CN111735752A - 细胞检测装置和细胞检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种细胞检测装置、细胞检测系统，属于生物检测技术领域。本发明提供的一种细胞检测装置包括细胞检测载片、棱镜、待测液容器和测试电极。细胞检测载片包括透明载片，透明载片的一侧设置有金属层，金属层背离透明载片一侧具有多个细胞检测区；待测液容器具有容纳空间，容纳空间用于容纳含有细胞的待测液，待测液容器连接在透明载片设置有金属层一侧，且将多个细胞检测区限定在容纳空间内；棱镜，设置在透明载片背离金属层一侧；检测电极设置在容纳空间内，用于检测细胞的阻抗。本发明提供的细胞检测装置能够实时检测细胞的状态，且能够适应于检测细胞的群体状态或单个细胞的状态。
Description
技术领域
本发明属于生物检测技术领域，具体涉及一种细胞检测装置和细胞检测系统。
背景技术
目前细胞检测通常采用电化学的方式或采用微流控阵列电极的方式，电化学的方式检测细胞阻抗只能获取细胞群的特性，无法针对单个细胞或细胞团进行检测；而微流控阵列电极的方式虽然可以将细胞群拆分为单个细胞，但微流控阵列电极的结构复杂，工艺难度高。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种细胞检测装置，其能够实时检测细胞的状态，且能够适应于检测细胞的群体状态或单个细胞的状态。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种细胞检测装置，包括：细胞检测载片、棱镜、待测液容器和测试电极；
所述细胞检测载片包括透明载片，所述透明载片的一侧设置有金属层，所述金属层背离所述透明载片一侧具有多个细胞检测区；
所述待测液容器具有容纳空间，所述容纳空间用于容纳含有细胞的待测液，所述待测液容器连接在所述透明载片设置有所述金属层一侧，且将多个所述细胞检测区限定在所述容纳空间内；
棱镜，设置在所述透明载片背离所述金属层一侧；
所述检测电极设置在所述容纳空间内，用于检测细胞的阻抗。
本发明提供的细胞检测装置，通过细胞检测载片、棱镜、待测液容器，与外部光源进行表面等离子体共振检测，由于细胞附着于金属层表面，能够影响等离子体的共振角度，因此通过实时检测共振角度能够实时检测细胞的状态，并且检测电极能够检测细胞的阻抗，结合检测电极的电压与共振角度能够得到细胞的表面空间阻抗。由于共振角度的变化是由棱镜所反射的外部光源的反射光的光强体现，因此通过反射光形成的图像，能够获知单个细胞或细胞的群体状态。
优选的是，所述检测电极包括第一电极和第二电极；
所述第一电极与所述第二电极在所述容纳空间内相对设置，所述第一电极相较于所述第二电极靠近所述金属层，且所述第一电极与所述金属层相连；所述第二电极的一端连接外部电源以提供交变电压。
优选的是，所述第一电极与所述金属层共用结构。
优选的是，所述细胞检测载片还包括分隔结构，所述分隔结构设置在所述金属层背离所述透明载片一侧，所述分隔结构具有多个镂空部，每个所述镂空部与所述金属层限定出一个细胞检测区。
优选的是，所述分隔结构的材料包括聚二甲基硅氧烷。
优选的是，还包括：折射率匹配层，设置在所述透明载片与所述棱镜之间，用于匹配所述棱镜与所述透明载片的折射率。
优选的是，所述折射率匹配层的材料包括有机硅烷芳香族化合物。
优选的是，所述金属层的材料包括金、银、铂中的至少一种。
相应地，本发明还提供一种细胞检测系统，包括上述细胞检测装置。
优选的是，还包括：光源、偏振片和图像传感器；所述偏振片设置在所述光源的出光侧，将光源的出光转换为线偏光后照射至棱镜，所述棱镜将线偏光反射至所述图像传感器。
