CN109682745B - 一种单细胞参数测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种单细胞参数测量方法及装置,该方法包括:分别获取待测细胞在不同频率的介电泳信号作用下的运动速度;根据不同频率的介电泳信号、不同频率的介电泳信号下的运动速度和细胞介电泳简化模型,获取所述待测细胞的细胞半径、细胞质电导率和细胞膜比电容三个参数中的一种或多种。该测量方法可以有效提高细胞参数的测量精准度和测量效率,且无需标记,非侵入式。
Description
技术领域
本发明实施例涉及生物检测技术领域,尤其涉及一种单细胞参数测量方法及装置。
背景技术
细胞是生命活动的基本单元,对单细胞的研究是现代生物学和医学的重要领域之一,在细胞生理过程研究、药物筛选和疾病诊断等方面具有重大应用价值。
一般的细胞研究手段包括荧光标记法、光镊法和流式细胞仪等。其中荧光标记法需要对细胞进行荧光染色,操作复杂;光镊法需要大功率激光器,成本高昂、效率低;流式细胞仪无法进行细胞的原位测量。
细胞的电学检测手段以其无标记、成本低廉、可原位测量、便于小型化集成等优势越来越受到重视和研究。常用的细胞电学检测手段有膜片钳、电阻抗谱法和介电泳法。其中,膜片钳操控过程复杂、测量效率低且会损伤细胞,电阻抗谱法易受细胞体积、形状、电极位置、外界干扰等多方面因素影响,检测准确度低。
介电泳(dielectrophoresis,简称DEP)以其非侵入、对细胞伤害小甚至无损伤、便于高度集成化、易实现自动化操作等特点,被应用于细胞研究中,成为生命科学领域研究细胞和生物分子不可或缺的有效工具。
目前利用介电泳效应进行细胞研究的方法已经有一些相关报道,但由于介电泳理论的复杂性,这些方法往往止步于定性分析或使用基于实验数据的模型拟合方法来估计出细胞参数,需要大量的实验数据,实验过程复杂,测量结果却并不准确。
因此如何提高单细胞参数测量的准确性、有效性和检测效率,实现原位、高效和精准的在线测量是亟待解决的难题。
发明内容
针对上述问题,本发明提供一种单细胞参数测量方法及装置。
第一方面,本发明提供一种单细胞参数测量方法,包括:
分别获取待测细胞在不同频率的介电泳信号作用下的运动速度;
根据不同频率的介电泳信号的频率和电场强度信息、不同频率的介电泳信号下的运动速度和细胞介电泳简化模型,获取所述待测细胞的细胞半径、细胞质电导率和细胞膜比电容三个参数中的一种或多种,其中,所述细胞介电泳简化模型如下:当介电泳信号的频率f≤50MHz时,所述待测细胞在介电泳力作用下的移动速度和细胞CM因子的实部根据公式(1)至公式(6)计算获得:
v=R2·Re(fCM)·M, (1)
ω=2πf, (6)
其中,v表示表示所述待测细胞在介电力作用下的移动速度,R表示所述待测细胞的半径,εm表示所述细胞溶液的介电常数,η表示所述溶液的粘度系数。对于在确定溶液和确定芯片上的细胞介电力操控,M可以采用标准粒子(如已知粒径的PSL小球)进行标定获得。Re(fCM)表示所述待测细胞的CM因子的实部,σcyto表示所述待测细胞的细胞质电导率,Cmem表示所述待测细胞的细胞膜比电容,σm表示所述细胞溶液的电导率,f表示所述电信号的频率。
进一步地,根据上述单细胞介电泳简化模型,细胞在介电力作用下的运动速度及介电泳操控信号的频率和电场强度信息,提供一种单细胞参数的测量方法:
(一)计算待测细胞的半径,具体地:
获取所述待测细胞在所述溶液位于第一预设条件时的第一运动速度,所述第一预设条件为:加载于所述细胞溶液的电信号的频率为f1,f1≤20kHz。
