專利名稱：一種提高電阻抗檢測裝置的電阻抗檢測靈敏度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高電阻抗檢測裝置的電阻抗檢測靈敏度的方法，特別涉及一種提高包括電阻抗傳感器件和電信號發(fā)生模塊在內(nèi)的電阻抗檢測裝置的電阻抗檢測靈敏度的方法，以及檢測生物樣品的電阻抗的方法。
背景技術(shù)：
細(xì)胞由細(xì)胞內(nèi)部的原生質(zhì)和包圍在細(xì)胞外部的細(xì)胞膜構(gòu)成。在電場中，細(xì)胞會對電場的傳播產(chǎn)生一定的阻礙作用，而這種阻礙作用反映了細(xì)胞的一些生理特性，因而針對監(jiān)測細(xì)胞對電場的阻礙作用所形成的細(xì)胞阻抗而間接對細(xì)胞生理特性進行檢測成為了對細(xì)胞等生物樣品進行檢測一個重要方法(A.Sapper，B.Reiss，A.Janshoff and J.Wegener，Langmuir，2006，22，676-680.)。
細(xì)胞電阻抗主要由器件上電極與溶液界面以及溶液中的離子環(huán)境決定，同時也由細(xì)胞在電極上的貼附狀態(tài)決定，例如當(dāng)細(xì)胞在電極上伸展的時候，與電極的接觸面積增大，這時阻抗值便會上升；反之，當(dāng)細(xì)胞死亡的時候阻抗則會降低。當(dāng)細(xì)胞的狀態(tài)，例如細(xì)胞的形態(tài)、繁殖能力、貼附狀態(tài)等發(fā)生變化的時候，阻抗值也會相應(yīng)的發(fā)生變化，已經(jīng)有實驗證明阻抗測量的方法比一些常用的生化方法更為靈敏。
在進行細(xì)胞阻抗檢測時，需要在進行細(xì)胞培養(yǎng)的腔體中實現(xiàn)加工用以施加電場的電極，然后在器件中進行細(xì)胞培養(yǎng)，在培養(yǎng)過程中用專用的儀器設(shè)備通過電極施加微弱的交流電信號，并檢測器件阻抗的變化，以期達到檢測細(xì)胞生理狀況的目的。細(xì)胞等生物樣品所產(chǎn)生的對電流的阻礙作用往往是非常微弱的，因而如何提高器件和檢測儀器的靈敏度，以期提高整個檢測系統(tǒng)的檢測靈敏度成為一個非常重要的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種提高包括電阻抗傳感器件和電信號發(fā)生模塊在內(nèi)的電阻抗檢測裝置的電阻抗檢測靈敏度的方法，以及檢測生物樣品的電阻抗的方法。
本發(fā)明所提供的提高包括電阻抗傳感器件和電信號發(fā)生模塊在內(nèi)的電阻抗檢測裝置的電阻抗檢測靈敏度的方法，是在常規(guī)檢測方法的基礎(chǔ)上選用電極單元總長度和單條電極單元面積的乘積盡可能小的電阻抗傳感器件檢測生物樣品的電阻抗；所述電極單元的總長度等于單條電極單元的總長度乘以電極單元的條數(shù)，所述單條電極單元的總長度為所述單條電極單元長度的2倍；所述單條電極單元的面積等于所述單條電極單元的長度乘以所述單條電極單元的寬度。
本發(fā)明所提供的檢測生物樣品的電阻抗的方法，是利用包括電阻抗傳感器件和電信號發(fā)生模塊在內(nèi)的電阻抗檢測裝置檢測生物樣品的電阻抗，其中，選用電極單元總長度和單條電極單元面積的乘積盡可能小的電阻抗傳感器件檢測生物樣品的電阻抗；所述電極單元的總長度等于單條電極單元的總長度乘以電極單元的條數(shù)，所述單條電極單元的總長度為所述單條電極單元長度的2倍；所述單條電極單元的面積等于所述單條電極單元的長度乘以所述單條電極單元的寬度。
實驗證明，電阻抗傳感器件的靈敏度與電極單元總長度和單條電極單元面積的乘積成反比，所以，為了提高電阻抗檢測的靈敏度，應(yīng)選用電極單元總長度和單條電極單元面積的乘積盡可能小的電阻抗傳感器件來檢測生物樣品的電阻抗。
為了獲得更高的電阻抗檢測靈敏度，所述方法中，還選用電信號頻率為10-40kHz的電信號發(fā)生模塊檢測生物樣品的電阻抗。
實驗證明，電信號發(fā)生模塊的電信號頻率為10-40kHz時，電阻抗傳感器件的靈敏度最高。
所述電阻抗傳感器件可為插指類型的電阻抗傳感器件。所述插指類型的電阻抗傳感器件包含兩個或兩個以上的電極，每個電極包含一個或一個以上的單條電極單元(插指單元)，形成陣列。
所述單條電極單元的寬度越小越好，如可為10μm至100μm。
所述電阻抗檢測裝置包括一個或一個以上的細(xì)胞培養(yǎng)腔體以及外圍測量電路。如，所述包括電阻抗傳感器件和電信號發(fā)生模塊在內(nèi)的電阻抗檢測裝置，由電阻抗測量儀器和電阻抗檢測器件組成；所述電阻抗測量儀器包含所述電信號發(fā)生模塊、限流電阻、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)字控制模塊，所述電阻抗檢測器件包括生物樣品檢測溶液體系和所述電阻抗傳感器件。
