CN114292749A - 电兴奋型细胞高通量胞内外电生理与机械搏动活性同步检测装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电兴奋型细胞高通量胞内外电生理与机械搏动活性同步检测装置与方法，该装置包括电兴奋型细胞传感检测多电极芯片、细胞阻抗测量模块、细胞电信号放大模块、并行采集模块和上位机；本发明可以在一台仪器上实现电兴奋型细胞的电信号与机械搏动信号的同步活性检测，避免了现有仪器不能整合，需要在两种仪器上分别进行细胞电信号的检测和细胞机械搏动信号的检测，两种信号的检测不是同步进行，无法相互对应、对比分析，只能以单一参数表征电兴奋细胞的活性和生理状态。本发明装置使电兴奋型细胞活性检测系统同时具备电信号检测与机械搏动检测一体化的检测功能，同步获得两种体现细胞活性的信号信息，有利于获取完整的细胞活性信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种电兴奋型细胞活性检测技术，具体涉及一种电兴奋型细胞的胞内电生理与机械搏动活性同步检测的装置与方法。
背景技术
目前，传统的细胞活性检测多采用化学染色法或荧光染色法，但这些侵入式方法，会在检测细胞活性的同时破坏细胞的生理结构，只能得到单一时间点的细胞活性信息。相对于传统的细胞检测方法，细胞传感检测技术具有方便、快捷、高效等特点。其中主要的细胞检测技术如细胞胞内电生理检测与细胞阻抗检测都可实现长时、无损监测细胞活性状态，但两者只能以单一参数反映细胞的活性状态，不能全面地体现电兴奋型细胞的活性与生理状态。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，开发一种基于细胞传感检测技术、LabVIEW的上位机软件与基于放大器芯片实现的电兴奋型细胞高通量胞内电生理与机械搏动活性同步检测的装置，实现了电兴奋型细胞的胞内电生理与机械搏动活性的同步检测，由电兴奋型细胞传感检测多电极芯片同步检测电兴奋型细胞的电信号与阻抗值，有利于提高电兴奋型细胞的活性检测性能，有利于获取更准确的电兴奋型细胞的活性信息并进一步评价分析电兴奋型细胞的生理状态。
本发明所采用的技术方案是：
一种电兴奋型细胞高通量胞内外电生理与机械搏动活性同步检测装置，包括电兴奋型细胞传感检测多电极芯片、细胞阻抗测量模块、细胞电信号放大模块、并行采集模块和上位机；其中，所述电兴奋型细胞传感检测多电极芯片由叉指电极与微电极阵列组成，细胞阻抗测量模块包括激励信号电路和阻抗检测电路、细胞电信号放大模块包括脉冲信号电路和电生理信号检测电路。
所述激励信号电路输出端与叉指电极中的对电极连接，用于产生激励信号并通过叉指电极中的对电极施加于细胞；
所述阻抗检测电路的输入端与叉指电极中的工作电极连接，用于检测细胞在激励信号下的响应电流，实现对电兴奋型细胞的机械搏动活性检测；
所述脉冲信号电路的输出端与微电极阵列连接，用于产生脉冲信号并通过微电极阵列施加于细胞。
所述电生理信号检测电路的输入端与微电极阵列连接，用于检测电兴奋型细胞的胞内和/或胞外的电信号。
所述阻抗检测电路的输出端、电生理信号检测电路的输出端与并行采集模块的输入端连接，并行采集模块的输出端与上位机的输入端连接，激励信号电路、脉冲信号电路的控制端与上位机的输出端连接，上位机用于控制阻抗测量的激励信号、脉冲信号的产生，显示和存储经并行采集模块处理后的电信号与响应电流。
进一步地，所述激励信号电路包括依次连接的DDS芯片、电容、无源电阻衰减网络和电压跟随器，其中DDS芯片产生原始信号后，经过电容去直流，随后通过无源电阻衰减网络实现原始信号的衰减，最后经电压跟随器产生激励信号。
进一步地，所述阻抗检测电路包括依次连接的跨阻放大电路和高通滤波电路，跨阻放大电路用于放大通过叉指电极中的工作电极获取的细胞在激励信号下的响应电流，高通滤波电路用于滤除放大后响应电流信号中跨阻放大电路所造成的基线漂移与低频噪声。
