一种检测分析仪
技术领域
本申请涉及一种检测分析仪,特别涉及一种用于多模态、动态生物毒性实时定量检测的分析仪。
背景技术
目前,微电子机械系统是一种比较热门的技术,该技术是建立在微/纳米技术基础上的前沿学科。通过对微/纳米材料进行设计、加工、制造和控制,可将机械构建、光学系统、驱动部件、电控系统、数字处理系统集成为一个整体单元。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令,还能够按照所获取的信息自主地或根据外部指令采取行动。它是微电子技术和微加工技术相结合的制造工艺,可以利用其生产制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。
区别于传统的机械,微电子机械系统中的机械代表一切具有能量转化等功能的效应,包括力、热、声、光、磁乃至化学生物等,因此微电子机械系统涉及到了机械、电子、化学、物理、生物、材料等学科。在微米尺度下,微机械结构仍然遵循传统的力学规律,但是随着尺寸的缩小,微机械器件的质量、热容等减小,静电力、谐振频率、比表面积等增大。一方面,利用这些尺寸效应可以改善微机械器件的响应时间、灵敏度和工作带宽等性能,另一方面,这些变化规律使微机械容易受到温度、湿度等干扰。
另外,随着生物医用材料及制品已被大量应用于医学临床,所以评价材料的生物毒性至关重要。
目前国内外常用的细胞毒性测试方法是建立在药物对细胞作用影响的基础上,通过细胞标记识别、数量统计、时间点式的分析方法来评价细胞毒性,例如:MTT法、LDH法等,但这些测量方法所使用的化学染色剂或者荧光指示剂等会造成细胞永久性的伤害,而且瞬时时间点的毒性测量结果也满足不了对药物毒性作用进行阶段性考察的要求,从而不能作到对整个中毒过程进行实时、准确、连续有效地观察和检测,另外,这些方法并不是真正意义上的定量检测,只能算是半定量检测。所以,可以考虑将谐振微悬臂传感系统应用于生物毒性的检测方面。
发明内容
为了克服传统生物毒性检测方法的缺点:1)数量统计,半定量检测;2)化学染剂会对细胞造成永久性伤害;3)采取时间点式分析方法。以实现连续、长时间、实时、定量、多模动态监测的目的,本申请开发出了一种多模态、动态生物毒性实时定量检测分析仪。
因此,本申请提供了一种检测分析仪,其包括第一样品输入/输出元件、第二样品输入/输出元件、样品仓、振动平台、振荡器、数据采集系统和数据显示器;其中,所述第一样品输入/输出元件和所述第二样品输入/输出元件分别与所述样品仓连通;所述振动平台位于所述样品仓内;所述振荡器位于所述样品仓外,并且所述振动平台与所述振荡器连接;所述数据采集系统位于所述样品仓外,且与所述振动平台连接;所述数据显示器与所述数据采集系统连接。
其中,根据实际情况,样品仓可以保持恒温。
在一个具体实施方式中,所述振动平台由压敏材料或振动石英材料构成。
在一个具体实施方式中,所述振动平台为具有圆片型的结构,其也可以为具有方片型的结构。
在一个具体实施方式中,所述振动平台的边缘与弹性元件固定连接,所述弹性元件与外部电压连接。其中,弹性元件可以选自金片和/或铂金片。并且所述弹性元件由硅胶等绝缘材料包覆。
在一个具体实施方式中,所述振动平台的边缘向下延伸至所述样品仓的下表面,以避免所述振动平台的下表面与样品仓内的样品接触。
其中,振动平台向下延伸的部分可以与振动平台的材质不同。
或者,在一个具体实施方式中,所述样品仓的下表面的部分区域向下凹陷,使所述振动平台覆盖该凹陷区域形成的开口,以避免所述振动平台的下表面与样品仓内的样品接触。
其中,形成凹陷区域的侧壁可以与样品仓的材质相同,也可以与样品仓的材质不同。但是优选地,形成凹陷区域的下表面的材料为透明材料,更优选地为玻璃。在一个具体实施方式中,所述数据采集系统包括集流器和数据分析模块。