該方法，可用于提高各種生物樣品的電阻抗檢測靈敏度，如細(xì)胞和生物分子(如核酸、蛋白質(zhì)、多糖等)。
所述電阻抗檢測的細(xì)胞生理行為包括細(xì)胞增殖，細(xì)胞凋亡，細(xì)胞分化，細(xì)胞遷移，細(xì)胞微運動以及細(xì)胞貼附等。
本發(fā)明通過對電阻抗傳感器件的電極結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計和對測量儀器的測量頻率的合理選擇來提高電阻抗傳感測量的靈敏度。
本發(fā)明為實現(xiàn)對化學(xué)和包括細(xì)胞在內(nèi)的生物樣品進行檢測，針對器件，主要是通過對電阻抗傳感器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理配置，對于測量儀器主要是針對其發(fā)出的電信號的信號頻率的合理選擇，來提高檢測系統(tǒng)的靈敏度。本發(fā)明首先利用等效電路模型對細(xì)胞電阻抗傳感器件進行模型化，通過等效電路模型計算合理配置器件結(jié)構(gòu)參數(shù)來提高其檢測靈敏度；在檢測過程中需要儀器對器件施加一定的交流電信號，本發(fā)明通過對所施加的電信號的頻率進行適當(dāng)?shù)倪x擇，來提高系統(tǒng)整體檢測靈敏度。
本發(fā)明包括了一種通過對細(xì)胞電阻抗傳感器件的電極結(jié)構(gòu)進行參數(shù)優(yōu)化來提高器件測量靈敏度的方法，該方法包括了一種對該器件建立等效電路模型的方法，該模型包含有(和無)細(xì)胞貼附在器件表面時的等效電路部分，該方法的特點在于利用該模型進行了對靈敏度特性進行了充分的描述和分析，并且得出了能夠被實驗驗證的規(guī)律和結(jié)論。利用此方法，可以設(shè)計出更為靈敏的傳感器器件。
本發(fā)明還包括了一種根據(jù)器件的頻率特性來對測量儀器所產(chǎn)生的交流電信號的頻率進行合理選擇，以優(yōu)化儀器的測量靈敏度的方法，經(jīng)過實驗驗證，對于插指電極類型的傳感器件，最為適合的傳感頻率的范圍為10kHz到40kHz。


圖1為包括電阻抗傳感器件和電信號發(fā)生模塊在內(nèi)的電阻抗測量裝置的示意2為沒有細(xì)胞貼附生長的電阻抗傳感器件的等效電路模型圖3A是當(dāng)細(xì)胞在電阻抗傳感器件表面培養(yǎng)時，在測量頻率下都適用的等效電路模型圖3B是當(dāng)細(xì)胞在電阻抗傳感器件表面培養(yǎng)時，在較低頻率下的等效電路3C是當(dāng)細(xì)胞在電阻抗傳感器件表面培養(yǎng)時在較高頻率下的等效電路4為插指陣列類型的電阻抗傳感器件的結(jié)構(gòu)示意5A和圖5B為具有不同寬度的電極的兩個傳感器件的示意6中展示的是具有不同電極單元總長度的兩個器件的示意7為驗證電極單元的條數(shù)N對器件靈敏度影響的實驗結(jié)果圖8為驗證兩個相鄰單條電極單元之間的距離D對電阻抗傳感器件145靈敏度影響的實驗結(jié)果。
圖9為驗證單條電極單元的寬度W對電阻抗傳感器件靈敏度影響的實驗結(jié)果。
圖10為在實際細(xì)胞培養(yǎng)過程中，細(xì)胞和單條電極單元位置關(guān)系的四種情況示意11為實驗測量的電阻抗傳感器件靈敏度與有效單條電極單元寬度成反比的實驗結(jié)果圖12為進行歸一化后的阻抗數(shù)據(jù)隨著細(xì)胞增殖其阻抗值的變化曲線圖13為測量系統(tǒng)靈敏度頻率特性的曲線圖14為設(shè)計細(xì)胞阻抗傳感器器件的流程15為利用專利中所提及的方法測量器件阻抗的流程圖
具體實施例方式
下面僅以提高細(xì)胞電阻抗檢測靈敏度的方法為例，對本發(fā)明進行詳細(xì)敘述，對于提高化學(xué)樣品電阻抗檢測靈敏度的方法，與提高細(xì)胞電阻抗檢測靈敏度的方法相同。
用于測量細(xì)胞和/或生物分子的電阻抗測量裝置，包括基底上有電阻抗傳感器件的細(xì)胞培養(yǎng)腔體和用以施加交流電信號的控制電路。細(xì)胞培養(yǎng)腔體中的電阻抗傳感器件浸沒在細(xì)胞培養(yǎng)腔體中的細(xì)胞培養(yǎng)基中。在細(xì)胞培養(yǎng)腔體中的電阻抗傳感器件連接了測量電路中的限流電阻，并被施加一個微弱的交流電信號。
