专利名称：一种利用超声脉冲动电研究细胞介电特性的方法
技术领域：
本发明属于生物细胞基础理论研究领域，是一种利用超声脉冲动电研究细胞介电 特性的方法，该方法以超声脉冲作为声探针根据悬浮细胞动电理论模型从电荷层级上研究 细胞介电特性，可用于对细胞膜表面带电特性方面的研究，尤其对超声作用下实时研究细 胞超声生物效应方面具有独特的优越性。
背景技术：
一定剂量的超声辐照，在不同水平的生物系统中能造成多种的生物效应。到目前 为止，在许多种情况下，超声生物效应的物理机制仍然很不清楚，更没有一种合适的方法能 实时研究超声生物效应的过程。目前，针对细胞介电特性的研究方法主要有细胞电泳法、电 化学阻抗法、膜片钳技术等方法。细胞电泳法是在外加电场作用下，细胞依照其表面电荷、 大小、形状的不同作特有的移动，根据细胞的电泳淌度等电动特性方面的信息来检测细胞 膜电特性的方法，它主要存在操作较繁、所需较长时间、重复性和灵敏度较差等缺点。电化 学阻抗法是一种以小振幅的电脉动作为扰动信号的电化学阻抗测量方法；另外，它也可以 以测量范围很宽的阻抗谱来研究电极系统，从而得到细胞电动力学信息，并以此来研究细 胞膜电荷特性的方法，这种方法同样存在操作复杂、重复性和精度差等缺点。膜片钳技术是 从一小片(约几平方微米)膜获取电子学方面信息的技术，即保持跨膜电压恒定-电压钳 位，从而测量通过细胞膜离子电流大小的技术，这种方法虽然精度很高，但是设备昂贵、操 作复杂。另外，以上所有方法都不能在超声作用下实时研究细胞的超声生物效应。当一个高频的超声波(交变压力场)通过一个胶体系统，其中胶状颗粒的密度不 同于四周媒质的密度，悬液的振动造成的惯性力导致带电颗粒跟随其运动，从而造成胶粒 表面的双电层产生变形。胶粒表面双电层中固定层与扩散层发生相对移动，表现出来的ζ 电位的改变将能被外部电极检测到，这个变化的电位叫做胶体振动电位(CVP)；同时，如果 外部电路闭合，由于超声的通过，系统中将产生一个交变的电流，这个交变的电流被称为胶 体振动电流(CVI)。同样的电声现象也会出现在电解质溶液中。由于溶液中阴离子和阳离 子的基团相互不同，因此在超声的作用下它们将会产生周期性错位，从而出现振动电流。这 个电流被称为离子振动电流(IVI)。虽然对这种电声现象的第一次报道是由德拜在1933年 预测提出，但是直到上世纪90年代奥·布莱恩才阐述了他的理论，从而使这种电声技术有 了飞跃性的发展并被应用在商业设备中。动电测量方法最主要的优点是它能测量原始不用 稀释的浓溶液，甚至能测量容积率达到50%的溶液，这一点使它非常适合许多浓的生物系 统。并且在这种测量系统中，胶粒的大小范围可以从IOOnm到10 μ m，这使它非常适合大小 大概为6 μ m到9 μ m的人血红细胞。这种技术最有前途的用途就是医用的早期诊断和实时 细胞超声生物效应的研究，并可进一步用于单细胞特性研究的超声成像等方面的研究。到目前为止，胶体动电理论方法的研究和应用主要在化工领域，基本上都是对胶 体悬浮颗粒ζ电位的测量，这些颗粒主要都是表面光滑的聚合物硬颗粒，然而细胞却是 表面覆盖着离子可通透高分子聚合物的软颗粒。另外，在以往的胶体动电理论模型中，都是应用连续的超声波作为振动源，不适合对生物细胞进行研究，因为在声强大约为lOmw/cm2 时，在超声波作用下，细胞已经开始产生超声生物效应，造成检测结果不准确；并且低的声 强作用在细胞悬液中，不至于使细胞双电层变形或变形非常弱，使检测变得异常困难。所以 本发明中使用超声脉冲作为声探针，可以将单个检测超声脉冲能量适当增大，从而使检测 信号增大；但是使整个超声波平均声强减小，以使其不会对细胞生理特性产生影响。另外， 进一步也可以通过在辐照功能性连续超声波之中插入检测脉冲，从而达到实时研究细胞超 声生物效应的功能。 前，国内外只是理论上提出了离子可通透软胶粒的模型，但是没有提出实际细 胞悬液动电理论的相关理论模型及其实现方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有细胞介电特性研究方法不能在超声作用下实时研究 细胞超声生物效应的不足，提供一种利用超声脉冲动电研究细胞介电特性的方法，该方法 根据细胞悬液动电理论模型，通过连续调整超声的功能状态，从而实现对超声作用下实时 超声生物效应的研究。该方法不但实现设备简单、操作容易，而且对细胞没有任何损伤。本发明的目的是通过以下技术方案来解决的这种利用超声脉冲动电研究细胞介电特性的方法，包括以下步骤1)建立细胞单元模型假设直径为a，并且表面均勻分布着负电荷的细胞被厚度为d的离子可通透聚合 物电解质双电层包裹着，将这个整体称为一个细胞单元，该细胞单元被描述为一个内径为 a，外径为b = a+d的球状软胶粒；假设细胞单元模型是化合价为Z的固定电荷集合体，其外 层均勻分布着密度为N的双电层；2)配置细胞悬液细胞悬液是由新鲜血浆经过离心处理后，与生理盐水混合配制成细胞试验需要浓 度的悬液；3)检测细胞振动电流CVI使角频率为ω的超声脉冲分别作用在细胞悬液和生理盐水上，检测细胞悬液中 的电流总和TVI以及生理盐水中的离子振动电流IVI ；根据下式计算细胞振动电流CVI TVI = IVI+CVI ；(1)4)分析细胞介电特性根据胶体动电理论，计算细胞的动态电泳迁移率μ (ω)，再根据动态电泳迁移率 μ (ω)与细胞双电层电位之间的关系，得到细胞双电层的Dorman电位ΨΜ以及细胞双电 层和生理盐水溶液交界边沿的电位Ψ。，从而实现对细胞介电特性的研究。在本发明的步骤4)中，按照以下公式计算细胞的动态电泳迁移率μ (ω) JVJ _ zen m^-p^ τη_-ρον_Λχ 1V1 --1-------