进一步地，所述脉冲信号电路包括DDS芯片、PMOS和一级放大电路；其中，DDS芯片产生方波信号，方波信号与一级放大电路的输入端相连，一级放大电路的输出端与微电极阵列相连，PMOS与一级放大电路相连，通过控制PMOS的开关控制一级放大电路电源通断，实现脉冲信号的控制。
进一步地，所述电生理信号检测电路由依次连接的前置放大电路、带阻滤波电路和二级放大电路组成。
一种基于上述装置的电兴奋型细胞高通量胞内外电生理与机械搏动活性同步检测方法，包括以下步骤：
S01：在电兴奋细胞传感检测多电极芯片上固定细胞培养腔，并在细胞培养腔内培养细胞。
S02：对培养的细胞进行电兴奋细胞胞内外电生理与机械搏动活性同步检测：其中，进行电兴奋细胞胞外电生理与机械搏动活性同步检测时，直接通过上位机控制产生阻抗测量所需的激励信号，细胞阻抗测量模块开始进行阻抗测量，同时细胞电信号放大模块开始检测电兴奋细胞的电信号，两种信号同步检测后同时传输至上位机并显示胞外电生理与机械搏动活性检测结果。当进行电兴奋细胞胞内电生理与机械搏动活性同步检测时，先控制对细胞施加脉冲信号，待施加一段时间后打开细胞膜，细胞电信号放大模块开始检测电兴奋细胞的电信号传输至上位机并显示胞内电生理检测结果。或在脉冲信号施加一段时间后，通过上位机控制产生阻抗测量所需的激励信号，细胞阻抗测量模块开始进行阻抗测量，同时细胞电信号放大模块开始检测电兴奋细胞的电信号，两种信号同步检测后同时传输至上位机并显示胞内电生理与机械搏动活性检测结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明可以在一台仪器上实现电兴奋型细胞的电信号与机械搏动信号的同步活性检测，避免了现有仪器不能整合，需要在两种仪器上分别进行细胞电信号的检测和细胞机械搏动信号的检测，两种信号的检测不是同步进行，无法相互对应、对比分析，只能以单一参数表征电兴奋细胞的活性和生理状态。本发明装置使电兴奋型细胞活性检测系统同时具备电信号检测与机械搏动检测一体化的检测功能，同步获得两种体现细胞活性的信号信息，从而有利于获取完整的细胞活性信息。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述：
图1是本发明电兴奋型细胞高通量胞内电生理与机械搏动活性同步检测装置的装置结构示意图；
图2是本发明电兴奋型细胞高通量胞内电生理与机械搏动活性同步检测装置的原理框图；
图3是本发明电兴奋型细胞高通量胞内电生理与机械搏动活性同步检测装置的LabVIEW上位机工作界面图；
图4是本发明电兴奋型细胞高通量胞内电生理与机械搏动活性同步检测装置检测到的心肌细胞胞外以及胞内场电位信号；
图5是本发明电兴奋型细胞高通量胞内电生理与机械搏动活性同步检测装置检测到的心肌细胞机械搏动信号；
图6是本发明电兴奋型细胞高通量胞内电生理与机械搏动活性同步检测装置的工作流程图；
图7是本发明电兴奋型细胞高通量胞内电生理与机械搏动活性同步检测装置的激励信号电路图；
图8是本发明电兴奋型细胞高通量胞内电生理与机械搏动活性同步检测装置的跨阻放大和高通滤波电路图；
图9是本发明电兴奋型细胞高通量胞内电生理与机械搏动活性同步检测装置的细胞电信号放大模块的电路图；
图10是一种脉冲信号电路的电路图；
图中，电兴奋型细胞传感检测多电极芯片1，细胞阻抗测量模块2，高速的并行采集模块3，USB线4，上位机5，金属屏蔽盒6，细胞电信号放大模块7。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清晰明了，下面通过结合一个具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1、2所示，一种电兴奋型细胞高通量胞内电生理与机械搏动活性同步检测的装置，包括电兴奋型细胞传感检测多电极芯片1、细胞阻抗测量模块2、细胞电信号放大模块7、高速的并行采集模块3和上位机5；