在一个具体实施方式中,所述检测分析仪还包括激光转换器,所述激光转换器位于所述样品仓的下方;所述样品仓的下表面透明。
在一个具体实施方式中,所述检测分析仪还包括驱动装置,所述驱动装置能够同时驱动第一样品输入/输出元件和第二样品输入/输出元件,以使
所述第一样品输入/输出元件中的样品输入到所述样品仓的同时,使所述样品仓内的样品输出到所述第二样品输入/输出元件中;或
使所述第二样品输入/输出元件中的样品输入到所述样品仓的同时,使所述样品仓内的样品输出到所述第一样品输入/输出元件中。
在一个具体实施方式中,所述第一样品输入/输出元件包括第一活塞和第一储液器,所述第一储液器的第一端具有第一开口,所述第一活塞经所述第一开口能够进入所述第一储液器的腔体,所述第一储液器的腔体与所述第一活塞紧密配合,所述第一储液器的第二端与所述样品仓连通;
所述第二样品输入/输出元件包括第二活塞和第二储液器,所述第二储液器的第一端具有第二开口,所述第二活塞经所述第二开口能够进入所述第二储液器的腔体,所述第二储液器的腔体与所述第二活塞紧密配合,所述第二储液器的第二端与所述样品仓连通;
所述驱动装置设置于暴露于所述第一储液器的腔体之外的所述第一活塞和暴露于所述第二储液器的腔体之外的所述第二活塞之间,以驱动所述第一活塞和所述第二活塞来回移动。
在一个具体实施方式中,所述驱动装置包括齿轮,所述驱动装置还包括驱动齿轮转动的马达,以及控制所述马达的电极,所述齿轮能够驱动所述第一活塞和所述第二活塞来回移动,并且所述第一活塞移动的方向与所述第二活塞移动的方向相反;在所述第一储液器的第一端设有能够改变齿轮转动方向的第一齿轮逆转开关;在所述第二储液器的第一端设有能够改变齿轮转动方向的第二齿轮逆转开关;并且在所述第一活塞上设置有与第一齿轮逆转开关配合的第一齿轮逆转开关配合件,在所述第二活塞上设置有与第二齿轮逆转开关配合的第二齿轮逆转开关配合件;所述电极由所述第一齿轮逆转开关或第二齿轮逆转开关控制。
在一个具体实施方式中,所述第一活塞的长度是所述第一储液器的腔体长度的至少2倍;在所述第一活塞的一端到达第一储液器的第二端时,暴露于所述第一储液器的腔体之外的部分为第一外部活塞;
所述第二活塞的长度是所述第二储液器的腔体长度的至少2倍;在所述第二活塞的一端到达第二储液器的第二端时,暴露于所述第二储液器的腔体之外的部分为第二外部活塞。
在一个具体实施方式中,所述第一外部活塞的外表面设有增加摩擦力的凸起,以与所述齿轮相配合;所述第二外部活塞的外表面设有增加摩擦力的凸起,以与所述齿轮相配合。
在一个具体实施方式中,所述第一外部活塞与所述齿轮的接触面和所述第二外部活塞与所述齿轮的接触面上均具有与所述齿轮相配合的齿状结构。
在一个具体实施方式中,所述齿状结构凸出于所述第一外部活塞的外表面上;和/或所述齿状结构凸出于所述第二外部活塞的外表面上。
在一个具体实施方式中,所述齿状结构凹陷于所述第一外部活塞的外表面上;和/或所述齿状结构凹陷于所述第二外部活塞的外表面上。
在一个具体实施方式中,当所述第一活塞与所述第一齿轮逆转开关接触时,所述齿状结构位于所述第一储液器的外端;当所述第二活塞与所述第二齿轮逆转开关接触时,所述齿状结构位于所述第二储液器的外端。本申请能产生的有益效果包括:
1)本申请的振动平台的容量可根据实验需求而变化,即振动平台满足了大量检测细胞的要求;而某些三角振动悬臂容量非常有限。
2)本申请的振动平台为双向振动,既可以上下振动,也可以左右振动,还可以前后振动,从而减小了振动平台上各个点的振动差异,保证了测定的准确性;而某些三角振动悬臂为单侧振动,其产生的振动及不均匀,因此,利用此装置检测细胞的粘附能力难以达到准确的程度。