附图说明
图1为本实施例提供的细胞检测装置的一种实施例的结构示意图；
图2为本实施例提供的细胞检测装置中金属层的一种实施例的俯视图；
图3为本实施例提供的细胞检测装置的另一种实施例的结构示意图；
图4为本实施例提供的细胞检测系统的一种实施例的结构示意图；
图5为SPR检测中反射光光强与折射率的关系图；
图6为SPR检测中反射光光强与入射角度的关系图；
图7为本实施例提供的细胞检测装置不同细胞检测区中检测第一种细胞和第二种细胞的照片；
图8为本实施例提供的细胞检测装置检测两种不同细胞(Cell1和Cell2)的阻抗值随时间变化的关系图；
图9为本实施例提供的细胞检测装置检测同一种细胞(Cell2)的不同部位的阻抗值随时间变化的关系图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
附图中各部件的形状和大小不反映真实比例，目的只是为了便于对本发明实施例的内容的理解。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
第一方面，如图1、图2所示，图2为图1中金属层12的俯视图。本实施例提供一种细胞检测装置，该细胞检测装置包括细胞检测载片1、棱镜2、待测液容器3和测试电极4。
具体地，细胞检测载片1包括透明载片11，透明载片11的一侧设置有金属层12，即可以在透明载片11的一侧通过磁控溅射一层金属，形成金属层12，金属层12背离透明载片11一侧具有多个细胞检测区01，每个细胞检测区01之间互相隔绝，可以同时对细胞进行多种类型的检测。待测液容器3具有容纳空间03，容纳空间03可以容纳含有细胞的待测液，待测液容器3连接在稀薄检测载片的透明载片11设置有金属层12的一侧，且待测液容器3将多个细胞检测区01限定在待测液容器3的容纳空间03内，在需要进行细胞检测时，待测液容器3的容纳空间03内装有含细胞的待测液，再将待测液溶液3与透明载片11粘接，容纳空间03内的待测液则可以流经金属层12上的细胞检测区01进行细胞检测。棱镜2设置在透明载片11背离金属层12的一侧。棱镜2、细胞检测载片1中的金属层12用于进行等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)检测，金属层12用于提供SPR检测中的电子，棱镜2用于反射外部光源的光线。而检测电极4设置在待测液容器3的容纳空间03内，检测电极4可通过伏安循环法检测待测液中的细胞的阻抗。也就是说，本实施例提供的细胞检测装置，将用于SPR检测的棱镜、金属层12与用于伏安循环检测的检测电极4相结合，在细胞检测区01中对待测液中的细胞进行检测时，能够同时进行SPR检测和伏安循环检测，因而通过SPR检测能够实时获知细胞群或单个细胞的状态，细胞的状态例如细胞的阻抗变化、细胞行为等，通过伏安循环检测能够获知细胞的阻抗。
具体地，如图4所示，本实施例提供的细胞检测装置在进行SPR检测时，外部光源6将入射光照射至棱镜2，入射光经过棱镜2内部照射至金属层12与棱镜2相对的表面，发生全反射，全反射所形成的消逝波会经过金属层12与棱镜2相对的表面，而金属层12的表面具有震荡的自由电子(即等离子体)，自由电子震荡形成等离子波，等离子波与消逝波在金属层12与棱镜2的交界处相遇，两个波可能会发生共振，在两个波发生共振时，由于能量从消逝波的光子大幅转移至等离子波，因此全反射的反射光的光强将大幅减少，此时对应的入射光的波长为共振波长，对应的入射角为共振角。而若待测液中的细胞在金属层12上的细胞检测区01中附着在金属层12上，则会影响金属层12中的电子分布，从而影响共振角的角度，检测反射光的光强即可检测到共振角的变化，即可以检测细胞的状态。