CN114002131B - 细胞电化学与电生理联合检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种细胞电化学与电生理联合检测装置和方法。该装置包括：探测电极，用于检测电信号，包括电生理电极和电化学电极；膜片钳放大器，用于放大电信号，包括与电生理电极连接的电生理检测单元和与电化学电极连接的电化学检测单元；滤波模块，用于对电信号进行滤波处理，包括第一带阻滤波器、第二带阻滤波器和低通滤波器；控制和分析模块，用于基于电信号分析细胞的电生理情况和电化学情况，还用于向膜片钳放大器发送控制信号以调整膜片钳放大器的检测模式。本发明实施例能够检测细胞电生理信号，并能检测活体细胞内含物，兼具电生理和电化学检测能力，且无需将探测电极探入细胞，对探测电极的要求更少，检测范围更广。
Description
技术领域
本发明实施例涉及生物学检测技术领域，尤其涉及一种细胞电化学与电生理联合检测装置及检测方法。
背景技术
细胞内含有大量的功能各异的化学成分，包括水、糖类、无机物、游离的神经递质、细胞代谢物等。囊泡是细胞内储存交流信息物质的载体，在特定情况下经融合释放并扩散作用到另一个细胞表面，实现信息的传递。因此检测囊泡内含物质对于研究细胞间信息交流方式具有重要意义。而检测细胞所含的化学物质，尤其是尺寸仅为纳米级的囊泡内所含信息物质，通常需要借助电化学手段。
目前，已有一些针对囊泡内含物进行定量检测的方法，主要通过囊泡的分离、裂解等一系列操作来释放其内含物，以进行体外的检测。这一方法已应用于嗜铬细胞瘤、PC12细胞及小鼠皮层神经元等的囊泡内容物的检测(Omiatek et al,2009,2010,2013)。然而，分离过程对囊泡易造成机械性损伤，裂解囊泡膜的方法也很容易因为内含物的扩散而导致检测结果被低估。随后，Dunevall等人发现在直径约33μm的圆盘型碳电极上施加电压，可以直接吸附和捕捉含有递质的游离囊泡，并在接触瞬间击破囊泡膜使包裹递质直接与碳电极发生氧化还原反应，记录化学电流(Dunevall et al,2015；Li et al,2018)。在此基础上，Li等人又创新性地将直径为50-100nm的超微碳纤电极直接刺入PC12细胞内(Li et al,2015)，同样可以记录到单个囊泡破裂后递质的电化学信号。该方法在一定程度上弥补了上述缺陷，是现有的相关技术中具有更高精确度的重要方法。然而，该方法采用纳米级尖端的碳纤电极直接刺入细胞，在技术和应用方面仍然存在诸多难题：刺入式记录模式主要应用于易于观测和分辨的、体积较大的培养细胞，这就意味着在更接近生理状态的脑片水平或者在体条件下较难实现相关的电化学记录；刺入式记录模式要求碳纤尖端极细从而限制了涂层修饰的应用。因此，该方法仅适用于个别可直接与碳纤电极发生反应的(电化学活性较高的)递质的检验，而对于其他神经递质如谷氨酸等，需要对碳纤电极进行特异性酶涂层修饰(厚度通常为微米级)后才能实现电化学检测的成分，刺入式记录模式是很难实现的；目前已有发表文章将表面修饰酶之后的电极刺入大体积的蟾蜍卵母细胞，但需同时插入参比电极进行检测，不仅对细胞伤害较大，且无法同时检测电信号。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种细胞电化学与电生理联合检测装置，能够同时实现电生理检测和电化学检测，且无需将电化学电极刺入细胞内，避免了对电生理电极材料的限制。
第一方面，本发明实施例提供了一种细胞电化学与电生理联合检测装置，包括：
探测电极，用于检测电信号，包括电生理电极和电化学电极；
膜片钳放大器，用于放大所述电信号，包括与所述电生理电极连接的电生理检测单元和与所述电化学电极连接的电化学检测单元；
滤波模块，用于对所述电信号进行滤波处理，包括第一带阻滤波器、第二带阻滤波器和低通滤波器，所述第一带阻滤波器与所述电生理检测单元连接，所述第二带阻滤波器和低通滤波器依序连接后与所述电化学检测单元连接；
控制和分析模块，用于基于所述电信号分析细胞的电生理情况和电化学情况，还用于向所述膜片钳放大器发送控制信号以调整所述膜片钳放大器的检测模式。
