KR20190055948A - Daq 보드 기반의 세포 임피던스 측정 시스템 - Google Patents
Daq 보드 기반의 세포 임피던스 측정 시스템 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20190055948A KR20190055948A KR1020170152837A KR20170152837A KR20190055948A KR 20190055948 A KR20190055948 A KR 20190055948A KR 1020170152837 A KR1020170152837 A KR 1020170152837A KR 20170152837 A KR20170152837 A KR 20170152837A KR 20190055948 A KR20190055948 A KR 20190055948A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- cell
- impedance
- ecis
- analog
- channel unit
- Prior art date
Links
- 238000002847 impedance measurement Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 18
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000001453 impedance spectrum Methods 0.000 claims description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 4
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 69
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 7
- 230000010261 cell growth Effects 0.000 description 7
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000007850 fluorescent dye Substances 0.000 description 4
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000001215 fluorescent labelling Methods 0.000 description 3
- FWBHETKCLVMNFS-UHFFFAOYSA-N 4',6-Diamino-2-phenylindol Chemical compound C1=CC(C(=N)N)=CC=C1C1=CC2=CC=C(C(N)=N)C=C2N1 FWBHETKCLVMNFS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 2
- 238000004113 cell culture Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 210000004748 cultured cell Anatomy 0.000 description 2
- 231100000433 cytotoxic Toxicity 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 2
- 230000017074 necrotic cell death Effects 0.000 description 2
- 230000035755 proliferation Effects 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000035899 viability Effects 0.000 description 2
- 108091003079 Bovine Serum Albumin Proteins 0.000 description 1
- 238000000116 DAPI staining Methods 0.000 description 1
- 239000006144 Dulbecco’s modified Eagle's medium Substances 0.000 description 1
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 229930040373 Paraformaldehyde Natural products 0.000 description 1
- 229930182555 Penicillin Natural products 0.000 description 1
- JGSARLDLIJGVTE-MBNYWOFBSA-N Penicillin G Chemical compound N([C@H]1[C@H]2SC([C@@H](N2C1=O)C(O)=O)(C)C)C(=O)CC1=CC=CC=C1 JGSARLDLIJGVTE-MBNYWOFBSA-N 0.000 description 1
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 description 1
- 208000036142 Viral infection Diseases 0.000 description 1
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 1
- 230000006907 apoptotic process Effects 0.000 description 1
- 238000002306 biochemical method Methods 0.000 description 1
- 201000011510 cancer Diseases 0.000 description 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003833 cell viability Effects 0.000 description 1
- 238000003570 cell viability assay Methods 0.000 description 1
- 210000003570 cell-matrix junction Anatomy 0.000 description 1
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 1
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000012258 culturing Methods 0.000 description 1
- 230000001472 cytotoxic effect Effects 0.000 description 1
- 231100000263 cytotoxicity test Toxicity 0.000 description 1
- 238000013480 data collection Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000003255 drug test Methods 0.000 description 1
- 238000013210 evaluation model Methods 0.000 description 1
- 239000012894 fetal calf serum Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000012010 growth Effects 0.000 description 1
- 239000001963 growth medium Substances 0.000 description 1
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 210000004692 intercellular junction Anatomy 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 description 1
- 229920002866 paraformaldehyde Polymers 0.000 description 1
- 229940049954 penicillin Drugs 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000011897 real-time detection Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 239000013464 silicone adhesive Substances 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 238000010186 staining Methods 0.000 description 1
- 230000004083 survival effect Effects 0.000 description 1
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 description 1
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 1
- 230000009385 viral infection Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/483—Physical analysis of biological material
- G01N33/4833—Physical analysis of biological material of solid biological material, e.g. tissue samples, cell cultures
- G01N33/4836—Physical analysis of biological material of solid biological material, e.g. tissue samples, cell cultures using multielectrode arrays
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Immunology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Pathology (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Hematology (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Urology & Nephrology (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
본 발명은, 세포가 부착되어 세포의 전기 특성을 측정하는 전기적 세포-기질 임피던스 센서(ECIS)와 연계되어 전기 특성을 아날로그 기반으로 검출하는 세포의 임피던스 측정 시스템에 있어서, 정현파 발생기로부터 발생된 신호를 인가받아 아날로그의 입력 신호로 변환하여 세포가 부착된 ECIS의 전극에 상기 입력 신호를 인가시키는 DAC 채널부와, 상기 DAC 채널부의 입력 신호가 인가됨에 따라 상기 ECIS의 전극으로부터 발생되는 아날로그의 응답 신호를 수신하여 디지털 신호로 변환하는 ADC 채널부를 갖는 DAQ 보드; 및 상기 ADC 채널부로부터 디지털로 변환된 응답 신호를 수신하여 진폭과 위상 특성을 분석하여 세포의 임피던스를 측정하는 프로세서부를 포함하여, 상기 DAQ 보드를 통해 아날로그 영역으로 세포의 임피던스를 측정하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 세포의 임피던스 측정 시스템에 관한 것으로서, 특히 DAQ 보드를 이용함에 따라, 저렴한 제조 단가로 보급성이 우수한 세포의 임피던스 측정 시스템에 관한 것이다.