在一個具體的例子中，包括電阻抗傳感器件和電信號發(fā)生模塊在內(nèi)的電阻抗測量裝置的示意圖如圖1所示，在圖中，虛線之內(nèi)是電阻抗測量儀器110的簡圖，用以檢測由于細(xì)胞的生理狀況改變帶來的對電阻抗的變化；虛線之外是電阻抗檢測器件105的示意圖，器件包括了進行細(xì)胞培養(yǎng)和進行電檢測的單元，例如進行電檢測的電極陣列。
電阻抗測量儀器110包含了一個電信號發(fā)生模塊115(例如商品化的LCR meter阻抗分析儀器)，限流電阻120(例如精密電阻)、一個數(shù)據(jù)采集模塊125(例如計算機配合數(shù)據(jù)采集卡)以及一個數(shù)字控制模塊130(例如電子計算機)。電信號發(fā)生模塊115可以產(chǎn)生不同頻率的交流電信號155用以細(xì)胞電阻抗傳感，數(shù)據(jù)采集模塊125用以采集細(xì)胞電阻抗傳感器件兩端的電壓信號以及該細(xì)胞電阻抗傳感器件與限流電阻120串聯(lián)電路兩端的電壓信號之用。數(shù)字控制模塊130可以用以改變信號發(fā)生模塊115所產(chǎn)生的交流信號的頻率和電壓，數(shù)據(jù)采集模塊125的采樣頻率，控制自動化數(shù)據(jù)采集的時序，存儲采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)實時顯示以及進一步分析處理等。
電阻抗檢測器件105包括了細(xì)胞培養(yǎng)基底(即腔體的底壁)135，細(xì)胞培養(yǎng)溶液體系140和電極陣列(即電阻抗傳感器件)145。電極陣列145浸泡在細(xì)胞培養(yǎng)溶液體系140中，電極陣列145常常采用插指電極陣列的形式，在進行傳感測量的時候，在電極陣列上面會施加以一定的交流電信號。在進行細(xì)胞培養(yǎng)的時候，細(xì)胞150會在電極陣列145上面生長，繁殖。這些細(xì)胞包括HeLa，HepG2，NIH-3T3，VERO等哺乳動物細(xì)胞。電阻抗檢測器件105的腔體部分可以用生物相容性好的物質(zhì)，例如玻璃、塑料以及高分子聚合物等來制造，細(xì)胞培養(yǎng)溶液體系140中包含有細(xì)胞生長所需要的蛋白質(zhì)、氨基酸、糖、無機鹽等物質(zhì)?？梢员粰z測的細(xì)胞生理行為包括細(xì)胞增殖，細(xì)胞凋亡，細(xì)胞分化，細(xì)胞遷移，細(xì)胞微運動以及細(xì)胞貼附等等。其中，電阻抗傳感器件145的輸出端口與數(shù)據(jù)采集模塊125相連。
在對電阻抗傳感器件145進行理論分析之前，需要對其進行模型化，圖2便展示了沒有細(xì)胞貼附生長的電阻抗傳感器件145的等效電路模型，是一個界面電容CI205與溶液電阻RS210串連的模型，其阻抗為Zcell-free-total(f)。電阻抗傳感器件145的阻抗將主要由界面電容和溶液電阻組成。
在電阻抗檢測器件105中有細(xì)胞培養(yǎng)的情況下，器件的阻抗不僅和器件本身的阻抗有關(guān)，還體現(xiàn)了細(xì)胞的阻抗成分，包括容性成分和阻性成分兩部分。容性成分包含了細(xì)胞本身阻礙電流流動的容抗以及細(xì)胞與基質(zhì)之間的容抗；阻性成分包括細(xì)胞之間溶液的阻抗以及細(xì)胞與基質(zhì)之間的阻抗。圖3A-C展示了當(dāng)細(xì)胞在電阻抗傳感器件145表面培養(yǎng)時，電阻抗傳感器件145的等效電路，其中圖3A是在測量頻率下都適用的等效電路模型，圖3B是在較低頻率下的等效電路圖，圖3C是在較高頻率下的等效電路圖。細(xì)胞具有絕緣特性的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，其容性由電容參數(shù)Ccell320表示，細(xì)胞之間填充著有著一定電導(dǎo)率的細(xì)胞培養(yǎng)基，形成的阻抗由電阻參數(shù)Rcell310表示，細(xì)胞與電阻抗傳感器件145的基質(zhì)之間有著一定的間隙，其中填充著溶液，其電阻成分由Rgap305來表示，其電容成分由參數(shù)Cgap315來表示。在較低頻率下，電容成分的阻抗將會占有主導(dǎo)地位，因而其等效電路可以由如圖3B所示的簡化，以利于模型簡化；相似，在高頻下，電阻成分會占有主導(dǎo)地位，因而其等效電路可以簡化為圖3C。