可选的，在一些实施例中：
所述膜片钳放大器中设置有数模/模数转换器，用于进行模拟信号和数字信号间的转换。
可选的，在一些实施例中：
所述电化学电极包括碳纤电极、铂丝电极、金丝电极、表面经修饰的碳纤电极、表面经修饰的铂丝电极以及表面经修饰的金丝电极中的至少一种。
可选的，在一些实施例中，所述膜片钳放大器的检测模式包括细胞吸附式记录和全细胞式记录：
所述细胞吸附式记录用于进行电生理检测，所述全细胞式记录用于进行电生理检测和电化学检测。
可选的，在一些实施例中：
所述探测电极还包括参比电极；
所述电化学电极包括第一工作电极；
所述电生理电极包括第二工作电极和玻璃微管；
所述第一工作电极和所述第二工作电极设置于所述玻璃微管内，所述参比电极设置于盛放细胞的灌流浴槽内。
可选的，在一些实施例中：
所述探测电极还包括参比电极；
所述电化学电极包括第一工作电极；
所述电生理电极包括第二工作电极和玻璃微管；
所述第一工作电极和所述参比电极设置于所述玻璃微管内，所述第二工作电极设置于盛放细胞的灌流浴槽内。
可选的，在一些实施例中，还包括测量平台：
所述测量平台包括显微镜、样品操作平台、微操纵器、灌流浴槽、相机、导液管、蠕动泵、温度控仪、防震台和屏蔽网。
可选的，在一些实施例中：
所述膜片钳放大器、显微镜、样品操作平台和相机均设置外壳接地。
第二方面，本发明实施例还提供了一种细胞内电化学和电生理联合检测方法，基于本发明任一实施例提供的细胞电化学与电生理联合检测装置实现，包括：
调整所述探测电极靠近被测细胞至预设距离；
调整所述膜片钳放大器的工作参数使得所述电生理电极与被测细胞完成高阻封接；
调整所述膜片钳放大器的工作参数提供第一电压控制电位以及对电极电容进行补偿，基于所述电生理电极检测的电信号实现对被测细胞的电生理检测；
调整所述膜片钳放大器的工作参数提供第二电压控制电位，基于所述电化学电极检测的电信号实现对被测细胞的内含物检测。
本发明实施例提供的细胞电化学与电生理联合检测装置，基于电生理电极、电生理检测单元、第一带阻滤波器以及控制和分析模块构成电生理检测系统，能够实现对细胞的电生理检测，基于电化学电极、电化学检测单元、第二带阻滤波器、低通滤波器以及控制和分析模块构成电化学检测系统，该装置能够同时完成电生理检测和电化学检测，并且能够借助电生理检测系统实现对细胞膜的吸破以，从而避免了电化学检测时需要刺破细胞的过程，能够在很大程度上解除了现有方法对电化学电极尖端直径的限制，同时允许酶涂层修饰的应用，使电化学电极在制作工艺上可以得到进一步改良，提高电化学电极对囊泡内含物的检测灵敏性和特异性，并且电生理检测系统与电化学检测系统的结合，实现了在更接近生理状态的脑片水平，乃至在体水平的原位细胞内化学物质进行检测，并可以对细胞膜电生理信号进行记录，在实验过程中可以进行单个细胞水平的电刺激，并观测该刺激在该细胞上引发的电生理及电化学等方面的反应，应用范围更广。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种细胞电化学与电生理联合检测装置的结构示意图；
图2为本发明实施例二提供的测量平台的结构示意图；
图3为本发明实施例三提供的一种细胞电化学与电生理联合检测方法的流程图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各步骤描述成顺序的处理，但是其中的许多步骤可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各步骤的顺序可以被重新安排。当其操作完成时处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。