根据所述细胞运动速度v1、所述电信号的电场强度、所述细胞溶液的介电常数和所述细胞溶液的粘度系数,根据公式(7)和公式(8)获取所述待测细胞的半径:
(二)计算待测细胞的细胞质电导率,具体地:
获取所述待测细胞在所述溶液位于第二预设条件时的第二运动速度,所述第二预设条件为:加载于所述细胞溶液的电信号的频率为f2,10MHz≤f2≤50MHz。
根据所述待测细胞的半径和所述细胞运动速度v2,根据公式(9)至公式(11)获取所述待测细胞的细胞质电导率:
K2=v2/(R2·M), (10)
其中,σcyto表示所述待测细胞的细胞质电导率,R表示所述待测细胞的细胞半径,σm表示所述溶液的电导率,εm表示所述溶液的介电常数,表示梯度算子,E表示所述电信号的电场强度,η表示所述溶液的粘度系数。
(三)计算待测细胞的细胞膜比电容,具体地:
获取所述待测细胞在所述溶液位于第二预设条件时的第二运动速度和第三预设条件时的第三运动速度,所述第二预设条件为:加载于所述细胞溶液的电信号的频率为f2,10MHz≤f2≤50MHz,所述第三预设条件为:加载于所述细胞溶液的电信号的频率为f3,20kHz<f3≤10MHz。
根据所述待测细胞的半径和所述细胞运动速度v2、v3,根据公式(12)至公式(14)获取所述待测细胞的细胞膜比电容:
K2=v2/(R2·M),K3=v3/(R2·M), (13)
其中,Cmem表示所述细胞的单位面积细胞膜电容,σm表示所述溶液的电导率,R表示所述待测细胞的细胞半径,εm表示所述溶液的介电常数,表示梯度算子,E表示所述电信号的电场强度,η表示所述溶液的粘度系数。
第二方面,本发明提供一种单细胞参数测量装置,包括:样品池微腔体、微电极芯片、信号发生模块、显微成像模块和处理模块,其中:
所述样品池微腔体置于所述微电极芯片上,用于存放所述细胞溶液;
所述信号发生模块用于为所述微电极芯片提供不同频率的介电泳电信号;
所述微电极芯片用于通过所述电信号产生介电泳力,以使得所述待测细胞运动;
所述显微成像模块用于获取所述待测细胞的运动轨迹;
所述处理模块用于根据所述待测细胞的运动轨迹,利用第一方面提供的单细胞参数测量方法计算所述待测细胞的半径、细胞质电导率和细胞膜比电容三个参数中的一种或多种。
第三方面,本发明提供一种利用所述装置进行单细胞参数测量的方法,包括:
将所述细胞溶液放入在所述微电极芯片上的所述样品池微腔体中;
利用所述信号发生模块为所述微电极芯片提供频率为f1的电信号,通过所述显微成像模块获取电场频率为f1时的所述待测细胞的第一运动速度v1;
利用所述信号发生模块将所述电信号的频率调整为f2,通过所述显微成像模块获取电场频率为f2时的所述待测细胞的第二运动速度v2;
利用所述信号发生模块将所述电信号的频率调整为f3,通过所述显微成像模块获取电场频率为f3时的所述待测细胞的第三运动速度v3;
利用所述处理模块根据所述待测细胞在不同频率介电泳信号作用下的移动速度计算出所述待测细胞的半径、细胞质电导率和细胞膜比电容三个参数中的一种或多种。
本发明提供一种单细胞参数测量方法及装置,该方法仅需对单细胞分别在不同电场频率介电泳力作用下的移动速度进行测量,便可解析计算出细胞半径、细胞质电导率和细胞膜比电容三个参数中的一种或多种。该测量方法可以有效提高细胞参数的测量精准度和测量效率,且无需标记,非侵入式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种单细胞参数测量方法的流程图;
图2为本发明实施例一种单细胞参数测量装置的结构示意图;
图3为本发明实施例中微电极阵列芯片的结构示意图。