在細(xì)胞增殖過程中，電阻抗傳感器件145的阻抗信號會逐漸增長，由細(xì)胞沒有貼附生長時的Zcell-free-total(f)變化為細(xì)胞生長到飽和期時阻抗的最大值Zcell-covered-total(f)，在這個過程中，器件阻抗的變化為Zcell-covered-totall(f)-Zcell-free-total(f)，細(xì)胞密度的變化為Qcell。器件的靈敏度可以定義為單位細(xì)胞密度變化下，器件阻抗的變化，即如公式1所示Sensitivity(f)=|Zcell-covered-total(f)|-|Zcell-free-total(f)|Qcell---(1)]]>插指陣列類型的電阻抗傳感器件是相似器件中最為常用的一種，因而這里分析的主要是這種類型的傳感器件，其典型的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。傳感器400由兩個測量電極403和405構(gòu)成，兩個電極組成了插指陣列的組成結(jié)構(gòu)410。對電極的局部放大420所示，每一個插指單元(即單條電極單元)415相互交叉并與兩個電極403或405相連接。單條電極單元(即插指單元)415的寬度是W425，相鄰兩個單條電極單元(即插指單元)415之間的距離為D430，電極單元的總面積為Atotal，電極單元的總面積為Atotal等于單條電極單元的面積乘以電極單元的條數(shù)N，單條電極單元的面積等于單條電極單元的長度(L)乘以單條電極單元的寬度W。電極單元的總長度為Ltotal，電極單元的總長度Ltotal等于單條電極單元(即插指單元)415的總長度2L(因單條電極單元的寬度(W)相對于單條電極單元的長度(L)可以忽略不計，所以將單條電極單元的周長計為2L)乘以電極單元的條數(shù)N。單條電極單元寬度的范圍在10μm到100μm之間，例如20μm，40μm，和80μm。電極結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化以利于器件靈敏度的提高主要是指，基于這些參數(shù)與靈敏度之間的關(guān)系，對電極參數(shù)W、D和Ltotal的優(yōu)化。
根據(jù)以上分析和等效電路模型，由細(xì)胞沒有貼附生長時的器件阻抗Zcell-free-total如公式2所示，而細(xì)胞在器件上生長后阻抗Zcell-covered-total如公式3所示。
Zcell-free-total(f)=2RS+2(j2πfCI)-1N=2RS+2(j2πfCI)-1Ltotal/2L---(2)]]>Zcell-covered-total(f)=2RS+2(j2πfCI)-1+2(Rcell×(j2πfCcell)-1Rcell+(j2πfCcell)-1+Rgap×(j2πfCgap)-1RgapI+(j2πfCgap)-1)N]]>=2RS+2(j2πfCI)-1+2(Rcell×(j2πfCcell)-1Rcell+(j2πfCcell)-1+Rgap×(j2πfCgap)-1RgapI+(j2πfCgap)-1)Ltotal/2L---(3)]]>在等效電路模型公式中，界面電容CI205由自由介電常數(shù)ε0、有效介電常數(shù)ερ、單個電極單元的面積A以及界面雙電層的厚度ddl決定，如公式4所示；溶液電阻RS210由溶液電導(dǎo)率ρ、單個電極單元的面積A決定，如公式5所示，其中K為比例系數(shù)。j是虛數(shù)單位，f是交流電信號的頻率。
CI=ϵ0ϵρAddl---(4)]]>RS=ρKπA---(5)]]>其他的電路參數(shù)與電極參數(shù)的關(guān)系如公式6所示，其中比例系數(shù)K1，K2，K3，和K4是一些經(jīng)驗參數(shù)，可以由實驗測定，例如對于下文的實驗中所使用的HeLa細(xì)胞和測量器件，所測得的K1和K2約為85ohm.mm2和48ohm.mm2，K3和K4約為60nF/mm2和6nF/mm2。
Rcell＝K1A-1；Rgap＝KzA-1；Ccell＝K3A；Cgap＝K4A(6)因而，Zcell-free-total和Zcell-covered-total可以分別表示為公式7和公式8，Ltotal和L、N的關(guān)系如圖9所示。
Zcell-free-total(f)=2(ρKπ+(jπfϵ0ϵρddl)-1)A.N=2(ρKπ+(jπfϵ0ϵρddl)-1)A.Ltotal/2L---(7)]]>Zcell-covered-total(f)=2(ρKπ+(jπfϵ0ϵρddl)-1)+2(K1×(j2πfK3)-1K1+(j2πfK3)-1+K2×(j2πfK4)-1K2+(j2πfK4)-1)A.N]]>=2(ρKπ+(jπfϵ0ϵρddl)-1)+2(K1×(j2πfK3)-1K1+(j2πfK3)-1+K2×(j2πfK4)-1K2+(j2πfK4)-1)A.Ltotal/2L---(8)]]>Ltotal＝2LN (9)從公式7和公式8中可以看出，Zcell-free-total(f)和Zcell-coverd-total(f)都與電極單元總長度Ltotal以及單條電極單元面積A成反比，因而理論上器件的靈敏度應(yīng)與電極單元總長度Ltotal(或電極單元條數(shù)N)以及單條電極單元面積A成反比，當(dāng)電極單元總長度固定時，靈敏度與單條電極單元寬度成反比，與相鄰的兩個單條電極單元之間的距離D無關(guān)。