参见图5，图5中曲线为SPR检测中归一化的反射光的光强与待测液中细胞引起的折射率的关系曲线，其中反射光的光强的最小值对应金属层12上方的待测液的折射率值。参见图6，扫描入射光角度在50度60度时，反射光的光强，其中反射光光强最小处对应的入射角度即为相应的折射率对应的共振角度。并且，由于通过反射光的光强检测细胞的状态，图像传感器8能够实时接收反射光后进行成像，并且能够对不同的细胞检测区域01进行成像(由于不同的细胞检测区域01之间具有分隔结构)，因此通过反射光形成的图像能够实时检测细胞的状态，并且能够通过图像获知单个细胞或细胞群的状态(例如死亡、转移、生长等细胞行为)，从而达到高精度的检测。
进一步地，本实施例提供的细胞检测装置中，SPR检测中的共振角度θR可以由下式得到
其中，εm是金膜介电常数，ε1是含有细胞的待测液的介电常数，ε2为棱镜2与透明载片11相结合的介电常数。
根据杜鲁德(drude)模型，εm是入射光的频率f的函数：
其中，ne是为电子浓度，e为电子电荷，me为电子质量，ε0为真空介电常数。
假设金属层12的厚度为dm，金属层12的表面的电荷密度变化为Δσ，则金属层12的介电常数变化为Δεm，而Δσ＝-edmΔne，代入可得：
则电荷变化Δσ与共振角度Δεm变化关系可以为：Δσ＝αΔθR，其中，
而金属层12的电荷变化Δσ和金属层12的表面的电势变化ΔV成正比，故而在本实施例提供的细胞检测装置在进行细胞检测时，共振角变化ΔθR可以表征待测液中的细胞表面的电荷变化。例如，金属层12厚度dm＝50nm，待测液为水，待测液的介电常数ε1＝1.77，棱镜2与透明载片11的介电常数ε2＝2.29，金属层12的共振角度θR＝72°，带入上式(5)中，可以得α≈28Cm-2deg-1。
而通过共振角度获知细胞的表面空间阻抗Z(x,y,ω)可由下式计算：
Z-1(x,y,ω)＝jωαΔθR(x,y,ω)/ΔV (6)
得到，其中ΔV是待测液中细胞被施加的电压变化值，
表示复数，ω表示待测液中的细胞被施加的电压变化频率，α为SPR测试中式(5)计算的系数，根据上述可知，在一定的电压变化频率ω下，细胞的表面空间阻抗Z只与共振角度变化ΔθR有关。通过细胞表面的空间阻抗Z，可以进一步获知细胞群体或单个细胞的变化，还可以获知单个细胞的不同部位的变化，例如，参见图7-图9，图8、图9中横坐标为时间，纵坐标为阻抗值，图7中含有第一种细胞cell1的待测液位于一个细胞检测区01中，含有第二种细胞cell2的待测液位于另一个细胞检测区01中，其中R1表示第二种细胞cell2的第一位置，R2表示第二种细胞cell2的第二位置，图8表示第一种细胞和第二种细胞的阻抗值随时间的变化关系，图9表示同一种细胞(cell2)的第一位置和第二位置的阻抗值随时间的变化关系。
进一步地，若检测电极4对待测液中的细胞进行检测，检测电极4向各个细胞检测区01中的细胞施加电压V，细胞附着在检测电极4中的电极的表面，会引起电极上的电流信号的变化，通过读取电流信号，即可通过电流信号可以计算细胞的阻抗，通过细胞的阻抗值可以观察细胞行为(例如转移、生长、死亡等)。而上式(6)中，细胞的表面空间阻抗Z中的ΔV即为检测电极4施加在细胞上的电压的变化，ω即为检测电极4上电压变化的频率。通过检测电极4结合SPR检测所需的棱镜2、金属层12等，即可获知细胞的表面空间阻抗Z。