图4为本发明实施例中微电极单元的加电方法示意图。
图5为本发明实施例利用单细胞参数测量装置进行单细胞参数测量的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,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作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。
本发明实施例针对现有技术中的缺陷,首先提出一种单细胞介电泳模型的简化方法,进一步利用该简化模型提供一种单细胞参数计算的解析公式及相应的参数测量方法,相比于现有技术,所提出的单细胞参数测量方法可以将复杂低效的介电泳模型数值拟合过程转变为简单和直观的参数解析计算过程,可以有效提高测量准确度和测量效率,在细胞研究中具有重要的应用价值。
图1为本发明实施例一种单细胞参数测量方法的流程图,如图1所示,本发明实施例提供的一种单细胞参数测量方法的原理如下:
分别获取待测细胞在不同频率的介电泳信号作用下的运动速度;
根据不同频率的介电泳信号的频率和电场强度信息、不同频率的介电泳信号下的运动速度和细胞介电泳简化模型,获取所述待测细胞的细胞半径、细胞质电导率和细胞膜比电容三个参数中的一种或多种,其中,所述细胞介电泳简化模型如下:当介电泳信号的频率f≤50MHz时,所述待测细胞在介电力作用下的移动速度和细胞CM因子的实部根据公式(1)至公式(6)计算获得:
v=R2·Re(fCM)·M, (1)
ω=2πf, (6)
其中,Re(fCM)表示所述待测细胞的CM因子的实部,σcyto表示所述待测细胞的细胞质电导率,Cmem表示所述待测细胞的细胞膜比电容,R表示所述待测细胞的半径,σm表示所述细胞溶液的电导率,f表示所述电信号的频率。
具体地,本发明实施例的具体推导过程如下:
单细胞在非均匀电场中所受的平均电场力为:
其中,R表示细胞半径,εm表示溶液的介电常数,E表示电场强度,表示梯度算子,是Clausius-Mossotti(简称CM)因子,其中εcyto表示细胞质介电常数,σcyto表示细胞质电导率,Cmem表示细胞膜比电容,Gmem表示单位面积细胞膜电导,εm表示溶液介电常数,σm表示溶液电导率。
根据理论推导并综合考虑细胞和溶液的一般参数,本发明实施例提供一种单细胞介电泳简化模型,具体如下:
当电场频率f≤50MHz时,细胞CM因子的实部Re(fCM)可由以下简化模型计算:
单细胞在介电泳力作用下运动,达到平衡状态后的运动速度为:
v=R2·Re(fCM)·M,
其中,η是溶液的粘度系数。对于在确定溶液和确定芯片上的细胞介电力操控,M可以采用标准粒子(如已知粒径的PSL小球)进行标定获得。
进一步地,根据上述单细胞介电泳简化模型,细胞在介电泳力作用下的运动速度及介电泳操控信号的频率和电场强度信息,提供一种单细胞参数的解析计算方法:
(一)计算待测细胞的半径,具体地:
获取所述待测细胞在所述溶液位于第一预设条件时的第一运动速度,所述第一预设条件为:加载于所述细胞溶液的电信号的频率为f1,f1≤20kHz。
在第一预设条件时,Re(fCM)恒为-0.5,根据细胞的第一运动速度,可得到细胞半径:
具体地,向细胞芯片上施加频率为f1的介电泳电信号,f1满足的条件为f1≤20kHz,在该电信号频率下,获取细胞的第一运动速度v1,并且计算出待测细胞的半径。
(二)计算待测细胞的细胞质电导率,具体地:
获取所述待测细胞在所述溶液位于第二预设条件时的第二运动速度,所述第二预设条件为:加载于所述细胞溶液的电信号的频率为f2,10MHz≤f2≤50MHz。可计算所述待测细胞的细胞质电导率:
其中,K2=v2/(R2·M),K2是在f2频率下的细胞CM因子实部,σcyto表示所述待测细胞的细胞质电导率,σm表示溶液电导率,v2表示所述第二运动速度。
具体地,向细胞芯片上施加频率为f2的介电泳电信号,f2满足的条件为10MHz≤f2≤50MHz,在该电信号频率下,获取细胞的第二运动速度v2,并且计算出待测细胞的细胞质电导率。
(三)计算待测细胞的细胞膜比电容,具体地:
获取所述待测细胞在所述溶液位于第二预设条件时的第二运动速度和第三预设条件时的第三运动速度,所述第二预设条件为:加载于所述细胞溶液的电信号的频率为f2,10MHz≤f2≤50MHz,所述第三预设条件为:加载于所述细胞溶液的电信号的频率为f3,20kHz<f3≤10MHz。可计算所述待测细胞的细胞膜比电容:
其中,K2=v2/(R2·M),K3=v3/(R2·M),K2和K3是在f2和f3频率下的细胞CM因子实部,Cmem表示所述待测细胞的细胞膜比电容,v2表示所述第二运动速度,v3表示所述第三运动速度。
具体地,向细胞芯片上施加频率为f2的介电泳电信号,f2满足的条件为10MHz≤f2≤50MHz,在该电信号频率下,获取细胞的第二运动速度v2;向细胞芯片上施加频率为f3的介电泳信号,f3满足的条件为20kHz<f3≤10MHz,在该电信号频率下,获取细胞的第三运动速度v3;计算出待测细胞的细胞膜比电容。
本发明实施例提供的一种单细胞参数测量的方法,该方法仅需对单细胞分别在不同电场频率介电泳力作用下的移动速度进行测量,便可解析计算出细胞半径、细胞质电导率和细胞膜比电容三个参数中的一个或多个。该测量方法可以有效提高细胞参数的测量精准度和测量效率,且无需标记,非侵入式。
图2为本发明实施例一种单细胞参数测量装置的结构示意图,该装置包括:样品池微腔体201、微电极芯片202、信号发生模块203、显微成像模块204和处理模块205,其中:
所述样品池微腔体201位于所述微电极芯片202之上,用于存放所述细胞溶液;
所述信号发生模块203用于为所述微电极芯片202提供不同频率的电信号;
所述微电极芯片202用于通过所述电信号产生介电泳力,以使得所述待测细胞运动;
所述显微成像模块204用于获取所述待测细胞的运动轨迹;
所述处理模块205用于根据所述待测细胞的运动轨迹,利用所述单细胞参数测量方法计算所述待测细胞的参数。
具体地,显微成像模块204由显微镜和图像传感器构成,可以对细胞在微电极芯片202上的移动过程进行实时观测,并将图像储存在处理模块205中。
进一步地,样品池微腔体由PDMS聚合物材料或其他生物兼容性材料制成,可采用模具制作。
进一步地,微电极芯片置于显微镜载物台上,用于对细胞进行介电泳捕获和操控,使细胞在介电泳力作用下产生运动。
进一步地,信号发生模块是信号发生器或其他可产生可控交流信号的仪器或电路。
进一步地,显微成像模块由显微镜和图像传感器构成,可以对细胞在所述微电极芯片上的移动过程进行实时观测,并将图像储存在所述处理模块中。
处理模块205可以是一台计算机或其他拥有储存、计算和通信功能的设备或电路,处理模块205用于储存并处理显微成像模块204记录的细胞移动过程,提取细胞的移动速度并计算细胞参数(包括细胞半径,细胞质电导率和细胞膜比电容)。
此外,所述处理模块205也可以用于控制信号发生模块203对微电极芯片202上的细胞进行操控。信号发生模块203可以是信号发生器或其他可产生可控交流信号的仪器或电路,用于向微电极芯片202施加介电泳信号。