형광표지 염색 방식이 아닌 세포-기질의 실시간 임피던스 검출(ECIS, Electric Cell-Substrate Impedance Sensing) 기술을 이용한 세포의 분석은 전통적인 생화학적 방법의 대안 또는 보조 방법으로 부상하고 있다. ECIS 센서는 전기적 세포-기질 임피던스를 측정하기 위한 전극 센서를 지칭하는 것으로, ECIS의 미소 전극에 부착된 세포의 운동성 및 사망률을 형광표지 염색 없이 실시간으로 검출할 수 있도록 한다. ECIS는 형광표지 염색이 없는 비파괴 및 실시간의 진단 특성에 따라, 세포 수준에서 약물 검사나 세포의 모니터링에 주로 이용되며, 세포 연구를 위한 강력한 기술로 인정받고 있다. ECIS는 세포의 부착, 증식, 미세 운동, 독성, 괴사, 바이러스 감염 또는 분화에 따라 변화되는 전기 특성의 데이터를 기반으로 세포-세포 또는 세포-기질 접합부의 특성을 정량화 할 수 있다.
일반적으로, ECIS 시스템은 생체 적합성이 있는 미소 전극 기반의 세포 칩과 생체 전기 임피던스를 측정하는 시스템으로 구성된다. 전극의 재료로는 생체 적합성 및 안정한 전기 화학적 특성을 갖는 Au, Pt, 또는 ITO(Indium Tin Oxide)의 소재가 이용된다. ECIS 시스템은 전극을 통해 흐르는 전류의 양을 적절하게 하여 전기적 손상으로부터 세포를 보호해야 하며, 동시에 노이즈 신호가 증가되지 않도록 세팅되어야 한다. ECIS 시스템을 통해 측정된 세포의 임피던스 스펙트럼은 주지된 이론적 또는 수학적 모델에 의해 검증될 수 있다.
ECIS의 전극에 흡착되는 세포는 흡착력에 따라 세포의 형태학적 및 생리학적 변화를 야기하며, 증식, 괴사 또는 세포 사멸과 같은 현상은 전기 등가회로 모델 변수의 변화를 일으킨다. 이에, 디지털 신호 처리(DSP) 기술의 발전으로 ECIS의 고성능 구현이 추구되고 있으나, POC(Point-Of-Care) 어플리케이션에 적용되기 위한 휴대성과 비용면에 커다란 단점을 갖고 있는 실정이다.
이에, 소형의 마이크로 컨트롤러와 비용 효율적인 DSP가 적용된 측정 장치로서 ECIS 시스템의 휴대성을 고려한 세포의 임피던스 측정 장치 및 방법이 요구된다.
도 1은 종래의 전기적 세포-기질 임피던스 센서(ECIS)에 관한 것으로서, 미국 공개특허 제2016-0178605호(이하, 선행문헌이라 한다)의 대표도를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 전기적 세포-기질 임피던스 센서는 기판(101), 기판(101)에 형성된 촉매 층(103), 복수의 촉매 층(103)에 성장한 나노선 전극 배열(104)을 포함하여 구성되며, 나노선 전극(104)은 생물학적 세포의 전기적 응답을 측정한다. 상기 선행문헌은 생물학적인 세포의 확산되는 단계를 모니터링 하는 바이오센서를 개시하며, 나노 전극상에 세포가 확산되는 단계를 모니터링하여 세포의 암 특성을 검출하기 위한 전기적 세포-기질 임피던스 센서를 제공한다.
본 출원인은, 상기와 같은 ECIS와 연계하여 세포의 임피던스를 측정하는 시스템으로서, DAQ 보드를 적용시킴에 따라 세포의 보다 정확한 응답 특성과 저렴한 제조 단가로 구현이 가능한 ECIS 시스템을 고안하게 되었다.