此外，术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种方向、动作、步骤或元件等，但这些方向、动作、步骤或元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个方向、动作、步骤或元件与另一个方向、动作、步骤或元件区分。术语“第一”、“第二”等而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”、“批量”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
实施例一
本发明实施例一提供了一种细胞内电化学和电生理联合检测装置，用于对细胞进行电化学检测和电生理检测，具体的，如图1所示，该装置包括：
探测电极10，用于获取检测细胞的电信号，包括电生理电极11和电化学电极12。
电生理电极11为用于对活细胞、活组织以及个体进行电学测量与操纵的电极，通常用于引导生物电信号。在实际应用过程中，电生理电极11需要设置两个电极：一个工作电极(也叫记录电极)和第一个参比电极(也叫接地电极)，工作电极即用于检测细胞电信号的电极，参比电极表示提供零电位点。工作电极放置的具体位置根据其实际记录模式设置(例如细胞外记录和细胞内记录)，参比电极通常置于盛有标本的容器内的细胞外液中，作为公共参照点，提供记录所需的零电位点。
电化学电极12用于以电信号的形式实现对细胞内含物进行检测：电化学电极12在与内含物接触时会发生化学反应从而由电化学电极12记录到化学电流。与刺入式的电极不同，本实施例中的电化学电极12无需刺入细胞，而是基于电生理电极11通过直接击破细胞膜的方式获取细胞内含物，进而使用电化学电极12检测化学电流。具体的，电化学电极12同样需要设置一个工作电极和一个参比电极(为了便于区分，此处将电化学电极12的工作电极称为第一工作电极，将电生理电极11的工作电极称为第二工作电极)，第一工作电极用于记录与内含物发生化学反应生成的化学电流，对于参比电极，本实施例中电化学电极12使用的参比电极和电生理电极11使用的参比电极作用是相同的，因此二者可以共用同一个参比电极。
膜片钳放大器20，用于放大所述电信号，包括与所述电生理电极11连接的电生理检测单元21和与所述电化学电极12连接的电化学检测单元22。
膜片钳放大器20主要有两个功能：第一是用于对电生理电极11和电化学电极12采集的电信号进行放大处理(即放大功能)；第二是控制电生理电极11和电化学电极12的电流、电压等参数，通过对电生理电极11的参数调整以构建不同类型的膜片钳技术类型(即膜片钳功能)，例如细胞吸附式记录(cell-attached recording/on-cell recording)、全细胞式记录(whole-cell recording)、内面朝外式记录(inside-out recording)和外面朝内式记录(outside-out recording)，通过对电化学电极12的参数调整能够使得单个囊泡在电吸附作用下撞到第一工作电极，并在电极表面发生氧化还原反应。因此，本实施例中，所述膜片钳放大器中设置有数模/模数转换器，用于进行模拟信号和数字信号间的转换，当然在一些替代实施例中也可以将数模/模数转换器单独设置。
具体的，本实施例中膜片钳放大器20包括一台HEKA EPC10 double双通道放大器或两台HEKAEPC10单通道放大器，若采用一台HEKAEPC10 double双通道放大器，则其两个通道分别与电生理电极11和电化学电极12连接，若采用两台HEKAEPC10单通道放大器，则两台单通道放大器一台与电生理电极11连接另一台与电化学电极12连接。
滤波模块30，用于对所述电信号滤波处理，包括第一带阻滤波器31、第二带阻滤波器32和低通滤波器33，所述第一带阻滤波器31与所述电生理检测单元连接21，所述第二带阻滤波器32和低通滤波器33依序连接后与所述电化学检测单元22连接。
滤波模块30主要用于对采集到的电信号进行滤波处理，以得到噪声更少的电信号，有利于根据电信号进行电生理分析和电化学分析，例如电化学电极12采集的电信号用于确定内含物与电极发生化学反应产生的化学电流，对于一些含量较少或者产生的化学电流微弱的物质，在分析时如果噪声过大很容易造成误判。具体的，本实施例中针对电生理电极11采集的电信号设置了第一带阻滤波器31，针对电化学电极12采集的电信号设置了第二带阻滤波器32和低通滤波器33，其中第一带阻滤波器31和第二带阻滤波器32实际能够采用同一型号的带阻滤波器，用于滤波去掉50/60Hz工频及其倍频噪声成分，低通滤波器33采用贝塞尔低通滤波器，其对阶跃响应有很小的过冲，适用于被测信号有很多阶跃信号。