可选地，参见图1，检测电极4包括第一电极41和第二电极42。第一电极41与第二电极42在待测液容器3的容纳空间03内相对设置，即若进行细胞检测，含有细胞的待测液被装在容纳空间03中，第一电极41和第二电极42都能与待测液中的细胞接触，以进行检测。第一电极41相较于第二电极42靠近金属层12设置，且第一电极41与金属层12相连，第二电极42设置在金属层12的上方，第二电极42的位置高于金属层12的多个细胞检测区01，因此第二电极42施加电压时即为对多个细胞检测区01上的待测液中的细胞都施加电压，第二电极42的一端连接外部电源以提供交变电压。在进行细胞检测时，第二电极42施加交变电压，第一电极41和第二电极42之间具有电场，细胞检测区01中的细胞位于第一电极41与第二电极42之间的电场时会影响该电场，从而引起电流信号的变化，通过检测该电流信号即可检测样品细胞的状态。具体的，待测液中的细胞会附着在第一电极41或第二电极42之上，因为细胞膜的特性使得细胞的电性质接近绝缘体，因此细胞的阻抗会随着电极上细胞的覆盖面积的增加而增大，从而被细胞附着的第一电极41和/或第二电极42上的电流会发生改变，当细胞的状态改变，例如细胞转移或死亡，电流的通路会随之改变，从而从第一电极41读出电流信号，通过电流信号可以计算细胞的阻抗，通过细胞的阻抗可以检测到细胞的状态。
具体地，通过第一电极41和第二电极42进行循环伏安检测，外部电源给第二电极42传输循环变化的电压，一次循环中可以从第一电压变化至第二电压，再从第二电压变化至第一电压，以下以第一电压为0V，第二电压为5V为例进行说明，也第二电极42上的交变电压变化为O-5-0V，待测液中的细胞附着在第一电极41或第二电极42上，在交变电压的作用下发生不同的离子反应，例如，在交变电压从5V变化至0V时，细胞产生还原反应，产生还原波，第一电极211上的电流信号对应还原的过程，在交变电压从0V变化至5V时，细胞还原反应的产物会重新在第一电极41和/或第二电极42上发生氧化反应，产生氧化波，第一电极41上的电流信号对应氧化的过程，一次电压的变化(0-5-0V)完成一个还原和氧化过程，第二电极42持续循环施加上述电压的变化过程，间隔预设时长从第一电极41上读出细胞还原或氧化过程的电流信号，即可通过循环伏安法获知细胞的阻抗值，以检测细胞的变化。同时，式(6)中细胞上的电压的ΔV即为第二电极42上电压的变化，ω即为第二电极42上电压变化的频率。
可选地，本实施例提供的细胞检测装置中，可以通过如下公式计算细胞的复阻抗Z1：
其中，ω为第二电极42上电压的变化的频率，θ为电压的相位延迟，V为交变电压的电压，I为从第一电极41读出的电流信号。将一次循环电压变化后得到的一组电流信号值中的每个电流信号值都代入上述计算，即可获得细胞样品中细胞的复阻抗值，进而可以检测细胞的状态(转移、生长、死亡等状态)。
可选地，如3所示，第一电极41可以与金属层12共用结构。也即金属层12可以同时作为SPR检测中提供等离子体的载体，与棱镜2相配合进行细胞检测，也可以作为循环伏安检测中的电极，即检测电极4包括金属层12和第二电极42，金属层12与施加交变电压的第二电极42形成电场进行细胞检测。通过金属层12与第一电极41共用，能够简化结构和制作工艺。
可选地，如图2所示，细胞检测载片1还可以包括分隔结构13，分隔结构13设置在金属层12背离透明载片11一侧，分隔结构13具有多个镂空部131，每个镂空部131与金属层11限定出一个细胞检测区01，也即分隔结构13的作为侧面，金属层11作为底面，限定出细胞检测区01，待测液中的细胞在各个细胞检测区01中进行检测，分隔结构13将不同的细胞检测区01相分隔，使不同的细胞检测区01对金属层11的电子排布产生的影响相分隔，从而不同细胞检测区01中细胞对折射率的影响不同，从而所产生的反射光的光强也不同，因此本实施例提供的细胞检测载片能够在不同的细胞检测区01对细胞进行检测。