3)在本申请中,数据处理系统直接与振动平台连接,即使力学信号直接转换为电学信号,不存在数据信号的放大处理问题,不但获得数据直接简便,而且避免了数据放大的欺骗性;而某些信号的检测经历了一个信号的放大过程,因而获得的数据一方面不够直接,另一方面信号放大容易导致数据误差变大。
4)在本申请中,该系统能够进行实时定量分析,满足了及时处理及时分析要求,避免了时间浪费;现有装置无法实现实时定量分析。
5)在本申请中,通过与激光装换器的连接,可以扩大此仪器对于材料的检测功能,开辟了新的处理模式,满足了实时光学治疗的要求。例如可以检测具有光动力治疗、光热治疗等的纳米颗粒对于细胞治疗过程的研究;或者利用激光转换器还可以用来检测研究制品的治疗机理。
6)本申请的驱动装置一方面实现了样品输入与输出操作的自动化,另一方面其结构简单,可操作性强。采用压电激励的谐振振动平台生物质量传感系统,利用振荡器使振动平台达到其共振频率,之后利用双向同步齿轮马达控制的样品输入/输出系统恒缓速向样品仓中输入/输出样品、需要测试的材料或制品溶液,以保障保持样品仓内的样品具有恒容量,利用数据采集系统长时间、实时记录振动平台的微小的振幅变化,避免了对振动平台的噪声影响。另外,恒样品容量也起到了防止样品满溢损坏仪器的作用。
7)利用本申请的检测分析仪,实现了无细胞标记,不会对细胞产生伤害,真实反映出所测样品的生物毒性;谐振振动平台传感具有很高的灵敏度,微小的振幅变化也能测出,定量检测准确;长时间、实时定量检测振幅的变化,而非采取时间点式分析方法。
附图说明
图1显示了多模态、动态生物毒性实时定量检测分析仪的工作流程简图。
图2显示了对应于图1流程简图的仪器及显示界面图。
图3显示了样品仓与振动平台配合关系的另一结构示意图。
图4显示了样品输入和输出的驱动装置的示意图。
图5显示了另一样品输入和输出的驱动装置的示意图。
图6显示了齿轮4的逆转开关基本电路示意图。
部件和附图标记列表:
1,振荡器;2,振动平台;3,样品仓;4,齿轮;5,数据采集系统;6,数据显示器;7,动态振幅归一化软件界面;8,函数模拟软件界面;9,第一样品输入/输出元件;9’,第二样品输入/输出元件;10,第一活塞;10’,第二活塞;11,第一储液器;11’,第二储液器;12,12’,齿状结构;13,第一齿轮逆转开关;13’,第二齿轮逆转开关;14,第一齿轮逆转开关配合件;14’,第二齿轮逆转开关配合件;15,激光转换器;16,马达;17,第一开关连接元件;18,第二开关连接元件;19,开关控制件。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请,但本申请并不局限于这些实施例。
实施例1检测分析仪
如图1所示,其显示了多模态、动态生物毒性实时定量检测分析仪的工作流程简图。
其中,振荡器1的作用是通过施加的交变电压驱使振动平台2(压电晶体)以固定频率进行振动。振荡器1与振动平台2以多点接触的方式,利用深度正反馈交叉值,通过隅合回路控制驱动频率,来满足低误差振子的胁迫振动模式。振荡器1驱动振动平台2达到共振频率,振动平台2在长时间、实时测试过程中低至1μV级的振幅也可被数据采集系统5所采集并由处理软件(例如动态振幅归一化软件和函数模拟软件)进行数据处理。
振动平台2:受振荡器1驱动频率的驱使,在固定频率下进行振动。细胞或生物组织在其表面粘附或中毒脱落时,作用于表面的外部压力会造成振子的弯曲变化从而使振幅产生相应的偏振。
集流器(数据采集系统5的一部分):对振幅偏振信号进行实时采集,转化为滤波基线,并且信号分辨率满足24bit或以上要求。
