CN1099595C - 用于测量细胞活性的具有光电导层的二维传感器和用于同样目的的测量系统 - Google Patents

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Abstract

二维传感器包括：光照射的光斑处电导率增大的光导电层、在光电导层正面形成的绝缘层、在光电导层背面形成的作用电极以及附在绝缘层表面的装细胞、培养基和参照电极的细胞支撑器。传感器放恒温箱内，作用电极与参考电极间加偏置电压。当激光束在传感器背面照射出光斑时，从作用电极获得信号。该信号大体相当于激光照射光斑处细胞活性造成的电位变化并用计算机处理。使激光束聚焦和移动而易于改变相当于测量电极大小和位置的光束光斑的大小和位置。

Description

用于测量细胞活性的具有光电导层的二维传感器 和用于同样目的的测量系统
技术领域
本发明涉及一种二维传感器及使用该种传感器测量细胞活性用的测量系统。该种传感器检测细胞活性造成的电位变化。
背景技术
人们正在广泛地进行对于神经细胞的医学研究及关于利用神经细胞作为电器件的可能性的研究。当神经细胞被刺激时，就会产生某种电位。首先，由于阴离子透明度的变化，细胞内侧与外侧的阴离子密度发生变化，然后，细胞膜的电位发生变化。因此，测量细胞膜电位的二维分布，对于观察样品细胞或机体是有用的。测量电位的二维分布提供了一种确定活性部分及活性水平的方法。
本发明人研制出一种作为二维传感器的集成组合电极，不必将玻璃探针或其他刺激探针插入细胞，即可同时在多个点上测量细胞的电位。这种集成组合电极包括许多排成矩阵的微电极，及其利用导电物质在玻璃板上形成的引线图案，在其上可对样品细胞或机体进行培养。这种集成组合电极使以比玻璃电极或其他普通手段更小的间距，对多个点上的电位变化的测量成为可能。另外，这种集成组合电级还使得对在该集成组合电极上培养的样品细胞或机体进行长期观察成为可能。
但是，这种集成组合电极不适合广泛应用，因为测量电极的尺寸和间距都是固定的。换句话说，很难用一个集成组合电极测量不同的样品。事实上，过去是通过调整电极的尺寸及间距，制造不同的集成组合电极，来适应不同的样品。
发明内容
现介绍一种二维传感器及使用该种传感器的测量系统，它通过改进上述集成组合电极，使电极尺寸和间距可变，从而适宜于广泛地用来测量不同样品的细胞活性。
按本发明的用于测量电细胞活性变化的二维传感器是一种板状传感器。所述传感器包括：一个当采用激光束光照射时其导电率增大的光电导层；一个在所述光电导层正面形成的绝缘层；一个在所述光电导层背面形成的作用电极；和，一个安置在接近所述绝缘层的用于装细胞、培养基和一个参照电极的细胞支撑器，其中，当所述激光束照射在所述作用电极上产生一个光斑时，从所述作用电极获得信号，并且所述信号大体对应于所述激光束照射出的所述光斑处的由所述电细胞活性导致的电位变化。
光电导层可以用硒、CdS、Ge-Si等一类半导体或本征半导体制成。作为另一方案，光电导层可以用光导电聚合物制成。诸如蒽的稠合多环芳烃、诸如咔唑的芳香杂环化合物，或者芳氨可用作聚合物侧链或主链上包括的光电导功能团。作为另一方案，可以采用蒸镀的酞箐薄膜或用作紫苏染料的Me-PTC(亚甲基-紫苏基-羧酸)等一类有机薄膜。
利用本发明的二维传感器及光电导层的照射光斑，即可检测出与细胞的一部分的电位变化相对应的信号。这一部分与光电导层的上述光斑相接触。因为光电导层的电导只在激光束的照射光斑处增大，所以检测出的信号基本上与和传感器激光照射光斑接触的细胞部分的电位变化相对应。
所以，移动激光束，即可改变相当于测量电极的激光照射光斑的位置。通过对激光的聚焦，即可改变光斑的尺寸(亦即电极的尺寸)。因为绝缘层存在于光电导层与细胞之间，所以细胞电位本身难以检测。但是，电位的变化，亦即电位的交流分量或脉冲分量却可以检测。所以，通过改变电位，即可测量细胞的活性。
按本发明的一种用于测量电细胞活性变化的测量系统，包括：一个二维传感器，它包括：一个当采用激光束光照射时其导电率增大的光电导层，一个在所述光电导层正面形成的绝缘层，一个在所述光电导层背面形成的作用电极，和一个安置在接近所述绝缘层的用于装细胞、培养基和一个参照电极的细胞支撑器；一个用于采用激光束照射在作用电极上产生一个光斑的激光束光源；一个直流电源，用于将直流偏压加在所述光电导层背面上的作用电极和所述光电导层正面上的所述细胞支撑器内的参照电极之间；一个处理器，用于处理在所述作用电极与参照电极之间获得的信号，其中，当所述激光束照射在所述作用电极上产生一个光斑时，从所述作用电极获得信号，并且所述信号大体对应于所述激光束照射出的所述光斑处的由所述电细胞活性导致的电位变化。
最好利用激光束来照射传感器的光斑，因为激光束能够容易地聚焦在小的光斑上。
测量系统最好包括维持传感器上细胞支持内样品细胞培养环境的装置。该培养装置使对样的长期观测成为可能。
该系统最好还包括使激光束光源发出的激光束在二维传感器背面预定的面积上高速扫描的装置。这样，在多个光斑上的细胞活性基本上是同时测量的。可以不用一个激光束，而用包括排成矩阵的多个激光元件的激光矩阵。通过用分时的方法驱动多个激光元件，可以进行速度更快的扫描。可以不移动激光束，而移动二维传感器，以改变传感器的激光束照射光斑。在这种情况下，该系统可以包括X-Y平台，控制二维传感器的水平位置。
附图说明
