一种非接触式细胞弱磁的测定方法与流程

本发明涉及一种细胞弱磁（即细胞的微弱磁场或极弱磁场）的测定方法，具体涉及一种非接触式的、高灵敏度的、对细胞友好的细胞弱磁测定方法，属于医疗器械技术领域。

背景技术：

细胞是生命的基本活动单位，人体有200多种细胞，总细胞数在10¹²至10¹⁶之间，每种细胞都有独特的结构以实现不同的功能。生物体活细胞在安静状态或活动状态都存在电活动，这种电活动被称为生物电现象。细胞的弱电活动以及变化可能是其不同的生物活性的基本特性和实现形式。近年来研究发现，各种可兴奋细胞处于兴奋状态时，虽然有可能有不同的外部表现，但他们都有一个共同的、最先出现的特征：就是可兴奋细胞的细胞膜两侧的的动作电位变化。

当活细胞和有机体受到环境中的机械刺激时，机械信号随即转化成生物信号，使细胞作出反应，此过程称为机械转导，这是从细菌到人类所有活的有机体共有的特征。机械刺激包括高频震动、渗透压的变化、静水压和液体的剪切力等。在机械信号转导过程中，机械敏感性离子通道（mechanosensitivechannel，ms通道）起了很重要的作用。细胞机械敏感离子通道的打开会引起细胞动作电位（也可以称之为膜电位）的变化，目前已有人对细胞的膜电位等数据进行测试，企图通过膜电位对细胞生物活性进行更深入的研究。但目前都是采用膜片钳等接触性方法对细胞膜电位进行测试，这种测试方法需要与细胞进行接触，会对细胞造成破坏、死亡等不可挽回的影响。

研究表明，动作电位变化伴随细胞极弱磁性的变化，通过细胞极弱磁性的变化也能很好的反映细胞的动作电位变化，而目前还没有对细胞极弱磁性进行测试的相关方法报道。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种非接触式细胞弱磁的测定方法，该方法能够对细胞的极弱磁场进行非接触式的测定，具有高灵敏度、对细胞友好等优点，不会对细胞造成不可挽回的影响，能够很好的反映细胞的兴奋程度，为细胞生物活性的检测提供了新的研究思路。

本发明提供了一种非接触式细胞弱磁的测定方法，该测定方法为：将细胞置于无磁环境下，然后给予细胞一个外界刺激，然后用磁传感器检测受到外界刺激后的细胞的微弱磁场。

进一步的，本发明方法通过无磁环境的营造、细胞的刺激和细胞磁场的检测三个步骤实现细胞弱磁的非接触式测定。其中，无磁环境可以采用现有技术中报道的任意可行的方法实现，保证细胞在检测时处于一个零磁场的环境即可，以避免检测过程中的误差，保证检测的准确性。例如，可以将细胞置于一个能够隔离外界磁场的磁屏蔽装置中，或者将细胞置于能够隔离外界磁场的操作室中，考虑到使用的便利性，优选将细胞置于磁屏蔽装置中来营造无磁环境。

进一步的，所述磁屏蔽装置包括壳体和由壳体形成的空腔，所述壳体上设有盖体。壳体以及盖体形成的空腔为无磁环境，细胞置于该空腔中，可以实现无磁环境下的弱磁检测。此外，为了便于细胞的放置以及外界刺激的实现，可以在空腔内设置放置细胞的部件以及实现外界刺激的装置。

进一步的，所述壳体可以是单层结构，也可以是多层结构，优选的为多层结构，以提高磁屏蔽效果。在本发明某一具体实施方式中，所述壳体由多层呈同轴或同心设置的外壳构成，每层外壳上均设有壳盖，各层壳盖构成盖体。每层外壳和壳盖均形成一个空腔。各层外壳彼此之间不接触，各层外壳呈同心或同轴设置。

