一种细胞生理信息检测系统及其检测方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于平面膜片钳技术及机器人化探针操控技术的细胞生理信息检测装置和方法。一种细胞生理信息检测系统，包括平面膜片钳模块与纳米操作机器人模块连接;平面膜片钳模块：用于实现细胞的吸附、封接和破膜；纳米操作机器人模块：用于实现对细胞进行纳米观测及纳米操作。一种细胞生理信息检测方法，通过控制宏微运动平台和Z向纳米扫描器带动探针实现纳米级位移；由光电传感器检测激光偏转信号反馈至数据处理与人机交互界面，得到探针受到的接触力，并通过电极及信号放大器实现离子电流的同步检测。本发明能够利用扫描探针在细胞表面施加皮牛顿级到纳牛顿级的超微机械力刺激，同时利用平面膜片钳实现对细胞的机械门控离子通道电流的检测。
【专利说明】一种细胞生理信息检测系统及其检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多参数活体细胞生理信息检测技术，具体地说是一套多参数活体 细胞生理信息检测系统及其检测方法，主要用于生命科学领域。 技术背景
[0002] 目前，基于细胞水平的多学科交叉研究正成为新的技术发展动力。运用活体细胞 生理状态下的微观测与微操控理论方法，提取反映机体状态与反映的细胞水平的生物标志 信息，无疑将成为生命科学领域新技术发展的关键技术。
[0003] 目前基于细胞水平的科学研究主要依赖于以下两个方面：
[0004] 基于生物电流检测原理的膜片钳技术。运用微管道与微信号处理技术，实现活体 细胞的离子通道检测，已成为生物医学基础研究和药物筛选的重要方法。但是目前市场上 此类商业化产品只能实现电压门控离子通道检测，无法实现机械门控离子通道检测。
[0005] 基于细胞活性状态的物理特征检测技术。运用微纳米观测操控技术，探索细胞 机械特性(硬度、振动等)，用以表征细胞的活性及其健康水平，建立细胞生理状态的特征描 述，近年来已成为微纳米与生物学结合发展的重要方向，这对促进生物学研究进展，探索重 大疾病的早期诊断方法具有极其重要的意义。目前，市场上生物型原子力显微镜是对进行 细胞进行微纳米观测与操控的有效手段，遗憾的是目前此类产品缺乏对细胞离子通道电流 的检测能力。
[0006] 本发明将结合平面膜片钳技术和机器人化探针操控技术，建立一套细胞生理信息 检测系统和检测方法。该系统除了具有平面膜片钳的离子通道检测功能和原子力显微镜的 活体细胞高分辨率表征、活体细胞物理量检测、分子力检测等功能外，依靠本方法还可实现 细胞超微机械刺激与电生理信号的同步施加和检测、人为干预的机器人化纳米操作及细胞 电生理信号检测等功能。本发明为开展生命科学领域中跨膜信号转导、机械门控离子通道、 细胞生物特征检测、生物分子相互识别与靶标测试等重要科学实验研究提供系统支撑和技 术手段。
【发明内容】
[0007] 针对活体细胞研究中对高分辨率表征、纳米操作、离子通道检测、物理量检测及分 子力检测等多种参数检测的功能需求，本发明目的在于提供一种同时满足上述功能需求的 活体细胞生理信息检测系统及其检测方法。
[0008] 本发明的技术方案如下：
[0009] -种细胞生理信息检测系统，包括：平面膜片钳模块与纳米操作机器人模块连 接；平面膜片钳模块：用于实现细胞的吸附、封接和破膜、以及离子通道电流检测；纳米操 作机器人模块：用于实现对细胞进行纳米观测及纳米操作。
[0010] 所述平面膜片钳模块包括平面膜片钳电极、与其连接的膜片钳信号放大器和微压 力控制系统、以及与膜片钳信号放大器连接的数据采集卡；微压力控制系统与纳米操作机 器人模块连接。
[0011] 所述纳米操作机器人模块包括：宏微运动平台控制器与上面固定有XY向纳米扫 描器的宏微运动平台连接，纳米操作与观测控制器与XY向纳米扫描器、数据处理与人机交 互界面、连接有探针的Z向纳米扫描器连接，数据处理与人机交互界面与数据采集卡、光学 显微镜、宏微运动平台控制器、微压力控制系统连接，光电传感器与纳米操作与观测控制器 连接，激光器与直角棱镜、光学显微镜固定于XY向纳米扫描器上方；XY向纳米扫描器上面 固定有平面膜片钳电极。
[0012] 所述纳米操作机器人模块还包括与数据处理与人机交互界面连接的3D力反馈操 作器。
[0013] 所述平面膜片钳电极包括两个微电极、与平面膜片钳芯片连接的微流控腔体、细 胞外液腔体；一个微电极一端接入由细胞外液腔体形成的细胞外液腔，另一端与膜片钳信 号放大器连接；另一个微电极一端接入微流控腔体内的细胞内液腔，另一端与膜片钳信号 放大器连接；微流控腔体通过入液微管道和出液微管道与微压力控制系统连接。
[0014] 所述细胞外液腔体固定于平面膜片钳芯片上，细胞外液腔体中心带有圆孔，用于 放置和吸附细胞。
