一种用于细胞检测的可拆卸便携传感器、装配方法、测量方法、设计方法

1.本技术涉及一种传感器电子元器件这一技术领域，特别涉及一种用于细胞检测的可拆卸便携传感器、装配方法、测量方法、设计方法。


背景技术：

2.便携传感器是一种检测细胞电阻抗的装置，在医疗领域有所应用。
3.关于细胞检测阻抗传感器而言，下述文献对现有技术进行了详细的说明。
4.现有文献1：徐莹,杨勇,王平.基于biomems技术的细胞电阻抗传感器的研究进展[j].国际生物医学工程杂志,2008,31(003):145-150，其认为：细胞电阻抗传感器，其新颖、的设计和长时程的无损测试等优点，能够应用于细胞等微生物体的形态和功能研究。
[0005]
现有文献2：张晓晨等.用于细胞检测的叉指微电极阻抗传感器研究进展[j].分析试验室,2018,04(v.37):109-113，着重从微电极对传感器的影响上进行了分析。
[0006]
现有文献3：何宁,崔传金,龚瑞昆,等.用于细胞检测的微叉指电极阻抗生物传感器研究进展[j].食品安全质量检测学报,2018，通过该文献可以知晓：微叉指电极阻抗生物传感器具有灵敏度高,响应速度快,检出限低,成本适中,携带方便。然而，其并未对阻抗精度的传感器结构设计进行分析。
[0007]
由此可知，便携传感器是研究细胞形态、功能的重要工具，在药物学上有非常重要的意义。但是，现有的便携传感器多数存在有损伤、电极接触阻抗大、产生的噪声高等问题，严重影响阻抗的检测精度。
[0008]
因此，确有必要对现有技术进行改进以解决现有技术之不足。