微电极芯片202置于显微镜载物台上,用于对单细胞进行介电泳捕获和操控,使细胞在介电泳力作用下产生运动。
样品池微腔体201用于储存细胞悬浮液,由PDMS聚合物材料或其他生物兼容性材料制成,可采用模具制作。
优选地,所述微电极芯片使用专利号201210152137.X公布的单细胞阵列微芯片,详情请参考上述专利。
图3为本发明实施例中所述微电极芯片的结构示意图,包括:阵列式的微电极单元,每个微电极单元由四个定位微电极1构成一个排列呈菱形的定位单元,在每个定位单元的中心位置分布一个或两个中心电极2,定位单元用于定位和操控细胞运动,通过对四个定位电极1施加不同相位的交流信号,细胞在电场作用下,产生介电泳动,从而实现定位和移动等操控运动。多个微电极单元组合形成阵列微芯片,如图2所示,可以实现对多个单细胞进行同步操控和测量。
图4为本发明实施例中所述微电极单元的加电方法示意图。电极单元的中心电极接地,四电极结构上施加两路交流信号,其中相对的电极所施加的电信号相同。这两路交流信号拥有相同的频率和幅值,通过调节两路信号的相位差θ可以将细胞移动到电极单元的不同位置。比如,当两路信号的相位差θ=180°时,细胞将被介电力捕获到电极单元的中心位置;当两路信号的相位差从180°变化到0°,细胞在介电力的作用下从电极单元的中心向电极单元的边缘移动。
图5为本发明实施例利用所述单细胞参数测量装置进行单细胞参数测量的流程图,包括:
S1,将所述细胞溶液滴在所述微电极芯片上的所述样品池微腔体中;
S2,利用所述信号发生模块为所述微电极芯片提供频率为f1的电信号,通过所述显微成像模块获取电场频率为f1时的所述待测细胞的第一运动速度;
S3,利用所述信号发生模块将所述电信号的频率调整为f2,通过所述显微成像模块获取电场频率为f2时的所述待测细胞的第二运动速度;
S4,利用所述信号发生模块将所述电信号的频率调整为f3,通过所述显微成像模块获取电场频率为f3时的所述待测细胞的第三运动速度;
S5,利用所述处理模块根据所述待测细胞在不同频率介电泳信号作用下的移动速度计算出所述待测细胞的半径、所述待测细胞的细胞质电导率和所述待测细胞的细胞膜比电容三个参数中的一种或多种。
步骤S2中,测量电场频率为f1时的待测细胞的运动速度,主要包含以下步骤:
S201:将待测细胞定位在预定位置,具体步骤为:使用信号发生模块在微电极芯片上施加电信号(两路信号的相位差为0°≤θ<180°),且芯片电极单元的中心电极接地,将捕获到的待测细胞从电极单元中心向电极单元边缘移动,并定位在预定位置,该位置由相位差θ确定。
S202:移动待测细胞并测量待测细胞的移动速度,具体步骤为:使用信号发生模块在微电极芯片上施加电信号(频率为f1,两路信号的相位差为θ=180°),且芯片电极单元的中心电极接地,待测细胞将从预定位置向电极单元中心移动,待测细胞的移动过程通过显微成像模块(显微镜+图像传感器)进行图像采集,在处理模块上通过图像处理获得待测细胞的初始运动速度,作为第一运动速度。
步骤S3中,测量电场频率为f2(10MHz≤f2≤50MHz)时的待测细胞的运动速度,主要包含以下步骤:
使用步骤S201中的方法将待测细胞重新定位到预定位置,使用S202中的方法(频率为f2)将待测细胞从预定位置向电极单元中心移动,测量在f2频率操控下的待测细胞的第二运动速度。
步骤S4中,测量电场频率为f3(20kHz<f3≤10MHz)时的待测细胞的运动速度,主要包括以下步骤:
使用步骤S201中的方法将待测细胞重新定位到预定位置,使用S202中的方法(频率为f3)将待测细胞从预定位置向电极单元中心移动,测量在f3频率操控下的待测细胞的第三运动速度。