图1是利用本发明二维传感器的细胞活性测量系统的框图。
图2A和2B表示图1测量系统用的二维传感器的截面图和平面视图。
图3表示与待检测的细胞活性相对应的瞬变电流的波形实例。
图4是有关图1测量系统的瞬变电流流过的电路的示意图。
具体实施方式
图1表示本发明测量细胞活性用的测量系统的最佳实施例。样品细胞2及其培养基放在二维传感器1上。包括样品2及培养基的二维传感器1放置在恒温箱3内。
如图2A及2B所示，二维传感器包括：作为光电导层的本征硅制衬底、在衬底北面(Si面)上形成的作为作用电极的金锑薄膜1a、以及在衬底正面作为绝缘层形成的SiO2层。SiO2层上，附着一个栅栏，用来盛样品细胞、培养基及参照电极。图2A表示垂直方向上放大的截面图。例如，传感器衬底的总厚度是200微米。本征硅衬底两面精细抛光。用蒸镀法在背面形成的金锑薄膜1a，在500℃变成合金，以便形成欧姆接触。用来盛细胞和其他样品的栅栏1b，呈圆柱形，用聚碳酸脂制成，其内径为例如，26毫米，粘在衬底的绝缘层上。为了便于处理，该二维传感器上安装铝框。
在图1中，恒温箱部分3具有双壁结构，保证其内部免受外部细菌的感染。温度控制单元4根据温度传感器的输出，控制加热器和风扇单元5，使得恒温箱部分3的样品室3a保持恒定温度，例如，37±0.5℃。由95％空气和5％CO2组成的混合气体引入样品室。混合气体的管道上装有流量计6和电磁阀7。该系统具有驱动阀门用的驱动电路7a以及控制驱动电路7a的定时器7b。恒温箱部分3、温度控制单元4及其他部分构成培养装置。
该系统包括用于在传感器栅栏内的参照电极(RE)与传感器背面上的作用电极之间施加偏置电压的稳压器8。上述两电极之间的电流信号送入运算放大器9，将信号放大，并把它送到作为处理装置的计算机。计算机包括一个16位A/D转换器。
在传感器的栅栏内有一个对应电极(CE)；CE和参照电极(RE)都连接到稳压器8上。CE用来刺激传感器的栅栏中的样品，以测量栏品产生的感应电位。为此目的，将脉冲电压加在CE与RE之间。这个刺激电压(脉冲电压)是按照计算机10来的指令由稳压器8产生的。该系统还可以在不加任何刺激电压的情况下，测量自产生的电位。
图1说明激光束光源11及其驱动器12。激光束光源11用激光束照射出二维传感器背面的光斑。由激光束光源11发射的激光束被包括反射镜和透镜(采用倒置的显微镜的目镜)的光学系统聚焦。该光束可以聚焦成直径只有微米数量级的光斑。
该系统还包括作为改变激光照射的光斑在传感器背面上的位置的装置X-Y平台13，X-Y平台13在水平方向移动恒温箱3内所装的二维传感器。该X-Y平台具有由计算机空制的步进马达，可以以1微米的步距改变X-Y平面上照射光斑的位置。
在上述实施例中，二维传感器1的位置可以移动，而激光束的位置却是固定的。但是，最好不移动二维传感器1，而让激光束进行扫描。可以在光学系统中，采用X-Y检流计式反射镜来描激光束。一个替代的方案是，采用由许多布置成矩阵的激光元件的激光矩阵。采用这个办法时，每个激光元件发射一个传感器背面垂直的激光束，而激光元件以分时的方法驱动。
如上所述，二维传感器1的激光照射光斑产生空穴与电子对。这样参照电极与作用电极之间的偏压迫使光电流流动。因为在二维传感器的表面上形成有绝缘层(SiO2)，因此直流无法流动，但脉冲电流却可以流动。因此，细胞活性自然产生的电位变化，可以作为脉冲电流检测出来。另外，加在对应电极(CE)和参照电极(RE)之间的刺激电压诱生细胞的脉冲反应。
下面将说明一个试验的例子，其中用上述测量系统检测老鼠大脑切割样品神经细胞的活性。取出两天年龄的SD鼠的大脑；大脑可见区域的一部分切割成5毫米厚的样品。将该样品放在二维传感器的栅栏内培养。为了提高黏性，传感器表面的绝缘层用聚赖氨酸处理，并且用DF+f作为培养基。‘DF’是比例1∶1的DMEM和Nutrient Mixture(F12培养基)的混合物；‘f’是5微克/毫升的胰岛素、100微克/毫升的转铁蛋白、黄体酮20毫微重量克分子浓度(nM)、氢化可的松20nM、腐胺100微重量克分子浓度(μM)、硒20nM和胎牛犊血清5％的混合物。
上述样品从开始培养后第7至10天便自己产生电位。图3表示样品的电活性，亦即用该测量系统检测出的瞬变电流。在图3中可以看到两个瞬变电流。其中一个是约0.25秒的正脉冲电流，另一个是0.7秒的负脉冲电流。图4表示瞬变电流所流过的该测量系统的简化电路。在该图中，8a表示稳压器8加在参照电极(RE)与作用电极(通过放大器9)之间的偏置电压。下列假说来自图3及图4。
在图3中约0.25秒处，正电位自然是由该细胞活性造成的。相对于其中泡着参照电极的培养基的电位而言，该电位的极性是正。该电位引起图4方向(a)的瞬变电流。此后，在当瞬变电流沿图4中方向(b)流动时的大约0.7秒处，该正电位消失。
所以，可以认为，细胞活性造成的细胞内的正电位(细胞膜电位)大约持续0.45秒。当激光照射光斑的位置变化时，在光斑上都检测出类似的瞬变电流，估计光斑上的细胞电位是由于细胞性而产生的。
如上所述，本发明的二维传感器包括：光电导层，作用电极以及样品可在其上的栅栏中培养的绝缘层。用激光束的传感器背面照射光斑时，就能检测出光斑处细胞活性造成的细胞电位的变化。所以，将激光束聚焦或使激光束发生相对于传感器的移动，即可轻易地改变分别与测量电极的尺寸及位置相当的激光束光斑的尺寸和位置。