한편, DAQ(Data Acquisition) 보드는 센서나 시그널 컨디셔닝 모듈을 통하여 출력되는 전압 값을 컴퓨터가 인식할 수 있는 디지털 신호로 변환시켜주는 하드웨어를 의미한다. DAQ 보드에는 ADC(Analog to Digital Convertor)칩이 내장되며, 전압의 연속적인 아날로그 신호를 0 또는 1의 이산적인 디지털 신호로 변환한다.
DAQ 보드가 수행하는 데이터 수집은 전압, 전류, 온도, 압력 또는 소음 등의 전기 또는 물리적인 현상을 대상으로 할 수 있다. DAQ 보드는 일반적으로 전압, 전류 등 물리적인 현상을 측정하는 센서와 연계되며, 신호를 변환하는 하드웨어 및 프로그래밍 소프트웨어가 설치된 프로세서로 구성된다.
본 발명은 전기적 세포-기질 임피던스 센서(ECIS)에 DAQ 보드를 연계하여, 아날로그 영역에서 세포의 임피던스를 측정하고, 저렴한 제조단가로 보급이 가능한 세포의 임피던스 측정 시스템을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 세포가 부착되어 세포의 전기 특성을 측정하는 전기적 세포-기질 임피던스 센서(ECIS)와 연계되어 전기 특성을 아날로그 기반으로 검출하는 세포의 임피던스 측정 시스템에 있어서, 정현파 발생기로부터 발생된 신호를 인가받아 아날로그의 입력 신호로 변환하여 세포가 부착된 ECIS의 전극에 상기 입력 신호를 인가시키는 DAC 채널부와, 상기 DAC 채널부의 입력 신호가 인가됨에 따라 상기 ECIS의 전극으로부터 발생되는 아날로그의 응답 신호를 수신하여 디지털 신호로 변환하는 ADC 채널부를 갖는 DAQ 보드; 및 상기 ADC 채널부로부터 디지털로 변환된 응답 신호를 수신하여 진폭과 위상 특성을 분석하여 세포의 임피던스를 측정하는 프로세서부를 포함하여, 상기 DAQ 보드를 통해 아날로그 영역으로 세포의 임피던스를 측정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 프로세서부는 위상 동기 루프, 믹서 및 저역 통과 필터를 갖는 록 인 증폭기(lock-in amplifier)를 포함하고, 동 위상(in-phase)과 역 위상(out-of-phase)의 포텐셜을 추출하여 임피던스 스펙트럼을 산출하는 소프트웨어로 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 DAC 채널부는 1 Vrms ±0.5 Vrms 범위의 입력 신호를 출력하고, 상기 입력 신호는 최대 진폭을 제한하기 위한 0 초과 1 ㏁ 이하로 설정된 저항을 통과하여 0 초과 1 ㎂ 이하의 전류가 흐르도록 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전기적 세포-기질 임피던스 센서(ECIS)에 DAQ 보드를 연계하여, 아날로그 영역에서 세포의 임피던스를 측정한다. 본 발명은, 세포의 아날로그 응답 특성으로 임피던스 스펙트럼을 분석하며, 실험을 통해 저항, 주파수, 입력 전압 범위를 아날로그 분석에 적합하도록 최적화 하였다. 이에 따라, 본 발명은 기존 수천만원에 이르는 고가의 ECIS 시스템의 제조 단가를 1/10 가까지 저감할 수 있으며, 어플리케이션에 적용되기 위한 휴대성과 비용에 적합한 장점을 갖는다.
도 1은 종래의 전기적 세포-기질 임피던스 센서(ECIS)에 관한 것으로서, 미국 공개특허 제2016-0178605호의 대표도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 세포의 임피던스 측정 시스템의 구성도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 세포의 임피던스 측정 시스템의 회로를 구성으로 개략화하여 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실험례로서, 랩뷰로 정현파 발생기와 프로세서부를 구현하여 세포의 임피던스 측정 시스템을 구성한 구성도와 제작된 세포의 임피던스 측정 시스템의 하드웨어를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실험례로 사용된 ECIS 칩을 도시한 것이다.
도 6은 본 실험례에 따른 배양된 세포의 이미지를 촬영한 모습을 나타낸다.