技术实现要素：

[0009]
本技术是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种用于细胞检测的便携传感器，其能够能大大提高检测精度。
[0010]
本技术的另一目的在于提供一种用于细胞检测的可拆卸便携传感器的装配方法。
[0011]
本技术的又一目的在于提供一种细胞测量方法。
[0012]
本技术的再一目的在于提供一种用于细胞检测的可拆卸便携传感器的设计方法。
[0013]
本技术的技术方案如下：
[0014]
一种用于细胞检测的可拆卸便携传感器，包括主体结构、sma接头电极；
[0015]
其中，所述主体结构包括：上部结构、下部结构；
[0016]
所述上部结构包括从上至下层叠设置的上pcb板、上盖；上pcb板上设置有x组sma接头孔以及穿孔，上盖上设置有容纳腔，所述上pcb板上设置的穿孔与上盖上设置的容纳腔对应；
[0017]
所述下部结构包括：密封垫片、下pcb板、基座；所述基座的中间位置设置有凹形空间(台阶状)，所述下pcb板、密封垫片均设置在基座的凹形空间中，并且所述密封垫片设置
在所述下pcb板的上部；下pcb板设置有1组sma接头孔；
[0018]
在容纳腔中设置有周向电极；
[0019]
容纳腔底部开孔；
[0020]
密封垫片上有x个孔洞，下pcb板上也有x个沉金电极，x表示任意自然数；密封垫片的孔洞面积比沉金电极的面积小；(通过密封垫片上选择合适的孔洞，从而控制实际测量用到的沉金电极的面积的大小，进而可测量不同体积的细胞；密封垫片根据需要可以更换，不同的密封垫片孔径不同，通过更换不同孔径的密封垫片，进而控制pcb板上沉金电极实际接入接触区域的面积大小，从而控制电场强度提高细胞检测的灵敏度)；
[0021]
在上pcb板的每组sma接头孔以及下pcb板上的1组sma接头孔均安装有sma接头电极。
[0022]
进一步，x个沉金电极间电路连通。
[0023]
进一步，所述下pcb板呈t型形状，包括：本体与悬臂段，所述悬臂段突出于上盖；在悬臂段上设置有sma接头孔。
[0024]
进一步，容纳腔的数量为多个，在每个容纳腔中均设置有周向电极，所述上pcb板上设置的sma接头孔的组数、sma接头电极的数量均与容纳腔的数量相同，每个周向电极均与sma连接电极一一对应连通。
[0025]
进一步，所述每组sma接头孔的数量均为四个，四个接头电极安装孔采用阵列式分布。
[0026]
进一步，所述本体在设置有四个沉金电极，所述圆柱检测孔的数量为四个，四个圆柱检测孔采用阵列式分布，所述周向电极的数量为四个，四个周向电极采用阵列式分布。
[0027]
进一步，在上pcb板、上盖、基座上均设置有对应的螺栓孔，所述上部结构、所述下部结构通过螺栓-螺母组件来固定。
[0028]
进一步，所述螺栓孔的数量为六个。
[0029]
一种用于细胞检测的可拆卸便携传感器的装配方法，包括如下步骤：
[0030]
首先，下pcb板、密封垫片依次安装在基座的凹形空间中；
[0031]
其次，上pcb板、上盖和基座通过螺栓-螺母组件连接；
[0032]
最后，在上pcb板(如图1所示，上pcb板安装四个sma接头电极)与下pcb板上(如图1所示，上pcb板安装1个sma接头电极)安装sma接头电极。
[0033]
一种用于细胞检测的可拆卸便携传感器的装配方法，在将放置于上盖中的圆柱检测孔之前，要先确定密封垫片的孔洞大小：
[0034][0035]
式中：d表示：密封垫片的直径大小；l表示：长pcb板、下pcb板的间距；ac表示：细胞直径；ω表征灵敏度的大小，其大小自行设定，例如取值为50％～100％。
[0036]
一种细胞测量方法，采用前述的用于细胞检测的可拆卸便携传感器进行测量；将细胞模型穿过上pcb板，放置于上盖中的圆柱检测孔中，使得“下pcb板上安装的sma接头-沉金电极13-容纳腔中的背景液-周向电极9-上pcb板的sma接头连通”，进行测量：
[0037]
将下pcb板的sma接头电极与测量设备的一端连接，上pcb板安装的sma接头电极连接测量设备的另一端；通过电信号通路完成被测物(即细胞)的阻抗测量。(本传感器适用于
二电极法阻抗测量)。
[0038]
本技术的有益效果在于：
[0039]
第一，本技术的结构设计：“信号检测”是基础设计：上pcb板上设置若干个sma接头电极，在容纳腔中设置周向电极，然后沉金电极相互连接，沉金电极与下pcb板的sma接头电极连通，这样不仅仅形成电路信号通路(在容纳腔中加入细胞背景液即可连通)；同时，下pcb板的沉金电极相互连通，下pcb板上只需要设置1个sma接头电极即可。
[0040]
第二，本技术的结构设计，密封垫片的孔洞设计是关键点之一。对于密封垫片的孔洞设计，其认识是：通过改变密封垫片可以控制沉金电极接入检测面积的大小，从而控制电场强度提高细胞检测的灵敏度。灵敏度与芯片成本是相互限制的：一方面，对于使用者而言，灵敏度越高越好，也即要求孔洞越小越好，这也是为什么细胞检测要采用微流控芯片的原因；另一方面，孔洞过小将会导致芯片制造成本过高以及芯片的重复利用性降低。本技术解决这一问题，利用修正后的“微电极”来实现高灵敏度。
[0041]
第三，本发明通过修改电极实际接入的检测面积(垫片是采用pdmms制成，属于绝缘材料；制备时通过不同直径的打孔器在垫片上打孔，从而预留出不同直径的孔洞保证电流与周向电极相通)，实现电场的“聚焦”提高检测灵敏度。
[0042]
细胞检测体系的电阻率通过如下公式计算：
[0043][0044]
式中ρ
mix
，ρc，ρm分别代表测量体系、细胞、背景液的电阻率；表示体积分数。
[0045]
传感器的灵敏度由公式(3)、(4)、(5)可以获知：
[0046][0047][0048][0049][0050]
式中：r
mix
表示：测量系统的混合阻抗(式3中ac＝0，即可确定r)。δr表示：测量体系中被测物与无被测物产生的阻抗差值(本专利被测物为细胞)。d表示：传感器实际接入测量中的直径，当d减小可增大细胞检测的灵敏度。l表示：上、下pcb板之间的间距。ac表示：细胞直径。ω表征灵敏度的大小。由上述分析可知：本技术通过修改密封垫片的孔洞，可以达到修改实际接入测量中的面积而提高检测零度的目的。