数据分析模块(数据采集系统5的一部分):在进行长时间、实时的原始数据采集的同时,对来自集流器的滤波基线进行归一化处理,并通过计算得到细胞脱落或生物组织异变后的振幅变化(即进行动态振幅归一化分析),然后通过指数函数(见图2的函数模拟软件界面8)模拟分析其递减系数,从而达到对生物毒性等特性进行定量分析的目的。其中,数据采集系统5先采用了动态振幅归一化软件和函数模拟软件。其中,动态振幅归一化软件的功能是消除振幅基线飘移,稳定基线,即基线校正以及消除偏移;函数模拟软件的功能:后期数据分析的时候,可以根据需求计算给出某时间段内的振幅变化量。动态振幅归一化软件和函数模拟软件可通过本领域的常规技术得到。
振幅归一化的依据方程采用高阶多项式,f(t)为瞬时位移函数,y为平衡位置的位移:
上述多项式和的导数为0,对其振幅平衡点做归一化处理,如下公式所示:
anan-1...a1a0
函数模拟程序依据指数函数方程,A为振动平台2的振幅,A0为振动平台2的最大振幅,B为振动平台2的振幅的递增/减系数,t为振动平台2的振动时间,求得B系数具体过程如下:
d(t)=A0e-Bt
ln A(t)=ln A0-Bt
样品仓3:其内部设有振动平台2,其侧壁有连接一套马达精密控制的纵横向液体输入/输出元件9,9’(见图4),例如,可以控制输入/输出元件9,9’到对振子无噪声影响的10μL/min的双向流速。通过此系统,可以向样品仓3中输入/输出样品材料。这套系统可以控制进出流速一致,使样品仓3内达到动态平衡,保持样品仓3内的流体的体积恒定不变,且流速小,从而保持振动平台2状态稳定,避免了由于样品量的变化对振动平台2产生的噪声影响。另外,这种样品仓3由于要满足长时间观测活细胞毒性变化要求,所以保持恒定的生物环境是其检测的必要条件。例如,可以加热并保持恒温37℃,通入5%CO2二氧化碳来达到细胞生存的环境条件。
激光转换器15:其位于样品仓3的下方,满足不同材料所需的不同波长激发光产生光引发的生物化学反应,从而使待测生物体发生相应变化。可以用于制品光热/光动力治疗等研究。测得的数据通过高分辨率的数据采集系统,最后显示在显示屏上。
如图2所示,显示了对应于图1流程简图的仪器及显示界面图。其包括样品输入/输出元件9,9’(见图4)、样品仓3、振动平台2、振荡器1、数据采集系统5和数据显示器6;其中,样品输入/输出元件9,9’与所述样品仓3连通;所述振动平台2位于所述样品仓3内;所述振荡器2位于所述样品仓3外,并且所述振动平台2与所述振荡器3连接;所述数据采集系统5位于所述样品仓3外,且与所述振动平台2连接;所述数据显示器6与所述数据采集系统5连接。
具体地,振动平台2的边缘向下延伸至样品仓3的下表面,以避免振动平台2的下表面与样品仓3内的样品接触。
其中,振动平台2向下延伸的部分可以与振动平台2的材质不同。
或者,如图3所示,样品仓3的下表面的部分区域向下凹陷形成凹陷区域31,使振动平台2覆盖该凹陷区域31的开口,以避免振动平台2的下表面与样品仓3内的样品接触。
其中,形成凹陷区域31的侧壁32可以与样品仓的材质相同,也可以与样品仓的材质不同。但是优选地,形成凹陷区域31的下表面33的材料为透明材料,更优选地为玻璃。
另外,振动平台2的边缘与弹性元件34固定连接,弹性元件34与外部电压连接。
如图4所示,主要显示了样品输入和输出的驱动装置的示意图。该样品输入和输出的驱动装置包括第一样品输入/输出元件9、第二样品输入/输出元件9’、样品仓3和驱动装置。
第一样品输入/输出元件9包括第一活塞10和第一储液器11,所述第一储液器11的第一端具有第一开口,所述第一活塞10经所述第一开口能够进入所述第一储液器11的腔体,所述第一储液器11的腔体与所述第一活塞10紧密配合,所述第一储液器11的第二端与所述样品仓3连通;