Claims (8)

1.一种用于测量电细胞活性变化的二维传感器，所述传感器包括：
一个当采用激光束光照射时其导电率增大的光电导层；
一个在所述光电导层正面形成的绝缘层；
一个在所述光电导层背面形成的作用电极；和
一个安置在接近所述绝缘层的用于装细胞、培养基和一个参照电极的细胞支撑器，
其中，当所述激光束照射在所述作用电极上产生一个光斑时，从所述作用电极获得信号，并且所述信号大体对应于所述激光束照射出的所述光斑处的由所述电细胞活性导致的电位变化。
2.根据权利要求1所述的二维传感器，其特征在于，所述光电导层包括半导体。
3.根据权利要求1所述的二维传感器，其特征在于，所述光电导层包括光导电聚合物。
4.一种用于测量电细胞活性变化的测量系统，所述系统包括：
一个二维传感器，它包括：一个当采用激光束光照射时其导电率增大的光电导层，一个在所述光电导层正面形成的绝缘层，一个在所述光电导层背面形成的作用电极，和一个安置在接近所述绝缘层的用于装细胞、培养基和一个参照电极的细胞支撑器；
一个用于采用激光束照射在作用电极上产生一个光斑的激光束光源；
一个直流电源，用于将直流偏压加在所述光电导层背面上的作用电极和所述光电导层正面上的所述细胞支撑器内的参照电极之间；
一个处理器，用于处理在所述作用电极与参照电极之间获得的信号，
其中，当所述激光束照射在所述作用电极上产生一个光斑时，从所述作用电极获得信号，并且所述信号大体对应于所述激光束照射出的所述光斑处的由所述电细胞活性导致的电位变化。
5.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述系统还包括维持在传感器上细胞支撑器内细胞培养环境用的装置。
6.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述系统还包括使从所述激光束光源射出的激光束在所述光电导层背面预定面积上进行扫描用的装置。
7.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述系统还包括激光器矩阵，后者包括多个排成矩阵的激光元件，每个激光元件射出与所述光电导层背面垂直的激光束。
8.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述系统还包括X-Y平台，后者控制所述二维传感器的水平位置，从而改变所述传感器上激光照射光斑的位置。
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