本发明实施例提供的一种利用所述单细胞参数测量装置进行细胞参数测量的方法,该方法仅需对单细胞分别在三个电场频率介电泳力作用下的移动速度进行测量,便可解析计算出细胞半径、细胞质电导率和细胞膜比电容。该测量方法可以有效提高细胞参数的测量精准度和测量效率,且无需标记,非侵入式。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种单细胞参数测量方法,其特征在于,包括:
分别获取待测细胞在不同频率的介电泳信号作用下的运动速度;
根据不同频率的介电泳信号的频率和电场强度信息、不同频率的介电泳信号下的细胞运动速度和细胞介电泳简化模型,获取所述待测细胞的细胞半径、细胞质电导率和细胞膜比电容三个参数中的一种或多种,其中,所述细胞介电泳简化模型如下:当介电泳信号的频率f≤50MHz时,所述待测细胞受介电力作用的运动速度和细胞CM因子的实部根据公式(1)至公式(6)计算获得:
v=R2·Re(fCM)·M, (1)
ω=2πf, (6)
其中,v表示所述待测细胞在介电力作用下的运动速度,R表示所述待测细胞的半径,εm表示细胞溶液的介电常数,η表示所述细胞溶液的粘度系数,Re(fCM)表示所述待测细胞的CM因子的实部,σcyto表示所述待测细胞的细胞质电导率,Cmem表示所述待测细胞的细胞膜比电容,σm表示所述细胞溶液的电导率,f表示所述介电泳信号的频率,E表示所述介电泳信号的电场强度。
4.根据权利要求1所述方法,其特征在于,当需要测量所述待测细胞的细胞膜比电容时,具体包括:
分别获取所述待测细胞在细胞溶液中受第二频率f2和第三频率f3的介电泳信号作用下的第二运动速度v2和第三运动速度v3,其中,10MHz≤f2≤50MHz,20kHz<f3≤10MHz;
根据所述待测细胞的半径和所述第二运动速度v2、所述第三运动速度v3,根据公式(12)至公式(14)获取所述待测细胞的细胞膜比电容:
K2=v2/(R2·M),K3=v3/(R2·M), (13)
5.一种利用权利要求1-4任一方法的单细胞参数测量装置,其特征在于,包括:样品池微腔体、微电极芯片、信号发生模块、显微成像模块和处理模块,其中:
所述样品池微腔体置于所述微电极芯片上,用于存放所述细胞溶液;
所述信号发生模块用于为所述微电极芯片提供不同频率的介电泳电信号;
所述微电极芯片用于通过所述电信号产生介电泳力,以使得所述待测细胞运动;
所述显微成像模块用于获取所述待测细胞的运动轨迹;
所述处理模块用于根据所述待测细胞的运动轨迹,利用权利要求1-4任一所述的单细胞参数测量方法计算所述待测细胞的半径、细胞质电导率和细胞膜比电容三个参数中的一种或多种。
6.一种利用权利要求5所述装置进行单细胞参数测量的方法,其特征在于,包括:
将所述细胞溶液放入所述微电极芯片上的所述样品池微腔体中;
利用所述信号发生模块为所述微电极芯片提供频率为f1的电信号,通过所述显微成像模块获取电场频率为f1时的所述待测细胞的第一运动速度v1;
利用所述信号发生模块将所述电信号的频率调整为f2,通过所述显微成像模块获取电场频率为f2时的所述待测细胞的第二运动速度v2;
利用所述信号发生模块将所述电信号的频率调整为f3,通过所述显微成像模块获取电场频率为f3时的所述待测细胞的第三运动速度v3;
利用所述处理模块根据所述待测细胞在不同频率介电泳信号作用下的移动速度计算出所述待测细胞的半径、细胞质电导率和细胞膜比电容三个参数中的一种或多种。
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