[0051]
第三，。
附图说明
[0052]
下面结合附图中的实施例对本技术作进一步的详细说明，但并不构成对本技术的任何限制。
[0053]
图1为实施例1的便携传感器的立体图。
[0054]
图2为实施例1的便携传感器立体图的剖视图。
[0055]
图3为实施例1的便携传感器上pcb板的立体图。
[0056]
图4为实施例1的便携传感器上盖的立体图。
[0057]
图5为实施例1的便携传感器可变垫片的立体图。
[0058]
图6为实施例1的便携传感器下pcb板的立体图。
[0059]
图7为实施例1的便携传感器基座的三维示意图。
[0060]
图1-7中附图标记说明如下：sma接头电极1、上pcb板2、上盖3、密封垫片4、下pcb板5、基座6、螺栓-螺母组件7、圆柱检测孔8、周向电极9、接头电极安装孔10、螺栓孔11、孔洞12、沉金电极13、细胞模型14、第一安装空间15、第二安装空间16。
具体实施方式
[0061]
实施例一：一种用于细胞检测的可拆卸便携传感器。
[0062]
实施例一的传感器的结构设计，见表1所示。
[0063]
表1传感器的结构设计
[0064][0065]
需要说明的是，上述各个部件的配合设计在于：
[0066]
1)上pcb板2、上盖3的位置关系：上pcb板2在上盖3的上方。
[0067]
2)穿孔、容纳腔的位置关系：所述上pcb板上设置的穿孔与上盖上设置的容纳腔对应。
[0068]
3)下pcb板5、密封垫片4、基座6的位置关系：所述基座6的中间位置设置有密封垫片4的第一安装空间15以及下pcb板5的第二安装空间16；所述第一安装空间15与第二安装空间16连通；所述下pcb板5设置在第二安装空间16、密封垫片设置在第一安装空间15中，并
且所述密封垫片设置在所述下pcb板的上部。
[0069]
4)整体结构的安装固定：在上pcb板2、上盖3、基座6上均设置有对应的螺栓孔11，所述上部结构、所述下部结构通过螺栓-螺母组件7来固定。
[0070]
5)4个容腔共设计4个周向电极9，此时需要有4个sma接头电极。所有沉金电极13(4个沉金电极13连通)共用一个sma电极接头。实际测量时，测量设备的测量端子的一端必须连接共用端，另一端任意选择上pcb板的一个sma接头，其中被选择的上pcb板的sma接头所对应的腔室即为测量所确定的腔室。
[0071]
6)该传感器可适用于单细胞以及细胞悬浮液的检测。
[0072]
本技术的用于细胞检测的可拆卸便携传感器在装配时，采用以下步骤：
[0073]
首先，下pcb板5、密封垫片4依次安装在基座的凹形空间中；
[0074]
其次，上pcb板2、上盖3和基座6通过螺栓-螺母组件7连接；
[0075]
最后，sma接头电极1安装在上pcb板(如图1所示，上pcb板安装四个)与下pcb板上(如图1所示，上pcb板安装1个)用于检测。
[0076]
实施例二：密封垫片的设计。
[0077]
实施例一中虽然批露了密封垫片，但是并未其作用以及选择策略进行阐述。实施例二的目的在于解决上述问题。
[0078]
结构设计：
[0079]
密封垫片上设置上有4个孔洞，所述下pcb板5上设置4个固定面积的沉金电极13；
[0080]
所述密封垫片的4个孔洞、所述下pcb板5上设置的4个固定面积的沉金电极13、上盖3设置的容纳腔的位置对应；在容纳腔的底部开设有小孔(孔洞-沉金电极可根据需要自行增减，沉金电极13的数量与位置必须与容腔数量、位置相对应)。
[0081]
原理：
[0082]
1)在下pcb板5的本体上设置四个沉金电极13，电极做沉金处理，主要考虑的是依靠金的活性低、导电性优良从而减少双电层(双电层是指电极与背景液之间的界面极化而在电极表面形成的离子层，该离子层类似于平行板电容器)的影响。
[0083]
2)密封垫片的孔洞面积比沉金电极的面积小，可控制实际测量用到的沉金电极13的面积的大小，进而可测量不同体积的细胞。
[0084]
3)该孔洞用于保证周向电极9与下pcb板5连通(密封垫片根据需要可以更换，不同的密封垫片孔径不同)，通过更换不同孔径的密封垫片，进而控制pcb板5上沉金电极实际接入接触区域的面积大小，从而控制电场强度提高细胞检测的灵敏度。
[0085][0086]
式中：
[0087]
ρm分别代表测量体系背景液的电阻率；
[0088]
r表示：测量系统的在无细胞时的阻抗；
[0089]
δr表示：测量体系中被测物与无被测物产生的阻抗差值(本专利被测物为细胞)。
[0090]
d表示：传感器实际接入测量中的直径(即密封垫片的孔洞大小)，当d减小可增大细胞检测的灵敏度；
[0091]
l表示：长pcb板、下pcb板的间距。
[0092]ac
表示：细胞直径。
[0093]
ω表征灵敏度的大小。
[0094]
本技术的用于细胞检测的可拆卸便携传感器在使用时，采用以下步骤：
[0095]
1)选择合适的垫片；
[0096]
2)传感器进行装配；
[0097]
3)在传感器安装好后，将细胞模型14穿过上pcb板2，放置于上盖3中的圆柱检测孔8中(在完成传感器组装以及细胞的放置，将阻抗分析仪上的四个开尔文夹子的一端连接底面电极即sma接口10，另一端连接上pcb板上任意一个sma接头)。
[0098]
实施例一、二中，还需要说明的是：
[0099]
所述每组接头电极安装孔10的数量均为四个，四个接头电极安装孔10采用阵列式分布。
[0100]
所述螺栓孔的数量为六个。
[0101]
所述圆柱检测孔8的数量为四个，四个圆柱检测孔8采用阵列式分布。
[0102]
所述周向电极9的数量为四个，四个周向电极9采用阵列式分布。
[0103]
以上所举实施例为本技术的较佳实施方式，仅用来方便说明本技术，并非对本技术作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本技术所提技术特征的范围内，利用本技术所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本技术的技术特征内容，均仍属于本技术技术特征的范围内。