圖5A和圖5B展示了具有不同寬度的單條電極單元的兩個傳感器件的示意圖，圖5B中的器件單條電極單元寬度是5A中單條電極單元寬度的兩倍。圖5A中有兩個電極，分別是505和510，圖5B中是520和525，圖5A和圖5B的等效電路分別為515和530。在圖5A和5B中，電阻為Rcell310和Rgap305之和，電容元素為Ccell320和Cgap315之和。圖5A中有7個電阻電容組合電路的并聯(lián)，因而總阻抗為單個并聯(lián)電路的1/7；而圖5B中有14個這樣的電阻電容組合電路的并聯(lián)，因而總阻抗為單個并聯(lián)電路的1/14。從中可以看出，總的電阻抗傳感器件阻抗隨著單條電極單元寬度增加而成倍減小，同樣，靈敏度也成倍減小，與上述公式吻合。
圖6展示了另外一個例子，圖6中展示的是具有不同電極單元總長度Ltotal的兩個器件的示意圖，在器件610中的電極單元條數(shù)是605中條數(shù)的兩倍，圖中電阻為Rcell310和Rgap305之和，電容元素為Ccell320和Cgap315之和。在圖605中，電阻與電容并聯(lián)總阻抗為單個電阻電容并聯(lián)電路阻抗的1/6，而圖610中則為單個電阻電容并聯(lián)電路阻抗的1/12，因而總的器件阻抗隨著電極總長度的增加而成倍減小，同樣，靈敏度也成倍減小，與上述公式吻合。
為了證明上述結(jié)論的可靠性，進行了實驗驗證。
實施例1、電阻抗傳感器件的靈敏度與Ltotal成正比該實驗采用的電阻抗測量裝置的示意圖如圖1所示。其中，電阻抗測量儀器110(購自博奧生物有限公司)，由一個內(nèi)置于計算機的信號發(fā)生卡作為產(chǎn)生電信號的模塊115，該信號發(fā)生卡為HP 4192A LCR meter(Hewlett Packard，Palo Alto，CA)；由精密電阻作為限流電阻120、由一個計算機配合數(shù)據(jù)采集卡作為數(shù)據(jù)采集模塊125，由電子計算機作為數(shù)字控制模塊130。其中，產(chǎn)生電信號的模塊115的頻率為全頻率，即0-250kHZ。
電阻抗檢測器件105由玻璃作為細(xì)胞培養(yǎng)基底135，由DMEM高糖+10％胎牛血清作為細(xì)胞培養(yǎng)溶液體系140，和由電極陣列(購自博奧生物有限公司)作為電阻抗傳感器件145。電阻抗檢測器件105的腔體部分用玻璃制造。選擇的電極陣列的單條電極單元寬度W和相鄰的兩條單條電極單元之間的距離D均為20μm，而電極單元的條數(shù)N(N分別為40，80或160)。W、D和N的具體組合方式如圖7所示。
其中，細(xì)胞150選擇HeLa細(xì)胞。所測得的細(xì)胞密度變化Qcell為3×105個/mL。
該實驗設(shè)6次重復(fù)。實驗結(jié)果如圖7所示，在全頻率(0-250kHZ)下，電阻抗傳感器件145的測量靈敏度與N成反比，根據(jù)公式9，在單條電極單元長度不變的前提下，靈敏度與Ltotal成正比。
實施例2、電阻抗傳感器件的靈敏度與相鄰的兩條單條電極單元之間的距離無關(guān)為了驗證電阻抗傳感器件靈敏度與相鄰的兩條單條電極單元之間的距離無關(guān)，采用了單條電極單元寬度W相同，電極單元條數(shù)N相同，但是相鄰的兩條單條電極單元之間的距離D不同的電阻抗傳感器件，檢測這些電阻抗傳感器件的靈敏度。除電極陣列外，該實驗采用的電阻抗測量裝置的其它組成元件同實施例1，其中的細(xì)胞150也選擇HeLa細(xì)胞。選擇的電極陣列的單條電極單元寬度W分別為20μm、40μm或80μm，相鄰的兩條單條電極單元之間的距離D分別為20μm、40μm或80μm，電極單元的條數(shù)N為30)，W、D和N的具體組合方式如圖8所示。
該實驗設(shè)6次重復(fù)。實驗結(jié)果如圖8所示，正如理論預(yù)測的那樣，電阻抗傳感器件的靈敏度與相鄰的兩條單條電極單元之間的距離D無關(guān)。
實施例3、電阻抗傳感器件的靈敏度與單條電極單元寬度成反比為了驗證電阻抗傳感器件靈敏度與單條電極單元寬度成反比，采用了電極單元條數(shù)N相同、相鄰的兩條單條電極單元之間的距離D相同、但單條電極單元寬度W不同的電阻抗傳感器件，檢測這些電阻抗傳感器件的靈敏度。