도 7은 DAQ 보드를 사용하여 저항의 크기(100Ω, 1㏀, 10㏀, 100㏀, 1㏁)에 따라, 10Hz~100kHz의 주파수 범위에서 측정한 임피던스 데이터를 나타낸다.
도 8은 C2C12 세포의 임피던스 크기(a) 및 위상(b)을 나타낸 것으로, 세포의 배양동안 설계한 전기 등가회로 모델을 적용한 피팅 라인과 함께 본 실험의 측정 결과를 나타낸다.
도 9는 C2C12 세포의 표준화된 임피던스 측정(a) 데이터와, 10kHz의 주파수에서 세포 배양 시간에 따른 임피던스 측정(b) 데이터를 나타낸다.
도 10은 임피던스 분석으로 평가된 HEK293 세포의 H2O2 세포 독성 효과 시험 데이터를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 세포의 임피던스 측정 시스템의 구성도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 세포의 임피던스 측정 시스템의 회로를 구성으로 개략화하여 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실험례로서, 랩뷰로 정현파 발생기와 프로세서부를 구현하여 세포의 임피던스 측정 시스템을 구성한 구성도와 제작된 세포의 임피던스 측정 시스템의 하드웨어를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실험례로 사용된 ECIS 칩을 도시한 것이다.
도 6은 본 실험례에 따른 배양된 세포의 이미지를 촬영한 모습을 나타낸다.
도 7은 DAQ 보드를 사용하여 저항의 크기(100Ω, 1㏀, 10㏀, 100㏀, 1㏁)에 따라, 10Hz~100kHz의 주파수 범위에서 측정한 임피던스 데이터를 나타낸다.
도 8은 C2C12 세포의 임피던스 크기(a) 및 위상(b)을 나타낸 것으로, 세포의 배양동안 설계한 전기 등가회로 모델을 적용한 피팅 라인과 함께 본 실험의 측정 결과를 나타낸다.
도 9는 C2C12 세포의 표준화된 임피던스 측정(a) 데이터와, 10kHz의 주파수에서 세포 배양 시간에 따른 임피던스 측정(b) 데이터를 나타낸다.
도 10은 임피던스 분석으로 평가된 HEK293 세포의 H2O2 세포 독성 효과 시험 데이터를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 세포의 임피던스 측정 시스템(1)의 구성도를 도시한 것이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 세포의 임피던스 측정 시스템(1)의 회로를 구성으로 개략화하여 도시한 것이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 세포의 임피던스 측정 시스템(1)은 DAQ 보드(30)와, 프로세서부(50)와, 정현파 발생기(20)와, ECIS(10)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 실시예로, 세포의 임피던스 측정 시스템(1)에 사용되는 ECIS(10)는 Giaever와 Keese가 개발한 ECIS가 사용될 수 있다. ECIS(10)는 미소 전극에 세포(3)가 부착 및 배양될 수 있고, 부착된 세포의 운동성 및 사망률을 형광표지 염색 없이 실시간으로 검출할 수 있는 바이오센서로서 종래의 ECIS가 사용되어도 무방하다.
정현파 발생기(20)는 ECIS(10)의 입력 신호를 생성하며, 생성된 신호는 DAQ 보드(30)로 인가된다. 정현파 발생기(20)는 DAQ 보드(30) 상에 함께 구성되어도 무방하고, 별도의 전력 장치로 제공되어 DAQ 보드(30)와 연계되어도 무방하다. 프로세서부(50)는 DAQ 보드(30)의 응답 신호를 분석하는 소프트웨어가 내장된다. 프로세서부(50)는 DAQ 보드(30) 상에 구현되어도 무방하고, 별도의 포터블 디바이스에 탑재되어도 무방하다. 이하, 본 발명의 특징적인 구성인 DAQ 보드(30)에 대해서 설명한다.
DAQ 보드(30)는 DAC 채널부(301)와 ADC 채널부(303)를 포함하는 하드웨어를 의미한다. DAQ 하드웨어는 반입되는 아날로그 신호를 디지털화하여 컴퓨터가 그 신호를 해독하도록 하는 디바이스 역할을 한다. DAQ 보드(30)는 도시되진 않았으나 컴퓨터 버스를 포함하여, 컴퓨터 또는 별도의 포터블 디바이스 등의 메인보드에 카드처럼 꽂아 사용이 가능하고, 다양한 기기에 인터페이스를 연동시킬 수 있다. DAQ 보드(30)는 세포(3)가 부착되어 세포(3)의 전기 특성을 측정하는 전기적 세포-기질 임피던스 센서(ECIS)(10)와 연계되어 전기 특성을 아날로그 기반으로 검출할 수 있도록 한다.