所述第二样品输入/输出元件9’包括第二活塞10’和第二储液器11’,所述第二储液器11’的第一端具有第二开口,所述第二活塞10’经所述第二开口能够进入所述第二储液器11’的腔体,所述第二储液器11’的腔体与所述第二活塞10’紧密配合,所述第二储液器11’的第二端与所述样品仓3连通;
所述驱动装置设置于在所述第一活塞10和所述第二活塞10’之间,以驱动所述第一活塞10和所述第二活塞10’来回移动。
所述驱动装置包括齿轮4,驱动装置还包括驱动齿轮转动的马达,以及控制所述马达的电极,齿轮4能够驱动第一活塞10和第二活塞10’来回移动,并且第一活塞10移动的方向与第二活塞10’移动的方向相反;在第一储液器11的第一端设有能够改变齿轮4转动方向的第一齿轮逆转开关13;在所述第二储液器11’的第一端设有能够改变齿轮4转动方向的第二齿轮逆转开关13’;并且在第一活塞10上设置有与第一齿轮逆转开关13配合的第一齿轮逆转开关配合件14,在所述第二活塞10’上设置有与第二齿轮逆转开关13’配合的第二齿轮逆转开关配合件14’;所述电极由所述第一齿轮逆转开关13或第二齿轮逆转开关13’控制。
具体地,如图5,第一齿轮逆转开关13设置在第一开口处,并凸出于第一储液器11壳体上;第二齿轮逆转开关13’设置在第二开口处,并凸出于第二储液器11’壳体上。另外,第一齿轮逆转开关配合件14为凸出于第一活塞10的凸起,一般设置在第一活塞10的中部,或接近中部的地方;第二齿轮逆转开关配合件14’为凸出于第二活塞10’的凸起,一般设置在第二活塞10’的中部,或接近中部的地方。在第一活塞10向第一储液器11的第二端运动过程中,第一齿轮逆转开关配合件14会逐渐接近第一齿轮逆转开关13,直至与第一齿轮逆转开关13接触,此时触发齿轮逆转。或者在第二活塞10’向第二储液器11’的第二端运动过程中,第二齿轮逆转开关配合件14’会逐渐接近第二齿轮逆转开关13’,直至与第二齿轮逆转开关13’接触,此时触发齿轮逆转。如此往复。
第一活塞10与齿轮4的接触面和第二活塞10’与齿轮4的接触面上均具有与齿轮4相配合的齿状结构12,12’;
齿状结构12凸出于第一活塞10的表面上;和/或齿状结构12’凸出于第二活塞10’的表面上。特别是可以设计为第一活塞10的长度是第一储液器11的腔体长度的至少2倍;在第一活塞10的一端到达第一储液器11的第二端时,暴露于第一储液器11的腔体之外的部分为第一外部活塞,进入第一储液器11的腔体之内的部分为第一内部活塞(在图中以颜色深浅与第一外部活塞区分);此时,齿状结构12凸出于第一外部活塞的表面上。第二活塞10’的长度是第二储液器11’的腔体长度的至少2倍;在第二活塞10’的一端到达第二储液器11’的第二端时,暴露于第二储液器11’的腔体之外的部分为第二外部活塞,进入第二储液器11’的腔体之内的部分为第二内部活塞(在图中以颜色深浅与第二外部活塞区分);此时,齿状结构12’凸出于第二外部活塞的表面上。
此外,齿状结构12还可以凹陷于第一活塞10的表面上;齿状结构12’凹陷于第二活塞10’的表面上。特别是可以设计为第一活塞10的长度是第一储液器11的腔体长度的至少2倍;在第一活塞10的一端到达第一储液器11的第二端时,暴露于第一储液器11的腔体之外的部分为第一外部活塞,进入第一储液器11的腔体之内的部分为第一内部活塞(在图中以颜色深浅与第一外部活塞区分);此时,齿状结构12还可以凹陷于第一外部活塞的表面上。第二活塞10’的长度是第二储液器11’的腔体长度的至少2倍;在第二活塞10’的一端到达第二储液器11’的第二端时,暴露于第二储液器11’的腔体之外的部分为第二外部活塞,进入第二储液器11’的腔体之内的部分为第二内部活塞(在图中以颜色深浅与第二外部活塞区分);此时,齿状结构12’还可以凹陷于第二外部活塞的表面上。