除電極陣列外，該實驗采用的電阻抗測量裝置的其它組成元件同實施例1，其中的細(xì)胞150也選擇HeLa細(xì)胞。電極陣列的W、D和N的具體組合方式如圖9所示。
該實驗設(shè)6次重復(fù)。在實驗中，電極單元條數(shù)N和相鄰的兩條單條電極單元之間的距離D保持不變，改變單條電極單元寬度W，實驗發(fā)現(xiàn)，隨著W的減小，靈敏度有顯著增加，但是由于電場的非均勻特性，兩者并不是嚴(yán)格的反比例關(guān)系，對于這個原因的解釋具體如下。
圖10展示了在實際細(xì)胞培養(yǎng)過程中，細(xì)胞和單條電極單元位置關(guān)系的四種情況細(xì)胞全部貼附于單條電極單元上，細(xì)胞全部處于單條電極單元外，細(xì)胞處在單條電極單元邊緣并且有超過一半的面積在單條電極單元上，細(xì)胞處在單條電極單元邊緣并且有小于一半的面積在單條電極單元上。由于電荷在單條電極單元邊緣的積累，單條電極單元邊緣的電場強度往往要高于單條電極單元中心，因而對于相同的細(xì)胞面積，位于單條電極單元邊緣的細(xì)胞對電場的阻礙作用會強于處于電極中心的細(xì)胞，因而可以假設(shè)處于單條電極單元邊緣并且有超過一半的面積在單條電極單元上的細(xì)胞對單條電極單元的阻礙作用和全部貼附在單條電極單元上的細(xì)胞相同，而處在單條電極單元邊緣并且有小于一半的面積在單條電極單元上細(xì)胞與單條電極單元外的細(xì)胞一樣，對電流毫無阻礙作用，因而，單條電極單元的有效寬度(Weff)將會按照公式10所示的被擴展，其中rcell為細(xì)胞的半徑，單條電極單元的有效面積(Aeff)如公式11所示。
Weff＝W+2rcell(10)Aeff＝Weff×L (11)對于上述結(jié)果，進行了實驗驗證，針對HeLa細(xì)胞，其細(xì)胞半徑約為9.5μm，該實驗采用的電極寬度分別為20μm，40μm和80μm的電極，其有效寬度分別為39μm(20+2*9.5)，59μm(40+2*9.5)和99μm(80+2*9.5)，依照上述關(guān)系，實驗測量的電阻抗傳感器件的靈敏度與有效電極寬度成反比，如圖11所示。
因此，針對于非均勻電場的情況，在等效電路模型中應(yīng)選擇有效電極寬度(Weff)代替電極寬度(W)，以獲取正確的優(yōu)化效果。
實施例4、電阻抗數(shù)據(jù)隨著細(xì)胞增殖其阻抗值的變化曲線利用實施例1的電阻抗測量裝置進行檢測。其中，選擇的電極陣列的單條電極單元寬度W和相鄰的兩條單條電極單元之間的距離D均為20μm，電極單元的條數(shù)N為40。具體檢測方法如下清洗電極陣列，將電極陣列浸泡在細(xì)胞培養(yǎng)溶液體系中，測量沒有細(xì)胞貼壁生長時的阻抗曲線，接種HeLa細(xì)胞，測量細(xì)胞生長34小時內(nèi)每隔兩個小時的阻抗數(shù)值，用測得的數(shù)值繪圖。
圖12展示了進行歸一化后的電阻抗數(shù)據(jù)隨著細(xì)胞增殖其阻抗值的變化曲線，表明在HeLa細(xì)胞接種后的22個小時以內(nèi)，隨著細(xì)胞的增殖，在各個頻率下阻抗都在升高，而在22小時以后，由于培養(yǎng)基營養(yǎng)成分的逐漸耗盡，阻抗數(shù)值隨時間而下降，這動態(tài)展示了細(xì)胞增殖和死亡的整個過程。
實施例5、靈敏度最高的頻率范圍的確定針對電阻抗測量儀器110，合理選取測量頻率可以提高儀器的靈敏度，以提高整個系統(tǒng)的測量靈敏度，為此，根據(jù)前面所述的等效電路模型，繪制了靈敏度頻率特性的示意圖，如圖13所示。當(dāng)電阻抗測量儀器110的產(chǎn)生電信號的模塊115所產(chǎn)生的交流信號的頻率較低時，等效電路可以被簡化為圖3B，這個低通電路的截至頻率fcut-off-low為fcut-off-low=12π(RS+Rcell+Rgap)CI---(12)]]>當(dāng)信號頻率低于fcut-off-low時，電阻抗傳感器件的阻抗將主要由電阻抗傳感器件的界面電容決定，因而靈敏度很低，為了獲得可靠的靈敏度較低的測量頻率，定義頻率flow＝fcut-off-low/5，當(dāng)頻率小于flow時，測量靈敏度非常低，因而是不適于測量的頻率范圍。flow的表達式如下。
flow=fcut-off-low5---(13)]]>=110π(RS+Rcell+Rgap)CI]]>=110π(ρKπA+K1A-1+K2A-1)ϵ0ϵρAddl]]>=110π((ρKπ+K1+K2)ϵ0ϵρddl)]]>