DAC 채널부(301)는 정현파 발생기(20)로부터 발생된 신호를 인가받아 아날로그의 입력 신호로 변환하여 세포(3)가 부착된 ECIS(10)의 전극에 입력 신호를 인가할 수 있다.
DAC 채널부(301)는 1 Vrms ±0.5 Vrms 범위의 입력 신호를 출력하고, 입력 신호는 최대 진폭을 제한하기 위한 0 초과 1 ㏁ 이하로 설정된 저항을 통과하여 0 초과 1 ㎂ 이하의 전류가 흐르도록 할 수 있다. DAC 채널부(301)의 입력 신호 범위와, 저항의 범위는 실험적으로 선택된 수치이며, 이와 관련 실험례를 통해 후술한다.
ADC 채널부(303)는 DAC 채널부(301)의 입력 신호가 인가됨에 따라 ECIS(10)의 전극으로부터 발생되는 아날로그의 응답 신호를 수신하여 디지털 신호로 변환할 수 있다.
프로세서부(50)는 ADC 채널부(303)로부터 디지털로 변환된 응답 신호를 수신하여 진폭과 위상 특성을 분석하여 세포의 임피던스를 측정할 수 있다.
프로세서부(50)는 위상 동기 루프, 믹서 및 저역 통과 필터를 갖는 록 인 증폭기(lock-in amplifier)를 포함하고, 동 위상(in-phase)과 역 위상(out-of-phase)의 포텐셜을 추출하여 임피던스 스펙트럼을 산출하는 소프트웨어로 구성될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 세포의 임피던스 측정 시스템의 타당성을 검증하기 위하여 수행한 실험례를 설명한다.
본 실험례는 C2C12 세포 성장의 측정 및 DAPI 분석과, H2O2에 노출된 HEK293 세포의 한계 및 MTT 세포의 생존능 분석으로 수행하였다.
도 4는 본 발명의 실험례로서, 랩뷰로 정현파 발생기와 프로세서부를 구현하여 세포의 임피던스 측정 시스템을 구성한 구성도와 제작된 세포의 임피던스 측정 시스템의 하드웨어를 도시한 것이다. 도 5는 본 발명의 실험례로 사용된 ECIS 칩을 도시한 것이다.
본 실험예 사용된 ECIS 칩에 대한 교류 입력 신호는 DAQ 보드(30)의 DAC 채널(301) 및 전류를 제한하는 저항 소자를 통해 전극의 세포(3)에 적용된다. 응답 신호는 DAQ 보드(30)의 ADC 채널(303)에 기록되었으며, 진폭과 위상은 락인 증폭기, 믹서, 저역 통과 필터를 포함한 소프트웨어로 분석되었다. ITO 전극 상의 C2C12 세포 성장에 따른 임피던스 측정과, H2O2에 노출된 HEK293 세포의 비만 세포 생존능 분석을 테스트하였으며 시스템(1)의 타당성은 DAPI 분석에 의해 평가되었다.
본 실험례에 따른 ECIS 칩은 ITO 전극이 사용되었다. ECIS 칩은 75mm x 25mm의 기판 상에 2㎛ 두께의 ITO 전극을 갖는다. 노줄된 작용 전극은 반경이 250㎛인 원형으로 설정되었고, 폴리스티렌 챔버는 실리콘 접착제를 사용하여 전극 칩에 부착되었다.
상기의 ECIS 칩에 C2C12 세포를 배양하여 세포의 성장을 모니터링 하였다. 105 C2C12 세포에 500㎕ 배양 배지(DMEM, 10% 태아 송아지 혈청, 1% 페니실린)를 ITO 미세 전극 상에 접종하고, 5%의 CO2에서 배양하였다. 온도는 세포 성장 동안 37℃로 유지하였으며, C2C12 세포의 임피던스 스펙트럼을 10Hz에서 10kHz의 주파수 범위에서 측정하였다. 세포는 실온에서 20분동안 4% 파라포름알데히드에서 고정시켰고 PBS로 세척하였다. 그 후, 세포를 0.27% Triron X-100을 함유하는 PBS로 온도를 낮추고 DAPI 염색으로 배양하여 PBS로 세척하였다. 도 6은 본 실험례에 따른 배양된 세포의 이미지를 촬영한 모습을 나타낸다. 도 6a는 ITO 전극에서 배양한 C2C12 세포의 배양 시간 별 현미경 사진을 나타내고, 도 6b는 현미경을 통해 촬영된 핵이 염색된 C2C12 세포를 나타낸다.