P0 A义-(2)
CVI J^Pc-Po)^siPs-Po)] μ{ω)Μ)(3)
Po
公式(2)中，ζ是电解液中元素的化合价，e是单位电荷电量，η是生理盐水中电解 质浓度，P ^是生理盐水的浓度，m+，V+分别为生理盐水中阳离子的质量和化合价，m_，V_分别 为生理盐水中阴离子的质量和化合价，Δ P是生理盐水的电导率；公式(3)中，外是细胞个 体的体积分数，外是细胞双电层的体积分数，P。和Ps分别为细胞和双电层的质量密度；公式⑵中正负离子的牵引系数λ +和λ _分别和相应的正负离子极限电导Λ 和 Λ 相关，根据下式计算
,NAe2z
A = —"5~
八土⑷公式(4)中Na是阿伏加德罗常数，根据以上公式得到细胞的动态电泳迁移率 μ (ω)。此外，在本发明的步骤4)中，按照以下公式计算细胞双电层的Dorman电位ΨΤ。Ν以 及细胞双电层和生理盐水溶液交界边沿的电位Ψ<> M^) = ^L .H「](1+矣)
3η l-i/b-(/ b /3)-Γ 2b
r ,Λ^ Km+X^ DON 丨 β Λ4^--—Ζ^J
1/&+1/夕 r 1 - irb - (r2b2 / 3)(1 -α3/δ3) ZeN+[——-——-——^--]^ζ-(5)
l-irb-(r2b2/3)-Υ ηβ2J其中
lT) kT rZN (/ΖΝλ2 1ll/2lWdon =—Int7- ++1}]
ze Izn Izn(6)Ψ0=—(1η[-—+ {(-—)2+1}1/2]
ze Izn Izn
2zn ZN λ2 ” ι/2ι、+—-[1-{(^)2+1}1/2])
ZTV 2ζπ(γ)Km=K[l + Ar
(8)
O 2 2
_ 2zenV2K =(-—)
￡r￡okT(9)
3 _ 广、1/2Λ - V-J
rI(10)r = +
V 2"(11)β = A l-(l)2
V 乂(12)
Γ=,眺-Ρθ) + Κ(Α-Ρθ)](13)
权利要求
1.一种利用超声脉冲动电研究细胞介电特性的方法，其特征在于，包括以下步骤1)建立细胞单元模型假设直径为a，并且表面均勻分布着负电荷的细胞被厚度为d的离子可通透聚合物电 解质双电层包裹着，将这个整体称为一个细胞单元，该细胞单元被描述为一个内径为a，外 径为b = a+d的球状软胶粒；假设细胞单元模型是化合价为Z的固定电荷集合体，其外层均 勻分布着密度为N的双电层；2)配置细胞悬液将新鲜血浆经过离心处理后，与生理盐水混合配制成细胞悬液；3)检测细胞振动电流CVI使角频率为ω的超声脉冲分别作用在细胞悬液和生理盐水上，检测细胞悬液中的电 流总和TVI以及生理盐水中的离子振动电流IVI ；根据下式计算细胞振动电流CVI TVI = IVI+CVI ；(1)4)分析细胞介电特性根据胶体动电理论，计算细胞的动态电泳迁移率μ (ω)，再根据动态电泳迁移率 μ (ω)与细胞双电层电位之间的关系，得到细胞双电层的Dorman电位ΨΜ以及细胞双电 层和生理盐水溶液交界边沿的电位Ψ『
2.根据权利要求1所述的利用超声脉冲动电研究细胞介电特性的方法，其特征在于， 步骤4)中，按照以下公式计算细胞的动态电泳迁移率μ (ω)
3.根据权利要求1或2所述的利用超声脉冲动电研究细胞介电特性的方法，其特征在 于，步骤4)中，按照以下公式计算细胞双电层的Dorman电位Ψ 以及细胞双电层和生理 盐水溶液交界边沿的电位Ψ<>
4.根据权利要求1所述的利用超声脉冲动电研究细胞介电特性的方法，其特征在于， 步骤3)中，根据下式
全文摘要
本发明公开了一种利用超声脉冲动电研究细胞介电特性的方法，该方法首先建立细胞单元模型，再配置细胞悬液，然后检测细胞振动电流CVI，在检测细胞振动电流时，本发明使角频率为ω的超声脉冲分别作用在细胞悬液和生理盐水上，检测细胞悬液中的电流总和TVI以及生理盐水中的离子振动电流；然后计算细胞振动电流，最后根据检测结果分析细胞介电特性。本发明的利用超声脉冲动电研究细胞介电特性的方法利用超声对细胞的作用，实现对细胞介电特性进行研究，能够精确检测细胞的表面电荷变化，从而实现实时研究细胞的超声生物效应的目的，并且实现本发明方法的装置结构简单，该方法重复性好，对细胞没有任何损伤。
文档编号G01R31/00GK102033173SQ201010284479
公开日2011年4月27日 申请日期2010年9月17日 优先权日2010年9月17日
发明者张跃, 成林, 施毅周, 钟力生 申请人:西安交通大学