控制和分析模块40，用于基于所述电信号分析细胞的电生理情况和电化学情况，还用于向所述膜片钳放大器20发送控制信号以调整所述膜片钳放大器20的检测模式。
控制和分析模块40通常采用带有处理器的电子设备例如计算机设备，电子设备上设置有用于进行控制和分析的软件程序，其能够获取经滤波模块30处理后的电信号并进行研究分析，例如对细胞内化学物质的精准、定量、实时的检测，还能够通过对膜片钳放大器20的参数控制实现不同的检测模式，例如在电生理检测模式中通过控制膜片钳放大器20的参数实现高阻封接等。更具体的，在一些实施例中，在用于控制探测电极10采集电信号时，能够在计算机设备上安装德国HEKA公司的Patchmaster软件，在对电信号进行数据分析时，能够在计算机设备上安装美国Wavemetrics公司的IgorPro软件。在实际应用中，用户通过计算机设备不仅能调整膜片钳放大器30的工作参数，还能够调整滤波模块30的工作参数，例如膜片钳放大器30的工作模式包括细胞吸附式记录和全细胞式记录，所述细胞吸附式记录用于进行电生理检测，所述全细胞式记录用于进行电生理检测和电化学检测，设置滤波模块30中第一带阻滤波器11的滤波参数为10kHz，设置第二带阻滤波器的滤波参数为2.9kHz。
在一个更具体的示例中，在电生理检测过程中，膜片钳放大器30通过提供电压控制点位以及对电极电容进行补偿，设置膜片钳放大器30的电压钳增益为1-20mV/pA，实现对检测细胞的全细胞膜片钳记录，由电生理电极采集细胞膜的电位变化，并由第一带阻滤波器工频50/60Hz及其倍频率噪声成分滤掉，最后生成的电信号由计算机设备获取并分析；在电化学检测过程中，膜片钳放大器30通过提供电压控制电位，该电位被检测释放递质分子的氧化还原点位(如多巴胺的氧化点位为+700mV)，设置膜片钳放大器30的电压钳增益为5-20mV/pA，单个囊泡在电吸附作用下撞到电化学电极上，递质释放被氧化或还原后产生的电化学电流，电流通过贝塞尔滤波器滤除高频成分后，通过第二带阻滤波器将工频50/60Hz及其倍频率噪声成分滤掉，最后生成的电信号由计算机设备获取并分析。
更具体的，在一些实施例中，考虑到电化学电极12的材料限制了其只能与内含物中特定的递质(电化学活性比较高的递质)进行反应，这样就限制了电化学检测的应用，对于其他神经递质例如谷氨酸难以检测，因此本实施例在电化学电极12的外侧进行特异性酶涂层修饰(厚度通常为微米级)后能够实现针对不同递质进行检测。
本实施例提供了一种细胞电化学与电生理联合检测装置，基于电生理电极、电生理检测单元、第一带阻滤波器以及控制和分析模块构成电生理检测系统，能够实现对细胞的电生理检测，基于电化学电极、电化学检测单元、第二带阻滤波器、低通滤波器以及及控制和分析模块构成电化学检测系统，该装置能够同时完成电生理检测和电化学检测，并且能够借助电生理检测系统实现对细胞膜的吸破以及囊泡的分离，从而避免了电化学检测时需要刺破细胞的过程，能够在很大程度上解除了现有方法对电化学电极尖端直径的限制，同时允许酶涂层修饰的应用，使电化学电极在制作工艺上可以得到进一步改良，提高电化学电极对囊泡内含物的检测灵敏性和特异性，并且电生理检测系统与电化学检测系统的结合，实现了在更接近生理状态的脑片水平，乃至在体水平的原位细胞内化学物质进行检测，并可以对细胞电生理信号进行记录，在实验过程中可以进行单个细胞水平的电刺激，并观测该刺激在该细胞上引发的电生理及电化学等方面的反映，应用范围更广。
实施例二
本发明实施例二是在实施例一的基础上做的进一步改进，其对实施例一中的部分内容进行了进一步解释和说明，例如进一步提供了电生理电极11和电化学电极12的具体结构，再例如进一步提供了用于操作的测量平台，具体包括：