세포 독성 시험에서 H2O2는 탈 이온수를 제조하고 ITO 전극 상에 배양된 HEK293 세포에 1일간 적용하였다. 세포의 생존능 분석은 임피던스 10kHz에서 H2O2에 노출된 세포의 크기 및 전통적인 MTT와 비교하여 시험하였으며, 450nm 파장에서 흡광도를 측정하여 시험되었다.
본 실험례에 따른 DAQ 보드(30)는 24비트 분해능과 102 kS/s 샘플링으로 임피던스 측정을 수행하였다. DAQ 보드(30)는 DAC 채널(301)에서 1Vrms의 신호가 생성되도록 설정하였으며, 최대 진폭을 제한하기 위하여 1 ㏁의 전류 제한 저항을 통과하여, 전극에 흐르는 전류가 1 ㎂ 이하가 되도록 설정하였다. 응답 잠재력을 측정하기 위하여 DAQ 보드(30)의 ADC 채널(303)에 연결한 후, 프로세서부(50)의 소프트웨어에 의해 록 인 증폭기를 통과한 신호의 동 위상 및 역 위상 포텐셜을 추출하였다.
실험례의 결과, 도 7은 DAQ 보드(30)를 사용하여 저항의 크기(100, 1㏀, 10㏀, 100㏀, 1㏁)에 따라, 10Hz~100kHz의 주파수 범위에서 측정한 임피던스 데이터를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 세포의 임피던스 측정 시스템(1)은 10Hz ~ 10kHz의 주파수 범위에서 100Ω~100㏀의 저항 조건일 때 95% 이상의 정확도를 나타냈다. 도 7에 도시된 바와 같이 본 실험례에 따른 DAQ 보드(30)의 임피던스 측정 시스템에서는 1㏁의 저항에서 임피던스 측정의 정확도가 주파수 범위에 제한적인 것을 확인할 수 있었다.
도 8은 C2C12 세포의 임피던스 크기(a) 및 위상(b)을 나타낸 것으로, 세포의 배양동안 설계한 전기등가회로 모델을 적용한 피팅 라인과 함께 본 실험의 측정 결과를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 측정된 임피던스의 크기와 위상은 등가 회로 모델을 사용하여 피팅된 곡선(Fit)과 일치된 모습을 보이는 것을 확인할 수 있다. 본 실험예서, 100Hz 이하의 낮은 주파수에서 세포 성장에 의한 임피던스 변화는 관찰되지 않았으나, 100Hz 이상으로 주파수 범위가 증가함에 따라, 세포 성장에 의한 위상 및 임피던스의 증가를 확인할 수 있었다. 본 실험례는 측정된 임피던스의 스펙트럼이 피팅 결과와 합치됨을 통해 DAQ 보드(30) 기반의 ECIS 시스템이 정밀하게 작동하며 이론적인 회로 모델로 설명될 수 있음을 확인할 수 있다.
도 9는 C2C12 세포의 표준화된 임피던스 측정(a) 데이터와, 10kHz의 주파수에서 세포 배양 시간에 따른 임피던스 측정(b) 데이터를 나타낸다. 도 9를 참조하면, 실험적으로 유의미한 변곡은 주파수가 10kHz일 때 관찰되었다. 측정된 임피던스는 주파수가 10kHz 인 경우 전형적인 세포 성장의 S자형 곡선을 나타냈다. 세포 포화 후 전극의 제한된 영역에서는 세포 성장에 따라 그 값이 증가하지 않았다.
도 10은 임피던스 분석으로 평가된 HEK293 세포의 H2O2 세포 독성 효과 생존성 시험 데이터를 나타낸다. 도 10은 H2O2의 농도가 0, 0.5, 1, 1.5, 2mM일 때, n=4인 경우의 MTT(a)와 n=3인 경우의 임피던스(b) 측정 데이터를 나타낸다.
도 10을 참조하면, MTT와 임피던스 측정 데이터 모두에서 H2O2의 농도가 증가될수록 세포의 생존력이 감소되는 것을 확인할 수 있다.