當(dāng)電阻抗測量儀器110的產(chǎn)生電信號的模塊115所產(chǎn)生的交流信號的頻率較高時，等效電路可以被簡化為圖3C，這個低通電路的截至頻率fout-off-high為fcut-off-high=12πRS(CI-1+Ccell-1+Cgap-1)---(14)]]>當(dāng)信號頻率高于fcut-off-high時，電阻抗傳感器件的阻抗將主要由電阻抗傳感器件的溶液電阻決定，因而電阻抗傳感器件的靈敏度很低，為了獲得可靠的靈敏度較低的測量頻率，定義頻率fhigh＝fcut-off-high/5，當(dāng)測量頻率大于fhigh時，測量靈敏度非常低，因而是不適于測量的頻率范圍。fhihg的表達式如下。
fhigh=5×fcut-off-high---(15)]]>=52πRS(CI-1+Ccell-1+Cgap-1)]]>=52πρKπA(ddlϵ0ϵρA+1K3A+1K4A)-1]]>=12πρKπ(ddlϵ0ϵρ+1K3+1K4)-1]]>另外一個重要的頻率是電阻抗傳感器件的靈敏度最高時所需要施加的頻率fmiddle。對靈敏度的表達式——公式1求其一階導(dǎo)數(shù)，并另其為0，所得到的頻率便是其曲線的拐點，即靈敏度最高的頻率，其隱函數(shù)表達式如公式16所示。
d(Sensitivity(f))df=d(|Zcell-covered-total(f)|-|Zcell-free-total(f)|)df=0---(16)]]>利用實施例1的電阻抗測量裝置，在0-250kHz的頻率范圍內(nèi)測量沒有細(xì)胞貼壁生長和存在細(xì)胞貼壁生長時器件的阻抗，將測得的數(shù)值繪制成圖13(a)，圖13(a)中兩條曲線做減法，得到圖13(b)。其中，選擇的電極陣列的單條電極單元寬度W和相鄰的兩條單條電極單元之間的距離D均為20μm，電極單元的條數(shù)N為40。具體檢測方法如下清洗電極陣列，將電極陣列浸泡在細(xì)胞培養(yǎng)溶液體系中，測量沒有細(xì)胞貼壁生長時的阻抗曲線，接種HeLa細(xì)胞，測量細(xì)胞生長24小時后的在0-250kHz頻率下的阻抗數(shù)值，用上述數(shù)值繪圖。
在圖13中(a)中展示了沒有細(xì)胞時器件的阻抗以及有細(xì)胞生長時的阻抗隨頻率變化的曲線，表明兩條曲線隨頻率增加都在降低。在頻率flow以下和頻率fhigh以上，兩條曲線都十分接近，因而靈敏度很低，而在頻率fmiddle附近，兩條曲線相差的最遠(yuǎn)，因而靈敏度最高。三個頻率將整個頻率空間分為四個部分，在區(qū)域I和區(qū)域IV，靈敏度都非常低，而在區(qū)域II和區(qū)域III靈敏度都非常高。圖13中(b)更好的展示了靈敏度曲線。在實驗中，電阻抗傳感器件的靈敏度最高的頻率范圍為10kHz到40kHz之間。圖13中(a)和(b)的橫坐標(biāo)的10-1、100、101、102、103、104的單位是kHz。
圖14展示了設(shè)計細(xì)胞阻抗傳感器器件的流程圖。首先，通過實驗確定細(xì)胞阻抗模型中的比例參數(shù)與電路參數(shù)Rgap，Rcell，Cgap和Ccell之間的關(guān)系，然后根據(jù)等效電路模型確定有(無)細(xì)胞在器件上生長時的器件阻抗，并計算靈敏度，以其為目標(biāo)函數(shù)，以確定最優(yōu)的器件靈敏度。
圖15展示了利用專利中所提及的方法測量器件阻抗的流程圖。首先，利用等效電路模型確定最優(yōu)的測量頻率，然后在器件上施加該頻率范圍的交流電信號并進行頻率掃描，測量器件的阻抗。
權(quán)利要求
1.一種提高包括電阻抗傳感器件和電信號發(fā)生模塊在內(nèi)的電阻抗檢測裝置的電阻抗檢測靈敏度的方法，其特征在于選用電極單元總長度和單條電極單元面積的乘積盡可能小的電阻抗傳感器件檢測生物樣品的電阻抗；所述電極單元的總長度等于單條電極單元的總長度乘以電極單元的條數(shù)，所述單條電極單元的總長度為所述單條電極單元長度的2倍；所述單條電極單元的面積等于所述單條電極單元的長度乘以所述單條電極單元的寬度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述方法中，還選用電信號頻率為10-40kHz的電信號發(fā)生模塊檢測生物樣品的電阻抗。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述電阻抗傳感器件為插指類型的電阻抗傳感器件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述插指類型的電阻抗傳感器件包含兩個或兩個以上的電極，每個電極包含一個或一個以上的單條電極單元，形成陣列。