具体的，前文已经提到，在设置电生理电极11和电化学电极12时能够共用一个参比电极，而本实施例给出了关于参比电极和工作电极的具体设置：
具体的，在材料选择方面，本实施例中，电生理电极的工作电极可以采用玻璃微电极，而电化学电极12的工作电极通常采用碳纤电极、铂丝电极、金丝电极、表面经修饰的碳纤电极、表面经修饰的铂丝电极以及表面经修饰的金丝电极中的至少一种(此处的表面经修饰指的是在电极外侧设置特异性酶涂层)，参比电极能够使用氯化银/银丝。现有技术中，电生理电极11除了工作电极和参比电极外，还设置有玻璃微管，在实际使用时将工作电极放置于玻璃微管中。在工作电极和参比电极放置位置上，本实施例中设置了两种模式：电生理电极11和电化学电极12分开独立使用和联合套装使用。首先，在联合套装使用时，二者的工作电极均设置于玻璃微管中，而参比电极设置于盛放细胞的灌流浴槽内，也即：所述探测电极还包括参比电极；所述电化学电极包括第一工作电极；所述电生理电极包括第二工作电极和玻璃微管；所述第一工作电极和所述第二工作电极设置于所述玻璃微管内，所述参比电极设置于盛放细胞的灌流浴槽内；在分开独立使用时，电化学电极12和电生理电极11共用的参比电极(也叫地电极)，与电化学电极11的工作电极(也即第一工作电极)一同置于电生理电极11的玻璃微管内，而电生理电极11的工作电极(也即第二工作电极)则置于用于盛放细胞的灌流浴槽内，即：所述探测电极还包括参比电极；所述电化学电极包括第一工作电极；所述电生理电极包括第二工作电极和玻璃微管；所述第一工作电极和所述参比电极设置于所述玻璃微管内，所述第二工作电极设置于盛放细胞的灌流浴槽内。
更具体的，在实际工作时，第一工作电极需要与递质直接接触反应以产生化学电流，其工作时通常需要刺入细胞/囊泡内部，在联合套装使用时，第一工作电极和第二工作电极设置于玻璃微管内，此时第二工作电极非常容易对第一工作电极产生干扰，因此，为了避免干扰，在一些实施例中，将第一工作电极和第二工作电极错开放置，使得第一工作电极末端与玻璃微管末端之间的距离(称为第一距离)小于第二工作电极末端与玻璃微管末端之间的距离(称为第二距离)，以使得第一工作电极刺入细胞/囊泡内部时，第二工作电极与细胞/囊泡之间存在间隙。
可选的，在一些实施例中，如图2所示，细胞电化学与电生理联合检测装置还包括测量平台，所述测量平台包括显微镜50、样品操作平台60、微操纵器70、灌流浴槽80、相机90、导液管00、蠕动泵(图未示)、温度控仪(图未示)、防震台(图未示)和屏蔽网(图未示)。
其中，样品操作平台60置于防震台之上、屏蔽网之内；防震台和屏蔽网用于防止振动及外界干扰；灌流浴槽80放置于样品操作平台60上，用于盛放待检测的细胞；显微镜50为光学显微镜，包括物镜51(通常采用长工作距离)和聚光镜52，目镜51设置于灌流浴槽80正上方，用于观察细胞，聚光镜52设置于灌流浴槽80下方用于补充光源；导液管00与蠕动泵和温度控制以连接，用于向灌流浴槽80内灌流；微操纵器70与探测电极10连接，用于移动探测电极10与细胞接触等操作；相机90(通常采用红外相机)用于拍摄探测电极10及被测细胞的图像，以供操作人员观察。
更具体的，考虑到本实施例所进行的为电生理和电化学检测，仪器上的微弱电流都有可能对检测结果产生影响，因此本实施例中，所述膜片钳放大器20、显微镜50、样品操作平台60和相机90均设置外壳接地。
本实施例在前述实施例的基础上进一步提供了电生理电极和电化学电极中工作电极、参比电极的具体设置方式，能够根据实际检测需求对应设置，还提供了用于实际操作的测量平台，操作人员能够基于操作平台方便快速的完成电生理检测和电化学检测。
实施例三
本发明实施例三提供了一种细胞内电化学和电生理联合检测方法，基于本发明前述任一实施例提供的细胞电化学与电生理联合检测装置实现，该方法包括：
S110、调整所述探测电极10靠近被测细胞至预设距离。