所述电兴奋型细胞传感检测多电极芯片1由叉指电极与微电极阵列组成；其中，叉指电极用于电兴奋型细胞的阻抗测量，其对电极用于施加阻抗测量的激励信号，工作电极用于测量电兴奋型细胞在激励信号下的响应电流，实现对电兴奋型细胞的机械搏动活性检测；微电极阵列用于电兴奋型细胞的电信号检测，以细胞培养液远端的参考电极为参考，微电极阵列作为工作电极检测电兴奋型细胞的电信号，实现对电兴奋型细胞的电生理检测；通过多电极芯片实现两种活性信息的同步检测。
所述细胞阻抗测量模块2包括激励信号电路、跨阻放大电路和高通滤波电路；所述激励信号电路用于产生阻抗测量的激励信号，通过DDS芯片产生原始激励信号，随后通过电容去直流、电阻衰减和电压跟随器产生阻抗测量所需的特定频率与幅值的阻抗激励信号，激励信号电路的输出端与叉指电极的对电极相连；所述跨阻放大电路通过负反馈电阻实现电流-电压转换，叉指电极的工作电极与跨阻放大电路的输入端相连，将阻抗激励信号经过叉指电极后的响应电流进行电流-电压转换，跨阻放大电路的输出端与高通滤波电路的输入端相连；所述高通滤波电路主要用于滤除跨阻放大电路所造成的基线漂移与低频噪声，高通滤波电路的输出端与高速并行采集模块3的输入端相连。
具体地，如图7所示，所述激励信号电路由DDS产生原始信号后，经过电容C0去直流，随后通过无源电阻衰减网络实现原始激励信号的衰减，最后经过由4个运算放大器并联组成的电压跟随器，提高激励信号的驱动能力，电压跟随器所使用的运算放大器型号可采用OPA209，但不限于此。
如图8所示，所述跨阻放大电路由跨阻放大器、电阻R12和滤波电容C10组成，电阻R12连接在跨阻放大器的负反馈端与输出端之间，滤波电容C10与电阻R12并联，实现电流-电压转换，跨阻放大电路的输出端即跨阻放大器的输出端与高通滤波电路的输入端相连；高通滤波电路可滤除跨阻放大电路所造成的基线漂移与低频噪声，该电路由电容C15、C16以及电阻R13、R14和运算放大器构成二阶高通滤波。其中，跨阻放大电路所使用的运算放大器型号可采用LTC6269，高通滤波电路所使用的运算放大器型号可采用OPA2227但不限于此。
所述细胞电信号放大模块7包括前置放大电路、带阻滤波电路、二级放大电路和脉冲信号电路；所述前置放大电路的输入端与电兴奋细胞传感检测多电极芯片1的微电极阵列相连，将细胞微弱电信号初步放大，前置放大电路的输出端与带阻滤波电路的输入端相连；所述带阻滤波电路用于滤除阻抗测量激励产生的激励信号干扰，带阻滤波电路的输出端与二级放大电路的输入端相连；所述二级放大电路用于对采集到的细胞电信号进行再次放大，放大到高速并行采集模块3的合适采集电压范围内，二级放大电路的输出端与高速并行采集模块3的输入端相连。脉冲信号电路的输出端与微电极阵列相连，用于施加脉冲信号。
如图9所示，是由前置放大电路、带阻滤波电路和二级放大电路组成的一种电生理信号检测电路的电路图，其中，前置放大电路通过前置运算放大器将细胞微弱电信号初步放大，具体由电容C21以及电阻R21、R22组成高通滤波后连接到运算放大器的正输入端，负输入端通电阻R24连接到地，电阻R23与电容C22并联跨接在运算放大器的输出以及负输入端之间形成负反馈。随后输入到带阻滤波电路中，带阻滤波电路由二阶多重反馈带通滤波器和加法器电路组成，消除阻抗测量的交流激励信号的影响，其中带通滤波器由电阻R27、R28、R29、电容C23、C24以及运算放大器组成，电阻R28的一端接前置放大电路的输出端，另一端与电容C24相连，电容C24的另一端与运算放大器的负输入端相连，电阻R29的一端接地，另一端与电阻R28与电容C24连接的交点相连，电阻R27跨接在运算放大器的输出以及负输入端之间，电容C23的一端与电阻R28与电容C24连接的交点相连，另一端与运算放大器的输出端相连。加法器由电阻R25、R26、R30以及运算放大器组成，电阻R30跨接在运算放大器的输出以及负输入端之间，电阻R25的一端接前置放大电路的输出端，另一端与运算放大器的正输入端相连；电阻R26的一端接带通滤波器中运算放大器的输出端，另一端接运算放大器的正输入端。随后输入到二级放大电路中二级放大电路组成方式以该图中的前置放大电路一致,经过放大后，其输出端连接到高速并行采集模块3的输入端。