进一步的，所述无磁环境可以通过各种能够屏蔽磁场的材质来实现，优选由铁镍合金来实现，即能够隔离外界磁场的磁屏蔽装置或操作室由铁镍合金制成或搭建而成。铁镍合金优选为坡莫合金，坡莫合金为软磁合金，镍含量30~90%，具有很高的弱磁场导磁率，便于实现磁场屏蔽。在使用时，磁屏蔽装置或操作室可以由单层铁镍合金制成，也可以由多层铁镍合金制成，每层铁镍合金的厚度、铁镍合金选择的层数等情况在实际使用过程中可以根据外界磁场的情况进行调整，保证实现零磁场环境即可。当铁镍合金使用多层时，可以将各层简单的嵌套、叠加使用，也可以将各层采用一定方式制成一体结构使用。

优选的，磁屏蔽装置的壳体和盖体由铁镍合金制成，铁镍合金可以是单层，也可以是多层，多层铁镍合金可以通过压制、粘合等手段形成一体，也可以仅简单的叠加、嵌套在一起。所述铁镍合金优选为坡莫合金。

进一步的，磁屏蔽装置的形状可以随意，例如可以是桶状、正方体状、长方体状、球状、不规则状等等。

进一步的，所述磁屏蔽装置的内部还可以设有补偿线圈，用于抵消磁屏蔽装置无法屏蔽的内部磁场，保证磁屏蔽装置内部的零磁环境。补偿线圈是由导线制成的线圈，可以为螺旋形、支线形、u形、s形、蛇形等各种形状，目的是在通电的情况下产生磁场，用于抵消磁屏蔽装置中的内部磁场，实现零磁环境。当壳体为单层时，补偿线圈可以设置在磁屏蔽装置的壳体内表面上，当壳体由多层外壳构成时，补偿线圈可以设置在最内一层的外壳上。补偿线圈的形状、数量、在磁屏蔽装置中的分布位置可以根据内部磁场的情况进行调整和设置。

进一步的，磁屏蔽装置的壳体上还设有至少一个通孔，以便于磁传感器的安装使用和信号的传输以及细胞的观察。孔的形状可以随意，孔的直径在1-5cm左右。

进一步的，给予细胞外界刺激的目的是使细胞的动作电位或局部电位产生变化，因此能够打开细胞离子通道、造成细胞动作电位或局部电位变化的任何刺激都可以用于本发明作为细胞的外界刺激。这种外界刺激可以是物理刺激、化学刺激、生物刺激或其他种类能够实现打开细胞离子通道、造成细胞动作电位或局部电位变化目的的刺激。

进一步的，所述物理刺激包括机械刺激、压力刺激、电刺激、光学刺激、温度刺激、渗透压变化刺激、搅拌刺激、流体剪切力刺激等，其中机械刺激可以是高频振动、晃动、旋转、摆动等方式，例如在磁屏蔽装置内设置一个无磁平台，在无磁平台上设置高频振动装置，将装有细胞的培养瓶放在该高频振动装置上给予细胞一个振动刺激；再例如，将装有细胞的培养瓶用绳状物固定，做单摆运动，为细胞提供一个流体剪切力的物理刺激。

进一步的，所述化学刺激可通过对细胞施加某些化学物质起到对细胞的刺激作用。所述化学物质可以是刺激细胞的米诺地尔、二氮嗪等离子通道打开剂，也可以是阻断离子通道的硝苯地平、美西律、胺碘酮等离子通道阻滞剂，还可以是能对细胞造成刺激的氯化钾、氯化钠、氯化钙或河豚毒素等其他化学物质。