이상에서의 실험으로, 본 실시예에 따른 세포의 임피던스 측정 시스템(1)은 기존의 임피던스 평가 모델의 이론으로 그 성능이 검증되면서 DAQ 보드(30)를 사용하여 저렴한 제조단가와 뛰어난 보급성이 가능한 시스템으로 구현이 가능함을 확인할 수 있었다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
1: 세포의 임피던스 측정 시스템
3: 세포
10: ECIS
20: 정현파 발생기
30: DAQ 보드
50: 프로세서부
3: 세포
10: ECIS
20: 정현파 발생기
30: DAQ 보드
50: 프로세서부
Claims (3)
- 세포가 부착되어 세포의 전기 특성을 측정하는 전기적 세포-기질 임피던스 센서(ECIS)와 연계되어 전기 특성을 아날로그 기반으로 검출하는 세포의 임피던스 측정 시스템에 있어서,
정현파 발생기로부터 발생된 신호를 인가받아 아날로그의 입력 신호로 변환하여 세포가 부착된 ECIS의 전극에 상기 입력 신호를 인가시키는 DAC 채널부와,
상기 DAC 채널부의 입력 신호가 인가됨에 따라 상기 ECIS의 전극으로부터 발생되는 아날로그의 응답 신호를 수신하여 디지털 신호로 변환하는 ADC 채널부를 갖는 DAQ 보드; 및
상기 ADC 채널부로부터 디지털로 변환된 응답 신호를 수신하여 진폭과 위상 특성을 분석하여 세포의 임피던스를 측정하는 프로세서부를 포함하여,
상기 DAQ 보드를 통해 아날로그 영역으로 세포의 임피던스를 측정하는 것을 특징으로 하는 세포의 임피던스 측정 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 프로세서부는,
위상 동기 루프, 믹서 및 저역 통과 필터를 갖는 록 인 증폭기(lock-in amplifier)를 포함하고, 동 위상(in-phase)과 역 위상(out-of-phase)의 포텐셜을 추출하여 임피던스 스펙트럼을 산출하는 소프트웨어로 구성된 것을 특징으로 하는 세포의 임피던스 측정 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 DAC 채널부는,
1 Vrms ±0.5 Vrms 범위의 입력 신호를 출력하고, 상기 입력 신호는 최대 진폭을 제한하기 위한 0 초과 1 ㏁ 이하로 설정된 저항을 통과하여 0 초과 1 ㎂ 이하의 전류가 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 세포의 임피던스 측정 시스템.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170152837A KR102131217B1 (ko) | 2017-11-16 | 2017-11-16 | Daq 보드 기반의 세포 임피던스 측정 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170152837A KR102131217B1 (ko) | 2017-11-16 | 2017-11-16 | Daq 보드 기반의 세포 임피던스 측정 시스템 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20190055948A true KR20190055948A (ko) | 2019-05-24 |
| KR102131217B1 KR102131217B1 (ko) | 2020-07-07 |
Family
ID=66680410
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020170152837A KR102131217B1 (ko) | 2017-11-16 | 2017-11-16 | Daq 보드 기반의 세포 임피던스 측정 시스템 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102131217B1 (ko) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100448840B1 (ko) * | 2003-07-31 | 2004-09-18 | 주식회사 엘리코파워 | 2차 전지 테스트용 다채널 임피던스 측정 장치 |
| KR20100021964A (ko) * | 2008-08-18 | 2010-02-26 | 숭실대학교산학협력단 | 디지털 록인 앰프를 이용한 대용량 전기화학기기의 임피던스 측정 방법 및 측정 장치 |
| KR101609102B1 (ko) * | 2015-08-17 | 2016-04-05 | 중앙대학교 산학협력단 | 세포 전이 검출키트 및 이를 이용한 세포 전이 검출방법 |
| US20160178605A1 (en) | 2015-03-03 | 2016-06-23 | Mohammad Abdolahad | Electrical Cell-substrate Impedance Sensor (ECIS) |
| WO2016158897A1 (ja) * | 2015-03-30 | 2016-10-06 | テルモ株式会社 | 細胞のシート形成能の評価方法 |
-
2017
- 2017-11-16 KR KR1020170152837A patent/KR102131217B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100448840B1 (ko) * | 2003-07-31 | 2004-09-18 | 주식회사 엘리코파워 | 2차 전지 테스트용 다채널 임피던스 측정 장치 |
| KR20100021964A (ko) * | 2008-08-18 | 2010-02-26 | 숭실대학교산학협력단 | 디지털 록인 앰프를 이용한 대용량 전기화학기기의 임피던스 측정 방법 및 측정 장치 |
| US20160178605A1 (en) | 2015-03-03 | 2016-06-23 | Mohammad Abdolahad | Electrical Cell-substrate Impedance Sensor (ECIS) |
| WO2016158897A1 (ja) * | 2015-03-30 | 2016-10-06 | テルモ株式会社 | 細胞のシート形成能の評価方法 |
| KR101609102B1 (ko) * | 2015-08-17 | 2016-04-05 | 중앙대학교 산학협력단 | 세포 전이 검출키트 및 이를 이용한 세포 전이 검출방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102131217B1 (ko) | 2020-07-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Stupin et al. | Bioimpedance spectroscopy: basics and applications | |
| Wang et al. | White blood cell counting on smartphone paper electrochemical sensor | |
| US6051422A (en) | Hybrid biosensors | |
| Pruna et al. | A low-cost and miniaturized potentiostat for sensing of biomolecular species such as TNF-α by electrochemical impedance spectroscopy | |