如图10所示，是一种脉冲信号电路的电路图，所述脉冲信号电路包括DDS芯片、PMOS和一级放大电路；其中，通过MCU控制DDS芯片产生方波信号，方波信号与一级放大电路的输入端相连，一级放大电路的输出端与微电极阵列相连，PMOS与一级放大电路相连，并控制PMOS的开关实现后一级放大电路电源通断。当PMOS导通时，输入的脉冲信号通过放大电路放大后输出。当PMOS断开时，脉冲信号消失。通过脉冲信号打开细胞膜以实现胞内信号的采集。所述一级放大电路具体包括一运算放大器、电阻R1、R2、R3和R4，其中，电阻R2的一端与运算放大器的正向输入端相连，另一端与电阻R1的一端相连同时作为一级放大电路的输入端，电阻R1的另一端接地；电阻R3设于运算放大器的反相输入端和输出端之间，电阻R4的一端与运算放大器的反相输入端相连，另一端接地。
图1、2中所述高速的并行采集模块3包括模数转换电路和FPGA；所述模数转换电路包括单端转差分芯片与模数转换芯片，为了实现高信噪比的采集性能，模数转换芯片采用低电压差分信号(LVDS)进行信号传输，因此需要先将细胞阻抗测量模块2与细胞电信号放大模块7的输出信号进行单端转差分，随后模数转换芯片进行信号采集，模数转换芯片的输出端与FPGA的输入端相连；FPGA通过其强大的并行处理能力，先对采集到的数据进行预处理，随后通过USB线4发送到上位机5。
所述上位机5用于控制阻抗测量的激励信号以及用于胞内电信号测量的脉冲信号的产生，显示和存储芯片检测到的电信号与阻抗值数据，优选为LabVIEW上位机。
进一步地，装置还包括一金属屏蔽盒6，电兴奋型细胞传感检测多电极芯片1，细胞阻抗测量模块2，高速的并行采集模块3，细胞电信号放大模块7均放置于金属屏蔽盒6内。
本发明还提供了一种上述电兴奋细胞电生理与机械搏动活性同步检测的装置的电兴奋细胞活性检测方法，如图6所示，包括如下步骤：
S01：在电兴奋细胞传感检测多电极芯片1上固定细胞培养腔，并在细胞培养腔内培养好细胞。
S02：进行电兴奋细胞胞内外电生理与机械搏动活性同步检测：其中，进行电兴奋细胞胞外电生理与机械搏动活性同步检测时，直接通过LabVIEW上位机控制产生阻抗测量所需的激励信号，细胞阻抗测量模块开始进行阻抗测量，同时细胞电信号放大模块开始检测电兴奋细胞的电信号，两种信号同步检测后同时传输至上位机并显示胞外电生理与机械搏动活性检测结果。当进行电兴奋细胞胞内电生理与机械搏动活性同步检测时，先控制PMOS导通，对细胞施加脉冲信号，待施加一段时间后打开细胞膜，细胞电信号放大模块开始检测电兴奋细胞的电信号传输至上位机并显示胞内电生理检测结果。或在脉冲信号施加一段时间后，通过LabVIEW上位机控制产生阻抗测量所需的激励信号，细胞阻抗测量模块开始进行阻抗测量，同时细胞电信号放大模块开始检测电兴奋细胞的电信号，两种信号同步检测后同时传输至上位机并显示胞内电生理与机械搏动活性检测结果。
上位机可以对接收到的数据包进行拆分，实现数据的实时显示，可通过上位机实时或定时保存采集到的数据。
进一步地，还可以设置持续监测的时间间隔、单次采集数据的时间等。
如图3所示，为本发明提供的一种电兴奋型细胞高通量胞内电生理与机械搏动活性同步检测装置的LabVIEW上位机工作界面；
如图4所示，为本发明电兴奋型细胞高通量胞内电生理与机械搏动活性同步检测装置检测到的心肌细胞胞内外场电位信号以及信号经过Matlab滤波后的结果。
如图5所示，图为本发明电兴奋型细胞高通量胞内电生理与机械搏动活性同步检测装置检测到的心肌细胞机械搏动信号以及信号经过Matlab滤波后的结果。
本发明可以同步获得细胞胞内电生理与机械搏动活性检测结果或细胞胞外电生理与机械搏动活性检测结果，相比于现有的分步测量获得的结果，同一时刻的多种电生理与机械搏动活性检测信号用来分析当前细胞的情况更有说服力。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法把所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种电兴奋型细胞高通量胞内外电生理与机械搏动活性同步检测装置，其特征在于，包括电兴奋型细胞传感检测多电极芯片、细胞阻抗测量模块、细胞电信号放大模块、并行采集模块和上位机；其中，所述电兴奋型细胞传感检测多电极芯片由叉指电极与微电极阵列组成，细胞阻抗测量模块包括激励信号电路和阻抗检测电路、细胞电信号放大模块包括脉冲信号电路和电生理信号检测电路。