进一步的，所述生物刺激可通过对细胞施加使细胞产生膜电位变化的生物活性物质来实现，所述生物活性物质包括激素、酶、抗原抗体、病毒等。

进一步的，细胞接受到外部刺激后产生动作电位或局部电位带来的极弱磁场变化通过磁传感器来检测，因为细胞产生的磁场极弱，因此所用磁传感器为灵敏度在10^-12t以上的高灵敏度磁传感器，可检测到pt甚至ft级别的磁场。例如，磁传感器可以为高灵敏度的光纤磁场传感器或高灵敏度的原子磁强计。所述光纤磁场传感器利用腔室内磁粉对磁场的不同反应造成的对光线中传输的激光的不同影响，计算所测定区域或所测定细胞的磁场信号。所述原子磁强计利用原子在细胞产生的磁场中的运动情况实现对细胞磁场的测定。所述高灵敏度的光纤磁场传感器或高灵敏度的原子磁强计均可以从市场上购买得到。

进一步的，因为磁传感器的检测范围有限，因此磁传感器要放置在接近细胞的位置。

进一步的，所述细胞装在培养瓶、培养皿等容器中，为了维持细胞的生存状态，将细胞放置在适合细胞生存的环境中，例如各种细胞适合的培养液等。

本发明通过在无磁环境下对细胞施加外部刺激的方式激发细胞的动作电位或局部电位的变化，从而产生微弱磁场，然后通过高灵敏度的磁传感器在非接触的情况下对细胞的微弱磁场进行检测。本发明首次发现了非接触式检测细胞磁性的方法，具有非接触、高灵敏度、对细胞友好的特点，克服了目前测量细胞活性时对细胞产生不可挽回的破坏的不足，为将来细胞层面的磁性研究提供了新的思路。

附图说明

图1.圆筒形磁屏蔽装置示意图，其中a为该装置的剖面示意图，b为该装置的横截面示意图；

图2.图1所示的磁屏蔽装置的内置补偿线圈示意图；

图3.细胞弱磁测试方法示意图；

图4.细胞弱磁测试过程与测试结果对应图；

图5.实验组（成纤维细胞）磁场与时间的变化图；

图6.空白对照组（mem培养基）磁场与时间的变化图；

图7.实验组（雪旺细胞）磁场与时间的变化图；

图8.空白对照组（dmem培养基）磁场与时间的变化图；

图9.未进行任何外界刺激的鼠成纤维细胞的磁场与时间的变化图。

具体实施方式

实施例旨在进一步说明本发明的内容，而不是限制本发明的保护范围。本发明描述的技术可应用于任何关于细胞磁性测量的方法或设备中。

本发明提供了一种非接触式细胞弱磁的测定方法，该方法将细胞置于无磁环境下，然后给予细胞一个外界刺激，使细胞产生动作电位或局部电位，这种电位的变化带来细胞极弱磁场变化，通过磁传感器可以检测到受到外界刺激后的细胞的微弱磁场。

本发明方法的实现通过无磁环境的营造、细胞的外部刺激和细胞磁场的检测三者结合来实现。在实际操作过程中，可以设计一套细胞弱磁测定的测试系统，用于细胞微弱磁场的测定。

本发明无磁环境可以由任何可以实现无磁的方式来实现，保证在细胞检测过程中处于一个外界零磁的环境中即可，例如可以通过一些磁屏蔽材料来构建一个无磁的环境，将细胞置于其中检测，也可以通过磁场抵消的方式构建无磁环境以便于细胞弱磁的检测。在本发明的某一具体实施方式中，提供了一种磁屏蔽装置，用于为细胞检测提供零磁环境，该磁屏蔽装置包括壳体和盖体，所述盖体设置在壳体上，盖体与壳体可以连接为一体，也可以脱离于壳体。通过壳体与盖体可以形成一个空腔。所述壳体和盖体由铁镍合金制成，优选由坡莫合金制成。所述壳体可以是单层结构，也可以是多层结构。优选的，壳体为多层结构，由多层的外壳构成，每层的外壳上均设有壳盖，各层壳盖构成盖体。各层外壳呈同轴或同心设置，彼此不接触，每层外壳和壳盖均形成一个空腔。