| Prakash et al. | Tracking cancer cell proliferation on a CMOS capacitance sensor chip | |
| Zhang et al. | Distinguishing skin cancer cells and normal cells using electrical impedance spectroscopy | |
| Anh-Nguyen et al. | An impedance biosensor for monitoring cancer cell attachment, spreading and drug-induced apoptosis | |
| Palaparthy et al. | E-nose: Multichannel analog signal conditioning circuit with pattern recognition for explosive sensing | |
| Jiang et al. | An audio jack-based electrochemical impedance spectroscopy sensor for point-of-care diagnostics | |
| Carminati et al. | Femtoampere integrated current preamplifier for low noise and wide bandwidth electrochemistry with nanoelectrodes | |
| Park et al. | DAQ based impedance measurement system for low cost and portable electrical cell-substrate impedance sensing | |
| Wang et al. | An integrated microsystem with dielectrophoresis enrichment and impedance detection for detection of Escherichia coli | |
| CN105425025B (zh) | 一种高精度多量程微弱电流检测系统 | |
| Su et al. | Integrated multifunctional cell-based biosensor system for monitoring extracellular acidification and cellular growth | |
| US11346805B2 (en) | Handheld electrochemical sensing platform | |
| Sherif et al. | Integration of tri-polar microelectrodes for performance enhancement of an impedance biosensor | |
| Hu et al. | Comparison between ECIS and LAPS for establishing a cardiomyocyte-based biosensor | |
| KR102131217B1 (ko) | Daq 보드 기반의 세포 임피던스 측정 시스템 | |
| Cho et al. | Impedance monitoring of herpes simplex virus-induced cytopathic effect in Vero cells | |
| Hedayatipour et al. | CMOS integrated impedance to frequency converter for biomedical applications | |
| KR102221525B1 (ko) | 향상된 측정 범위를 갖는 전기적 세포-기질 임피던스 측정 시스템 | |
| Wang et al. | Spatio-temporally resolved measurement of quantal exocytosis from single cells using microelectrode array modified with poly L-lysine and poly dopamine | |
| Rosu-Hamzescu et al. | High Performance Low Cost Impedance Spectrometer for Biosensing | |
| Shokrekhodaei et al. | Signal processing of amperometric biosensors for emerging blood glucose measurement/monitoring | |
| He et al. | A digital phase-sensitive detector for electrical impedance tomography |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20171116 |
|
| A201 | Request for examination | ||
| PA0201 | Request for examination |
Patent event code: PA02012R01D Patent event date: 20181008 Comment text: Request for Examination of Application Patent event code: PA02011R01I Patent event date: 20171116 Comment text: Patent Application |
|
| PG1501 | Laying open of application | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20191214 Patent event code: PE09021S01D |
|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| PE0701 | Decision of registration |
Patent event code: PE07011S01D Comment text: Decision to Grant Registration Patent event date: 20200624 |
|
| GRNT | Written decision to grant | ||
| PR0701 | Registration of establishment |
Comment text: Registration of Establishment Patent event date: 20200701 Patent event code: PR07011E01D |
|
| PR1002 | Payment of registration fee |
Payment date: 20200702 End annual number: 3 Start annual number: 1 |
|
| PG1601 | Publication of registration | ||
| PR1001 | Payment of annual fee |
Payment date: 20230502 Start annual number: 4 End annual number: 4 |