可选地，分隔结构13可以采用多种材料制成，例如，分隔结构的材料可以包括聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)，当然，也可以采用其他材料，在此不做限定。
需要说明的是，分隔结构的厚度可以根据需要设置，例如可以为200nm。
可选地，细胞检测区01在金属层12上的正投影的形状可以为各种形状，例如矩形、圆形、椭圆形、三角形……在此不做限定。本实施例中皆以细胞检测区01为椭圆形区域为例进行说明。在进行细胞测试前，可以先进行空白测试以排除误差，例如，可以用不含细胞的1-十二烷硫醇(DDT)以液滴方式滴在金属层12上的不同细胞检测区01中，先进行一次检测，液滴位于细胞检测区01中，由于细胞检测区01为椭圆形区域，不存在锐角，因此液滴不容易溢出至相邻的细胞检测区01中污染其他细胞检测区01。
可选地，棱镜可以包括多种类型的棱镜，例如三棱镜，且棱镜的材料可以包括多种，例如编号为BK7的玻璃，以下皆以棱镜为BK7棱镜为例进行说明。
可选地，如图1、图3所示，本实施例提供的细胞检测装置还可以包括折射率匹配层5，折射率匹配层5设置在透明载片11与棱镜2之间，折射率匹配层5用于匹配棱镜2与透明载片11的折射率，若棱镜2与透明载片11的折射率的差异较大，例如棱镜2为BK7棱镜，BK7棱镜的折射率为1.5，而透明载片11的材料是折射率为1.4的材料，则折射率匹配层5可以采用折射率在1.4-1.5之间的材料，设置在BK7棱镜与透明载片11之间，避免入射光在通过透明载片11与折射率匹配层5之间时折射率突变，以保证SPR检测是准确性。
需要说明的是，若棱镜2与透明载片11之间具有折射率匹配层5，则式(1)中的ε2为棱镜2、透明载片11、折射率匹配层5相结合的介电常数。
可选的是，若棱镜2为BK7棱镜，BK7棱镜的折射率为1.5，透明载片11的材料是折射率为1.4的材料，则折射率匹配层5的材料可以包括有机硅烷芳香族化合物，有机硅烷芳香族化合物可以被丙酮等有机溶剂溶解，因此若棱镜2获知透明11载片的材料改变，需要其他的材料作为折射率匹配层5，可以直接将有机硅烷芳香族化合物溶解。
可选的是，金属层12的材料为容易产生等离子波的材料，例如金属层12可以包括金、银、铂中的至少一种。且金属层12的厚度可以设置在SPR灵敏度最高的厚度，例如金属层12的厚度为50nm，具体的可以根据需要设置，在此不做限定。在透明载片11的表面可以通过磁控溅射工艺镀一层金属层12，再在金属层12上沉积一层PDMS形成分隔结构，之后通过光刻工艺形成多个镂空部，进而形成多个细胞检测区01。
需要说明的是，本实施例提供的细胞检测装置中，细胞检测载片1可以进行拆卸，即细胞检测载片1可以在一次检测后，与待测液容器3以及棱镜2分离后，更换新的细胞检测载片1进行下一次检测，从而可以避免待测液被污染。
第二方面，如图4所示，本实施例还提供一种细胞检测系统，包括上述细胞检测装置。
可选地，本实施例提供的细胞检测系统还包括光源6、偏振片7和图像传感器8。偏振片7设置在光源6的出光侧，将光源6的出光转换为线偏光后照射至棱镜2，以棱镜2为BK7三棱镜为例，光源6的出光垂直于棱镜2的表面入射至棱镜2，发生全反射后，棱镜2将线偏光的反射光，反射至图像传感器8，图像传感器8接收反射光后进行成像和光强计算，以实时检测细胞的状态，和计算细胞的表面空间阻抗。