所述激励信号电路输出端与叉指电极中的对电极连接，用于产生激励信号并通过叉指电极中的对电极施加于细胞；
所述阻抗检测电路的输入端与叉指电极中的工作电极连接，用于检测细胞在激励信号下的响应电流，实现对电兴奋型细胞的机械搏动活性检测；
所述脉冲信号电路的输出端与微电极阵列连接，用于产生脉冲信号并通过微电极阵列施加于细胞。
所述电生理信号检测电路的输入端与微电极阵列连接，用于检测电兴奋型细胞的胞内和/或胞外的电信号。
所述阻抗检测电路的输出端、电生理信号检测电路的输出端与并行采集模块的输入端连接，并行采集模块的输出端与上位机的输入端连接，激励信号电路、脉冲信号电路的控制端与上位机的输出端连接，上位机用于控制阻抗测量的激励信号、脉冲信号的产生，显示和存储经并行采集模块处理后的电信号与响应电流。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激励信号电路包括依次连接的DDS芯片、电容、无源电阻衰减网络和电压跟随器，其中DDS芯片产生原始信号后，经过电容去直流，随后通过无源电阻衰减网络实现原始信号的衰减，最后经电压跟随器产生激励信号。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阻抗检测电路包括依次连接的跨阻放大电路和高通滤波电路，跨阻放大电路用于放大通过叉指电极中的工作电极获取的细胞在激励信号下的响应电流，高通滤波电路用于滤除放大后响应电流信号中跨阻放大电路所造成的基线漂移与低频噪声。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脉冲信号电路包括DDS芯片、PMOS和一级放大电路；其中，DDS芯片产生方波信号，方波信号与一级放大电路的输入端相连，一级放大电路的输出端与微电极阵列相连，PMOS与一级放大电路相连，通过控制PMOS的开关控制一级放大电路电源通断，实现脉冲信号的控制。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电生理信号检测电路由依次连接的前置放大电路、带阻滤波电路和二级放大电路组成。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述装置的电兴奋型细胞高通量胞内外电生理与机械搏动活性同步检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：在电兴奋细胞传感检测多电极芯片上固定细胞培养腔，并在细胞培养腔内培养细胞。
S02：对培养的细胞进行电兴奋细胞胞内外电生理与机械搏动活性同步检测：其中，进行电兴奋细胞胞外电生理与机械搏动活性同步检测时，直接通过上位机控制产生阻抗测量所需的激励信号，细胞阻抗测量模块开始进行阻抗测量，同时细胞电信号放大模块开始检测电兴奋细胞的电信号，两种信号同步检测后同时传输至上位机并显示胞外电生理与机械搏动活性检测结果。当进行电兴奋细胞胞内电生理与机械搏动活性同步检测时，先控制对细胞施加脉冲信号，待施加一段时间后打开细胞膜，细胞电信号放大模块开始检测电兴奋细胞的电信号传输至上位机并显示胞内电生理检测结果。或在脉冲信号施加一段时间后，通过上位机控制产生阻抗测量所需的激励信号，细胞阻抗测量模块开始进行阻抗测量，同时细胞电信号放大模块开始检测电兴奋细胞的电信号，两种信号同步检测后同时传输至上位机并显示胞内电生理与机械搏动活性检测结果。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114292749B (zh) | 2023-10-24 |
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