。
具体实施方式
以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图5所示，细胞代谢实时检测及动态干预装置，包括：进液单元、检测单元、数据处理及显示单元。
如图1所示，进液单元采用微量恒流泵3。
检测单元包括培养皿1，生理参数传感器芯片13和气体传感器2。
如图3所示，培养皿1呈无顶空心圆柱体，如图4所示，培养皿1内腔底部安装有生理参数传感器芯片13。
生理参数传感器芯片13包括光寻址点位传感器和Clark电极，其中光寻址点位传感器用于检测溶液pH值，Clark电极用于检测溶解氧浓度。
培养皿1的上方设置有气体传感器2，气体传感器2通过支架固定在培养皿1的上方。
如图2所示，气体传感器2外部呈空心长方体，底部设有进气口7及出气口8，其内部横向依次装有发光光源9、偏光片10及光源接收层11，其顶部为气体检测信号处理层12，气体传感器2采用红外吸收法，以红外线为测量介质，利用不同气体分子吸收特定波长的光波特性，通过光波被吸收强度的大小来确定该气体分子的浓度。
培养皿1通过塑料注液软管连接微量恒流泵3，
检测单元的外围包裹有密封箱14。
在进行检测时，需要将密封箱14置于恒温装置中，恒温装置可以采用恒温培养箱，或者恒温水浴锅。
数据处理及显示单元包括控制主板4、SD卡5和显示屏6，SD卡5插在控制主板4上，控制主板4与显示屏6及气体传感器2、培养皿1底部的传感器芯片13通过数据线连接，经过信号处理后将收集的各种生理信息数据储存在SD卡5内，同时将生理信号显示于显示屏6上。
细胞代谢实时检测及动态干预装置的测试干预方法，如图5所示，包括以下步骤：
S1.将待测细胞接种于培养皿1中，同时配置培养液及干预代谢试剂；
S2.待细胞贴壁后，吸出培养皿1中的培养液，随后将培养皿1置于密封箱内，并将密封箱置于恒温浴锅中；
S3.启动微量恒流泵3定量精确注入配置好的培养液；
S4.启动检测单元及信号采集单元，以固定周期3～10秒/次检测细胞代谢生理过程，其所释放的气体信息及溶液内各项生理信息由气体传感器2、培养皿1底部传感器芯片13捕捉并形成数字信号，得到细胞基础代谢信息，其经由数据处理及显示单元储存并显示；
S5.待信息记录完成后，向培养皿1内定量注入其他试剂干预代谢，同时按上述步骤S2-S4记录各项信息；
S6.将细胞代谢被干预前后的生理信息通过对比分析可得出试剂对代谢的调控效果。
具体来说，以人肺腺癌细胞代谢实验为例，流程如图5所示。在特定环境内将待测细胞单层接种于培养皿1中，同时配置培养液及干预代谢试剂，试剂以DCA(二氯乙酸盐)为例，将其置于进液单元的微量恒流泵3内；待细胞贴壁后，吸出原有培养液并将培养皿1置于密封箱内，启动微量恒流泵3定量精确注入配置好的培养液；启动检测单元及信号采集单元，以3～10秒/次的固定周期检测细胞代谢生理过程，其所释放的气体信息及溶液内各项生理信息由气体传感器2、培养皿底部传感器芯片13捕捉并形成数字信号，得到细胞基础代谢信息，其经由控制及显示模块储存并显示。
待细胞基础代谢信息记录完成后，向培养皿内定量注入DCA试剂干预代谢，同时按上述步骤记录各项信息；将细胞代谢被干预前后的生理信息通过对比分析可得出试剂对代谢的调控效果。
本发明提供一种非标记的可实时检测生物样品的多种生理信息并干预其代谢的装置。本发明有效的解决了不可同时动态检测多种生理指标、含放射性、难以精确注药干预实验进程等问题。将测量溶液内不同生理参数的传感器集成于同一芯片，以其为底制成培养皿，并在芯片上方设置气体传感器。于该芯片表面进行生物样品的体外培养、检测和干预。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种细胞代谢实时检测及动态干预装置，其特征在于：包括进液单元、检测单元、数据处理及显示单元；
所述进液单元为微量恒流泵；
所述检测单元包括培养皿，所述培养皿呈无顶空心圆柱体，其内腔底部安装有用于检测溶液各项生理参数的传感器芯片，所述培养皿的上方设置有气体传感器，所述气体传感器通过支架固定在培养皿的上方，
所述培养皿通过塑料注液软管连接微量恒流泵，所述检测单元的外围包裹有密封箱体；
所述数据处理及显示单元包括控制主板、SD卡和显示屏，SD卡插在控制主板上，所述控制主板与显示屏及气体传感器、培养皿底部的传感器芯片通过数据线连接，经过信号处理后将收集的各种生理信息数据储存在SD卡内，同时显示于显示屏上；
所述传感器芯片包括光寻址点位传感器和Clark电极，光寻址点位传感器检测溶液pH值，Clark电极检测溶解氧浓度；
所述气体传感器外部呈空心长方体，底部设有进气口及出气口；
上述一种细胞代谢实时检测及动态干预装置的测试干预方法，包括以下步骤：
S1.将待测细胞接种于培养皿中，同时配置培养液及干预代谢试剂；
S2.待细胞贴壁后，吸出培养皿中的培养液，随后将培养皿置于密封箱内，并将密封箱置于恒温环境中；
S3.启动微量恒流泵定量精确注入配置好的培养液；
S4.启动检测单元及信号采集单元，以3～10秒/次的固定周期检测细胞代谢生理过程，其所释放的气体信息及溶液内各项生理信息由气体传感器、培养皿底部传感器芯片捕捉并形成数字信号，得到细胞基础代谢信息，其经由数据处理及显示单元储存并显示；
S5.待信息记录完成后，向培养皿内定量注入干预代谢试剂，同时按上述步骤S2-S4记录各项信息；
S6.将细胞代谢被干预前后的生理信息通过对比分析可得出试剂对代谢的调控效果。
2.根据权利要求1所述的细胞代谢实时检测及动态干预装置，其特征在于：
其中，所述气体传感器内部横向依次装有发光光源、偏光片及光源接收层。
3.根据权利要求2所述的细胞代谢实时检测及动态干预装置，其特征在于：
其中，所述发光光源为红外线光源。
4.根据权利要求2所述的细胞代谢实时检测及动态干预装置，其特征在于：
其中，所述气体传感器内部的顶层为气体检测信号处理层。
5.如权利要求1所述的细胞代谢实时检测及动态干预装置的测试干预方法，其特征在于：
其中，气体传感器采用红外吸收法，以红外线为测量介质，利用不同气体分子吸收特定波长的光波特性，通过光波被吸收强度的大小来确定该气体分子的浓度。
6.如权利要求1所述的细胞代谢实时检测及动态干预装置的测试干预方法，其特征在于：
步骤S2中，恒温环境的温度为37℃。
7.如权利要求1所述的细胞代谢实时检测及动态干预装置的测试干预方法，其特征在于：
步骤S5中，所述干预代谢试剂为二氯乙酸盐。
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