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述單條電極單元的寬度為10μm至100μm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述包括電阻抗傳感器件和電信號發(fā)生模塊在內(nèi)的電阻抗檢測裝置，由電阻抗測量儀器和電阻抗檢測器件組成；所述電阻抗測量儀器包含所述電信號發(fā)生模塊、限流電阻、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)字控制模塊，所述電阻抗檢測器件包括生物樣品檢測溶液體系和所述電阻抗傳感器件。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述生物樣品檢測溶液體系中的生物樣品包括細(xì)胞和/或生物分子。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述電阻抗檢測的細(xì)胞生理行為包括細(xì)胞增殖，細(xì)胞凋亡，細(xì)胞分化，細(xì)胞遷移，細(xì)胞微運動以及細(xì)胞貼附。
9.一種檢測生物樣品的電阻抗的方法，利用包括電阻抗傳感器件和電信號發(fā)生模塊在內(nèi)的電阻抗檢測裝置檢測生物樣品的電阻抗，其特征在于選用電極單元總長度和單條電極單元面積的乘積盡可能小的電阻抗傳感器件檢測生物樣品的電阻抗；所述電極單元的總長度等于單條電極單元的總長度乘以電極單元的條數(shù)，所述單條電極單元的總長度為所述單條電極單元長度的2倍；所述單條電極單元的面積等于所述單條電極單元的長度乘以所述單條電極單元的寬度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于所述方法中，還選用電信號頻率為10-40kHz的電信號發(fā)生模塊檢測生物樣品的電阻抗。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，其特征在于所述電阻抗傳感器件為插指類型的電阻抗傳感器件。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述插指類型的電阻抗傳感器件包含兩個或兩個以上的電極，每個電極包含一個或一個以上的單條電極單元，形成陣列。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述單條電極單元的寬度為10μm至100μm。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于所述包括電阻抗傳感器件和電信號發(fā)生模塊在內(nèi)的電阻抗檢測裝置，由電阻抗測量儀器和電阻抗檢測器件組成；所述電阻抗測量儀器包含所述電信號發(fā)生模塊、限流電阻、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)字控制模塊，所述電阻抗檢測器件包括生物樣品檢測溶液體系和所述電阻抗傳感器件。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于所述生物樣品檢測溶液體系中的生物樣品為細(xì)胞和/或生物分子。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述電阻抗檢測的細(xì)胞生理行為包括細(xì)胞增殖，細(xì)胞凋亡，細(xì)胞分化，細(xì)胞遷移，細(xì)胞微運動以及細(xì)胞貼附。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高電阻抗檢測裝置的電阻抗檢測靈敏度的方法。該方法是在常規(guī)檢測方法的基礎(chǔ)上選用電極單元總長度和單條電極單元面積的乘積盡可能小的電阻抗傳感器件檢測生物樣品的電阻抗；所述電極單元的總長度等于單條電極單元的總長度乘以電極單元的條數(shù)，所述單條電極單元的總長度為所述單條電極單元長度的2倍；所述單條電極單元的面積等于所述單條電極單元的長度乘以所述單條電極單元的寬度。該方法還可用于檢測生物樣品的電阻抗。
文檔編號A61B5/053GK101038284SQ20071009871
公開日2007年9月19日 申請日期2007年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月25日
發(fā)明者王磊, 凱斯·理查德·米切爾遜, 王賀, 程京 申請人:博奧生物有限公司, 清華大學(xué)