首先将被测细胞(或神经终末等)放置于灌流浴槽80中，通过导液管00灌流，通过样品操作平台60移动显微镜50，使得被测细胞的位置移动到视野范围内，通过显微镜50放大被视(细胞试验中采用倒置显微镜；脑片试验中采用正置显微镜)，其中物镜51采用长工作距离(例如40×/0.8w)有利于左右两个探测电极(电生理电极11和电化学电极12)入液。在实验过程中，采用微操纵器70控制探测电极10进行精细移动，在移动到视野范围内之后，将电极深入到被测细胞上方一系列微操作，调整电极位置使得电极能够进行高阻封接操作(GΩ级封接)，该位置即预设位置，表示能够使得电极完成高阻封接操作的位置。在进行上述操作时，能够通过相机90将显微镜50中观察到的图像在可视化设备(如显示屏)上进行可视化，使得操作探测电极10时的微操作步骤都能在电脑屏幕上进行可视化，操作更精确方便。
S120、调整所述膜片钳放大器20的工作参数使得所述电生理电极11与被测细胞完成高阻封接。
高阻封接指的是在膜片钳技术中，电极尖端与细胞表面形成很高的电阻值(GΩ级以上)的封接。在实际应用时，通过负压吸引使电极尖端与细胞膜之间形成千兆欧姆以上的阻抗封接，此时电极尖端下的细胞膜小区域(膜片,patch)与其周围在电学上分隔，在此基础上固定(钳制,Clamp)电位，对此膜片上的离子通道的离子电流进行监测及记录即形成电生理检测。
S130、调整所述膜片钳放大器20的工作参数提供第一电压控制电位以及对电极电容进行补偿，基于所述电生理电极检测的电信号实现对被测细胞的电生理检测。
第一电压控制电位包括在高阻封接基础上设置的钳制电位，用于进行电生理检测，其检测模式至少包括两种：细胞吸附式记录和全细胞式记录，在进行细胞吸附式记录时，电生理电极11自细胞外与细胞膜接触记录一小片细胞膜汇总的一个或几个离子通道的活动，在进行全细胞式记录时，通过膜片钳放大器20参数调整对使得电生理电极11对细胞膜给予负压，稍稍用力吸允细胞膜或基于电击打破细胞膜，实现全细胞式记录。
S140、调整所述膜片钳放大器的工作参数提供第二电压控制电位，基于所述电化学电极检测的电信号实现对被测细胞的内含物检测。
第二电压控制电位为被检测释放递质分子的氧化还原电位，在全细胞式记录模式下，单个囊泡在电吸附的作用下撞到电化学电极12的工作电极上，递质释放被氧化或还原后产生电化学电流，基于该电化学电流的电信号能够分析内含物中的成分，实现电化学检测。
本实施例基于前述任一实施例提供的细胞电化学与电生理联合检测装置，进一步提供了细胞电化学与电生理联合检测方法，该方法能够同时完成电生理检测和电化学检测，并且能够借助电生理检测系统实现对细胞膜的吸破，从而避免了电化学检测时需要刺破细胞的过程，能够在很大程度上解除了现有方法对电化学电极尖端直径的限制，同时允许酶涂层修饰的应用，使电化学电极在制作工艺上可以得到进一步改良，提高电化学电极对囊泡内含物的检测灵敏性和特异性，并且电生理检测系统与电化学检测系统的结合，实现了在更接近生理状态的脑片水平，乃至在体水平的原位细胞内化学物质进行检测，并可以对细胞膜电生理信号进行记录，在实验过程中可以进行单个细胞水平的电刺激，并观测该刺激在该细胞上引发的电生理及电化学等方面的反映，应用范围更广。
通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(Read-Only Memory,ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory,RAM)、闪存(FLASH)、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，计算机设备，或者网络设备等)执行本发明各个实施例的方法。
值得注意的是，上述装置的实施例中，所包括的各个单元和模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (7)
1.一种细胞电化学与电生理联合检测装置，其特征在于，包括：
探测电极，用于检测电信号，包括电生理电极和电化学电极；
膜片钳放大器，用于放大所述电信号，包括与所述电生理电极连接的电生理检测单元和与所述电化学电极连接的电化学检测单元；