进一步的，所述壳体和盖体可以由一层铁镍合金制成，也可以由多层铁镍合金制成，多层铁镍合金可以通过一定的加工手段形成一体结构，也可以为彼此分离的状态，优选的，多层铁镍合金呈同轴或同心设置，各层铁镍合金彼此分离、互不接触。为了更好的保证磁屏蔽装置内部的零磁场，在其内部设置有补偿线圈，补偿线圈位于壳体上，盖体上不具有补偿线圈。补偿线圈可以是任意的形状，例如螺旋形、支线形、u形、s形、蛇形等。当壳体为单层时，补偿线圈可以设置在磁屏蔽装置的壳体内表面上，当壳体由多层外壳构成时，补偿线圈可以设置在最内一层的外壳上。补偿线圈的形状、数量、在磁屏蔽装置中的分布位置可以根据内部磁场的情况进行调整和设置。补偿线圈是由导线制成的线圈，目的是在通电的情况下产生磁场，用于抵消磁屏蔽装置中的内部磁场，实现零磁环境。此外，磁屏蔽装置的壳体上还可以设置有至少一个的通孔，以便于磁传感器的安装使用、信号的传输以及细胞的观察。通孔的形状、数量和大小满足安装、观察和信号传输的目的即可。

此外，所述磁屏蔽装置的形状无特殊要求，可以是任意便于细胞检测和便于实现零磁环境的形状，例如桶装、球状、柱状、长方体状、正方体状、无规则状等。

在本发明某一具体实施方式中，磁屏蔽装置由壳体和盖体构成，壳体和盖体都由高磁导率的坡莫合金制成，整个磁屏蔽装置为圆桶状，盖体与壳体可拆卸设置，便于检测系统的安装和数据的采集。所述壳体由同轴设置的多层圆桶状坡莫合金外壳嵌套组合而成，每层外壳形状相同，只是尺寸不同，按照同轴嵌套组合在一起形成壳体，各层坡莫合金外壳之间通过三个或多个固定卡齿固定，保证多个圆筒状坡莫合金外壳同轴摆放。在每一层的坡莫合金外壳上都设置有一个与之匹配的壳盖，每层的外壳和壳盖都能形成一个密闭的空腔。在最内一层的坡莫合金外壳的桶状外壁上缠绕有补偿线圈，补偿线圈的缠绕方向可以是同一方向，也可以是不同的方向，在与壳盖对应的一侧外壁上也设置有补偿线圈，补偿线圈为螺纹状或多支状（即支线形）补偿线圈。

此外，所述磁屏蔽装置的内部可以设置放置细胞的结构以及对细胞进行外部刺激的装置或结构。在本发明某一具体实施方式中，在磁屏蔽装置内设置一无磁平台，平台上设置高频振动装置，为细胞培养瓶提供高频振动刺激，磁传感器通过固定杆连接到壳体内壁或无磁平台上固定。在本发明另一具体实施方式中，在磁屏蔽装置内设置一单摆装置，单摆的一端固定在壳体的内壁上，另一端放置细胞培养瓶，通过周期性摆动提供流体剪切力对细胞进行物理刺激，磁传感器通过固定杆连接到壳体内壁上固定。

营造好无磁环境后，将细胞放置于该无磁环境中，然后对细胞进行外部刺激，使其产生动作电位或局部电位变化，外部刺激可以是物理刺激、化学刺激、生物刺激或其他种类能够实现打开细胞离子通道、造成细胞动作电位或局部电位变化目的的刺激。所述物理刺激包括机械刺激、压力刺激、电刺激、光学刺激、温度刺激、渗透压变化刺激、搅拌刺激、流体剪切力刺激等，其中机械刺激可以是高频振动、晃动、旋转、摆动等方式。所述化学刺激可通过对细胞施加某些化学物质起到对细胞的刺激作用，所述化学物质可以是刺激细胞的米诺地尔、二氮嗪等离子通道打开剂，也可以是阻断离子通道的硝苯地平、美西律、胺碘酮等离子通道阻滞剂，还可以是能对细胞造成刺激的氯化钾、氯化钠、氯化钙或河豚毒素等其他化学物质。所述生物刺激可通过对细胞施加使细胞产生膜电位变化的生物活性物质来实现，所述生物活性物质包括激素、酶、抗原抗体、病毒等。