具体地，在进行细胞检测时，光源6将入射光照射至棱镜2，入射光经过棱镜2内部照射至细胞检测载片1的金属层12与棱镜2相对的表面，发生全反射，全反射所形成的消逝波会经过金属层12与棱镜2相对的表面，与等离子体波发生共振时，由于能量从消逝波的光子大幅转移至等离子波，因此全反射的反射光的光强将大幅减少，此时对应的入射光的波长为共振波长，对应的入射角为共振角。而细胞检测载片1中的多个细胞检测区01的待测液中的细胞附着在各自对应的细胞检测区01的底面的金属层12上，则会影响该区域金属层12中的电子分布，从而影响共振角的角度，图像传感器8接收反射光，通过反射光的光强即可检测到共振角的变化，即可以检测细胞的状态。并且，图像传感器8能够实时接收反射光后进行成像，并且能够对不同的细胞检测区域01进行成像(由于不同的细胞检测区域01之间具有分隔结构)，因此通过反射光形成的图像能够实时检测各个细胞检测区域01中细胞的状态，并且能够通过图像获知单个细胞或细胞群的状态(例如死亡、转移、生长等细胞行为)，从而达到高精度的检测。
进一步地，根据菲涅耳定理，自然光中包括S偏振光和P偏振光，在全反射时S偏振光可能会散射，因此在光源6的出光侧设置偏振片7，且偏振片的偏振角为45度，则可以使光源6的出光经过偏振片后仅保留P偏振光，使SPR检测时光的灵敏度更高。
进一步地，图像传感器可以包括多种图像传感器，例如可以是电荷耦合相机(charge coupled device camera，CCD)，在此不做限定。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种细胞检测装置，其特征在于，包括：细胞检测载片、棱镜、待测液容器和测试电极；
所述细胞检测载片包括透明载片，所述透明载片的一侧设置有金属层，所述金属层背离所述透明载片一侧具有多个细胞检测区；
所述待测液容器具有容纳空间，所述容纳空间用于容纳含有细胞的待测液，所述待测液容器连接在所述透明载片设置有所述金属层一侧，且将多个所述细胞检测区限定在所述容纳空间内；
棱镜，设置在所述透明载片背离所述金属层一侧；
所述检测电极设置在所述容纳空间内，用于检测细胞的阻抗。
2.根据权利要求1所述的细胞检测装置，其特征在于，所述检测电极包括第一电极和第二电极；
所述第一电极与所述第二电极在所述容纳空间内相对设置，所述第一电极相较于所述第二电极靠近所述金属层，且所述第一电极与所述金属层相连；所述第二电极的一端连接外部电源以提供交变电压。
3.根据权利要求2所述的细胞检测装置，其特征在于，所述第一电极与所述金属层共用结构。
4.根据权利要求1所述的细胞检测装置，其特征在于，所述细胞检测载片还包括分隔结构，所述分隔结构设置在所述金属层背离所述透明载片一侧，所述分隔结构具有多个镂空部，每个所述镂空部与所述金属层限定出一个细胞检测区。
5.根据权利要求4所述的细胞检测装置，其特征在于，所述分隔结构的材料包括聚二甲基硅氧烷。
6.根据权利要求1所述的细胞检测装置，其特征在于，还包括：折射率匹配层，设置在所述透明载片与所述棱镜之间，用于匹配所述棱镜与所述透明载片的折射率。
7.根据权利要求6所述的细胞检测装置，其特征在于，所述折射率匹配层的材料包括有机硅烷芳香族化合物。
8.根据权利要求1所述的细胞检测装置，其特征在于，所述金属层的材料包括金、银、铂中的至少一种。
9.一种细胞检测系统，其特征在于，包括权利要求1-8任一所述的细胞检测装置。
10.根据权利要求9所述的细胞检测系统，其特征在于，还包括：光源、偏振片和图像传感器；所述偏振片设置在所述光源的出光侧，将光源的出光转换为线偏光后照射至棱镜，所述棱镜将线偏光反射至所述图像传感器。
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