滤波模块，用于对所述电信号进行滤波处理，包括第一带阻滤波器、第二带阻滤波器和低通滤波器，所述第一带阻滤波器与所述电生理检测单元连接，所述第二带阻滤波器和低通滤波器依序连接后与所述电化学检测单元连接；
控制和分析模块，用于基于所述电信号分析细胞的电生理情况和电化学情况，还用于向所述膜片钳放大器发送控制信号以调整所述膜片钳放大器的检测模式；
所述探测电极还包括参比电极；
所述电化学电极包括第一工作电极；
所述电生理电极包括第二工作电极和玻璃微管；
所述第一工作电极和所述第二工作电极设置于所述玻璃微管内，所述参比电极设置于盛放细胞的灌流浴槽内；其中，所述第一工作电极末端与玻璃微管末端之间的距离小于第二工作电极末端与玻璃微管末端之间的距离；
所述膜片钳放大器的检测模式包括细胞吸附式记录和全细胞式记录：
所述细胞吸附式记录用于进行电生理检测，所述全细胞式记录用于进行电生理检测和电化学检测。
2.根据权利要求1所述的细胞电化学与电生理联合检测装置，其特征在于：
所述膜片钳放大器中设置有数模/模数转换器，用于进行模拟信号和数字信号间的转换。
3.根据权利要求1所述的细胞电化学与电生理联合检测装置，其特征在于：
所述电化学电极包括碳纤电极、铂丝电极、金丝电极、表面经修饰的碳纤电极、表面经修饰的铂丝电极以及表面经修饰的金丝电极中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的细胞电化学与电生理联合检测装置，其特征在于：
所述电化学电极的外侧设置有特异性酶涂层，用于与细胞内含物进行化学反应。
5.根据权利要求1所述的细胞电化学与电生理联合检测装置，其特征在于，还包括测量平台：
所述测量平台包括显微镜、样品操作平台、微操纵器、灌流浴槽、相机、导液管、蠕动泵、温度控仪、防震台和屏蔽网。
6.根据权利要求5所述的细胞电化学与电生理联合检测装置，其特征在于：
所述膜片钳放大器、显微镜、样品操作平台和相机均设置外壳接地。
7.一种细胞内电化学和电生理联合检测方法，基于权利要求1-6任一所述的细胞电化学与电生理联合检测装置实现，其特征在于，包括：
调整所述探测电极靠近被测细胞至预设距离；
调整所述膜片钳放大器的工作参数使得所述电生理电极与被测细胞完成高阻封接；
调整所述膜片钳放大器的工作参数提供第一电压控制电位以及对电极电容进行补偿，基于所述电生理电极检测的电信号实现对被测细胞的电生理检测；
调整所述膜片钳放大器的工作参数提供第二电压控制电位，基于所述电化学电极检测的电信号实现对被测细胞的内含物检测。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09211010A (ja) * | 1996-02-06 | 1997-08-15 | Bunshi Bio Photonics Kenkyusho:Kk | 電気生理特性測定装置 |
| JP2001201481A (ja) * | 2000-11-28 | 2001-07-27 | Hitachi Ltd | 電気生理自動計測装置及び電気生理自動計測方法 |
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Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09211010A (ja) * | 1996-02-06 | 1997-08-15 | Bunshi Bio Photonics Kenkyusho:Kk | 電気生理特性測定装置 |
| JP2001201481A (ja) * | 2000-11-28 | 2001-07-27 | Hitachi Ltd | 電気生理自動計測装置及び電気生理自動計測方法 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 闫检群 等.《神经生物学概论》.西安交通大学出版社,2007,第4页. * |
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