细胞受到刺激后，由动作电位或局部电位变化引起极弱磁场，通过高灵敏度的磁传感器即可实现该磁场的检测，高灵敏度磁传感器可以是高灵敏度的光纤磁场传感器或高灵敏度的原子磁强计。磁传感器放置在接近细胞的位置，便于捕获细胞在外界刺激下的磁场变化。当外界刺激持续或者强弱不同的进行时，可以连续性的检测细胞的磁场变化，得到细胞在外界刺激不同的情况下的磁场变化状况，以便于研究细胞活性与磁场变化之间的关系，为细胞层面的磁性研究奠定基础。

实施例1

如图1所示为本发明某一种磁屏蔽装置的示意图，图1a为该装置的剖面示意图，图1b为该装置的横截面示意图。该装置由壳体和盖体组成，所述壳体由多个大小不一的圆筒状外壳组成，各外壳同轴布置，各外壳之间通过三个固定卡齿固定，三个固定卡齿交替排列，相邻两外壳互不接触，可有效提高磁屏蔽效果。每个外壳上设有开口，每个开口上都设有与之对应的可拆卸的壳盖，多个壳盖构成盖体，所述外壳和壳盖由坡莫合金或其他高磁导率的物质制成。通过外壳和盖体的搭配，可以在磁屏蔽装置内部形成一个无磁的空腔。

磁屏蔽装置内设有补偿线圈，补偿线圈的布置如图2所示。所述补偿线圈设置在最内一层外壳上，可以分为两部分，一部分呈螺旋状缠绕在最内一层外壳的外筒壁上，可称之为缠绕线圈，一部分设置在与壳盖相对的一侧的内侧壁或外侧壁上，可以称之为底部线圈。呈螺旋状缠绕在最内一层外壳的筒壁上的补偿线圈为电导线，筒壁上可单向螺旋缠绕多股电导线，能产生均匀的电流，从而产生均匀的磁场，也可以分两个方向螺旋缠绕多股电导线，两个方向可分别调控线圈上的电流大小，从而达到更好的内部剩余磁场的屏蔽效果。

底部线圈可以是螺旋形或多支型。所述螺旋形线圈可通统一大小的电流，每个部位具有相同的电流大小，具有电流分布均匀的效果，可产生较为均匀的补偿磁场。所述多支型线圈具有多个直流（图中为8个直流），每个直流可经过电流分配器单独分配每条直流的电流大小，具有电流部分可调控的特点，每条直流都可调整不同的电流大小，从而产生大小不一的磁场，以适应复杂多变的磁场情况。

实施例2

如图3所述，所述磁屏蔽装置除了具有上述实施例1描述的结构外，还在壳体上方开有一小孔，在孔上安装有单摆装置，用于对细胞进行外部刺激。配置好的细胞培养液通过无磁性的导线连接到单摆装置上。设置导线为固定长度，保证细胞培养液距离下部高灵敏度磁传感器0.5-1cm。细胞培养液在单摆装置的引导下以传感器为中心做周期性单摆运动。高灵敏度磁传感器通过固定杆固定在磁屏蔽装置的壳体上。

所述单摆装置可以是任何为细胞培养液提供单摆运动的装置，单摆运动可为细胞培养液提供流体剪切力，所述流体剪切力是物理刺激的一种。所述无磁性的导线可以应用聚乙烯等无磁性的材料制作，保证导线不会干扰内部磁场。所述高灵敏度磁传感器为高灵敏度的光纤磁场传感器或高灵敏度的原子磁强计，所述细胞培养液为所测试细胞需要的特定的培养介质。