第一齿轮逆转开关配合件14也可以设置在第一内部活塞上,并且此时,第一齿轮逆转开关配合件14设置接近第一外部活塞的位置;第二齿轮逆转开关配合件14’也可以设置在第二内部活塞上,并且此时,第二齿轮逆转开关配合件14’设置接近第二外部活塞的位置。
优选地,第一齿轮逆转开关配合件14设置在第一外部活塞和第一内部活塞的交接处;第二齿轮逆转开关配合件14’设置在第二外部活塞和第二内部活塞的交接处。
如图6所示,为齿轮4的逆转开关基本电路示意图。其中16为马达,当第一齿轮逆转开关13和第一齿轮逆转开关配合件14接触时,开关控制件19被弹离开第一开关连接元件17,并与第二开关连接元件18接触;当第二齿轮逆转开关13’和第二齿轮逆转开关配合件14’接触时,开关控制件19被弹离开第二开关连接元件18,并与第一开关连接元件17接触。
这种动态生物毒性实时定量检测分析仪可以采集至少24小时的原始数据,并且采集的分辨率高,振幅波形变化细微可见,从而达到生物体细微变化实时可见且容易定量检得。另外,配合多模态激光器满足多模式生物体应激反应要求,探测待测材料的生物毒性变化过程,从而有助于分析该材料的毒理类型及作用机制,这对于生物体毒理学研究提供了有效的实验支持,并且对新型药物的研发提供了全新的检测平台。
实施例2应用
纳米粒子的制备
根据文献提供的方法(Journal of Nanobiotechnology,2017,15(1):23)),用柠檬酸钠还原法来合成现在纳米医学上常用的纳米金粒子,具体步骤如下:在三口烧瓶中加入144ml超纯水,加热至沸,再加入3.5ml柠檬酸钠(60mM)和1.5ml的柠檬酸(60mM)剧烈搅拌。加入100微升的EDTA,再加入1ml氯金酸(25mM)。当混合物的颜色变为酒红色时,关闭加热,降到一定温度时,将其浸入冰水中停止反应。合成粒径为13nm的球形纳米金颗粒。
之后通过配体交换后,在纳米金表面包覆聚乙二醇,来提高这种纳米粒子的生物相容性及稳定性。
测试Hela细胞对纳米粒子的最大摄取量
根据文献提供的方法(Journal of Nanobiotechnology,2017,15(1):23),本实验在此套动态生物毒性实时定量检测分析仪上进行,将一定浓度的Hela细胞通过样品输入/输出元件以10μl/min的速度缓慢恒速地输入/输出样品仓中,并将环境维持在37℃,5%CO2的恒定条件下,观测振幅增加到稳定值时,通过数据显示器6中振幅的变化,得出粘附在振动平台上的细胞个数。
之后,将一定浓度的纳米金粒子缓慢恒速地注入样品仓3中,可观测振幅上升达到一定高度会稳定一段时间,随后由于细胞中毒振幅会呈现指数型衰减。通过计算可以算出Hela细胞对金纳米粒子的最大摄取量。
监测上转换纳米粒子的光动力治疗过程
将纳米金粒子换成了NaGdF4:Yb/Tm@TiO2上转换颗粒,其中TiO2作光敏剂。当癌细胞吸收了上转换纳米粒子之后,将多模态激光转换器转换到980nm,照射振动平台,具有光动力治疗功效的纳米粒子在激光的照射下,会释放活性氧杀死癌细胞。这个过程反应在振幅的变化上,可以借此进一步分析。
以上所述,仅是本申请的几个实施例,并非对本申请做任何形式的限制,虽然本申请以较佳实施例揭示如上,然而并非用以限制本申请,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本申请技术方案的范围内,利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例,均属于技术方案范围内。