实施例3

以鼠成纤维细胞为例，采用实施例2所述的装置对鼠成纤维细胞的弱磁进行测定，鼠成纤维细胞所需的培养液为无磁性的mem培养液。实验设置两组，一组为实验组，一组为空白组，实验组在细胞培养瓶中加入mem培养基和2×10⁵cells/ml的鼠成纤维细胞，空白组仅加入等量的mem培养基。如图4所示，为鼠成纤维细胞测试过程的示意图，细胞培养瓶中放入mem培养基和2×10⁵cells/ml的鼠成纤维细胞，经无磁性的聚乙烯连接线通过磁屏蔽装置的开孔连接到磁屏蔽装置上方设置的单摆装置上，保证细胞培养瓶距离下部高灵敏度磁传感器0.5-1cm。在单摆装置的牵引下，细胞培养瓶在传感器上方做周期性的单摆运动，在摆动的过程中不断收集传感器发出的信号。在鼠成纤维细胞信号收集完成后，将仅加入mem培养基的细胞培养瓶按照相同的方法进行测试。

对两组实验所得的信号进行数据分析和处理，得到细胞极弱磁场信号图，如图5和6所示，图5是鼠成纤维细胞的极弱磁场信号图，图6是mem培养基的极弱磁场信号图，从图中可以看出，鼠成纤维细胞的磁场测试数据具有明显的峰值，mem培养基的磁场测试数据更接近噪声的数据。由此可以说明，本发明方法可以很好的检测出细胞的极弱磁场。

实施例4

以鼠神经细胞——雪旺细胞为例，采用实施例2所述的装置对鼠雪旺细胞的弱磁进行测定，鼠雪旺细胞所需的培养液为无磁性的dmem培养液。实验设置两组，一组为实验组，一组为空白组，实验组在细胞培养瓶中加入dmem培养基和2×10⁵cells/ml的鼠雪旺细胞，空白组仅加入等量的dmem培养基。将细胞培养瓶中放入dmem培养基和2×10⁵cells/ml的鼠神经细胞，经无磁性的聚乙烯连接线通过磁屏蔽装置的开孔连接到磁屏蔽装置上方设置的单摆装置上，保证细胞培养瓶距离下部高灵敏度磁传感器0.5-1cm。在单摆装置的牵引下，细胞培养瓶在传感器上方做周期性的单摆运动，在摆动的过程中不断收集传感器发出的信号。在鼠雪旺细胞信号收集完成后，将仅加入dmem培养基的细胞培养瓶按照相同的方法进行测试。

对两组实验所得的信号进行数据分析和处理，得到细胞极弱磁场信号图，如图7和8所示，图7是鼠雪旺细胞的极弱磁场信号图，图8是dmem培养基的极弱磁场信号图，从图中可以看出，鼠雪旺细胞的磁场测试数据具有明显的峰值，dmem培养基的磁场测试数据更接近噪声的数据。由此可以说明，本发明方法可以很好的检测出不同细胞的极弱磁场。

对比例

以鼠成纤维细胞为例，采用实施例2所述的装置对鼠成纤维细胞的弱磁进行测定，鼠成纤维细胞所需的培养液为无磁性的mem培养液。向细胞培养瓶中放入mem培养基和2×10⁵cells/ml的鼠成纤维细胞，经无磁性的聚乙烯连接线通过磁屏蔽装置的开孔连接到磁屏蔽装置上方设置的单摆装置上，保证细胞培养瓶距离下部高灵敏度磁传感器0.5-1cm。保证单摆装置静置，不采用任何方式对细胞进行外界刺激，观察并收集采集的磁场信号。

对实验所得是信号进行数据分析和处理，得到细胞的极弱磁场信号图，如图9所示，从图中可以看出，磁场信号更接近噪声的数据，由此可以看出，当细胞未接收到任何外界刺激时，不会产生磁场信号。