[0015] 一种细胞生理信息检测方法，包括以下步骤：
[0016] 1)通过数据处理与人机交互界面控制微压力控制系统，使平面膜片钳电极内形成 负压，实现细胞在平面膜片钳芯片上的吸附及吉欧封接；
[0017] 2)通过控制宏微运动平台实现细胞和探针的微米级粗定位；
[0018] 3)通过控制Z向纳米扫描器带动探针向细胞接近实现纳米级位移，探针与细胞表 面的接触时，探针悬臂梁在细胞表面的作用力下发生偏转，由光电传感器检测激光的偏转 信号后，通过纳米操作与观测控制器发送给数据处理与人机交互界面；
[0019] 4)数据处理与人机交互界面根据偏转信号得到探针所受到的接触力，利用纳米操 作与观测控制器调节Z向纳米扫描器的位移，直到接触力达到设定值为止；
[0020] 5)细胞经过探针的机械力刺激后产生离子电流，通过电极及信号放大器实现离子 电流的同步检测；
[0021] 6)信号放大器检测的离子电流信号，经过数据采集卡转换成数字信号后传输给数 据处理与人机交互界面，并进行数据及图形显示。
[0022] 所述数据处理与人机交互界面根据偏转信号得到探针所受到的接触力通过以下 公式实现：
[0023]
【权利要求】
1. 一种细胞生理信息检测系统，其特征在于包括：平面膜片谢模块与纳米操作机器人 模块连接；平面膜片谢模块；用于实现细胞的吸附、封接和破膜、W及离子通道电流检测； 纳米操作机器人模块：用于实现对细胞进行纳米观测及纳米操作。
2. 按权利要求1所述的细胞生理信息检测系统，其特征在于：所述平面膜片谢模块包 括平面膜片谢电极（14)、与其连接的膜片谢信号放大器（15)和微压力控制系统（16)、W及 与膜片谢信号放大器（15)连接的数据采集卡（11);微压力控制系统（16)与纳米操作机器 人模块连接。
3. 按权利要求1所述的细胞生理信息检测系统，其特征在于：所述纳米操作机器人模 块包括；宏微运动平台控制器（1)与上面固定有XY向纳米扫描器（3)的宏微运动平台（2) 连接，纳米操作与观测控制器（4)与XY向纳米扫描器（3)、数据处理与人机交互界面（12)、 连接有探针（10)的Z向纳米扫描器（9)连接，数据处理与人机交互界面（12)与数据采集 卡（11)、光学显微镜（7)、宏微运动平台控制器（1)、微压力控制系统（16)连接，光电传感器 (5)与纳米操作与观测控制器（4)连接，激光器（6)与直角棱镜（8)、光学显微镜（7)固定于 XY向纳米扫描器（3)上方；XY向纳米扫描器（3)上面固定有平面膜片谢电极（14)。
4. 按权利要求1所述的细胞生理信息检测系统，其特征在于：所述纳米操作机器人模 块还包括与数据处理与人机交互界面（12)连接的3D力反馈操作器（13)。
5. 按权利要求1所述的细胞生理信息检测系统，其特征在于；所述平面膜片谢电极 (14)包括两个微电极（20、23)、与平面膜片谢芯片（26)连接的微流控腔体（29)、细胞外液 腔体（18);-个微电极（20)-端接入由细胞外液腔体（18)形成的细胞外液腔（22)，另一端 与膜片谢信号放大器（15)连接；另一个微电极（23)-端接入微流控腔体（29)内的细胞内 液腔（24)，另一端与膜片谢信号放大器（15)连接；微流控腔体（29)通过入液微管道（27)和 出液微管道（28)与微压力控制系统（16)连接。
6. 按权利要求5所述的细胞生理信息检测系统，其特征在于：所述细胞外液腔体（18) 固定于平面膜片谢芯片（26)上，细胞外液腔体（18)中也带有圆孔，用于放置和吸附细胞。
7. -种细胞生理信息检测方法，其特征在于包括W下步骤： 1) 通过数据处理与人机交互界面（12)控制微压力控制系统（16)，使平面膜片谢电极 (14)内形成负压，实现细胞（21)在平面膜片谢芯片（26)上的吸附及吉欧封接； 2) 通过控制宏微运动平台（2)实现细胞（21)和探针（10)的微米级粗定位； 3) 通过控制Z向纳米扫描器（9)带动探针（10)向细胞接近实现纳米级位移，探针（10) 与细胞表面的接触时，探针（10)息臂梁在细胞表面的作用力下发生偏转，由光电传感器 (5)检测激光（19)的偏转信号后，通过纳米操作与观测控制器（4)发送给数据处理与人机 交互界面（12); 4) 数据处理与人机交互界面（12)根据偏转信号得到探针（10)所受到的接触力，利用 纳米操作与观测控制器（4)调节Z向纳米扫描器（9)的位移，直到接触力达到设定值为止； 5) 细胞（21)经过探针（10)的机械力刺激后产生离子电流，通过电极（20、23)及信号 放大器（15)实现离子电流的同步检测； 6) 信号放大器（15)检测的离子电流信号，经过数据采集卡（11)转换成数字信号后传 输给数据处理与人机交互界面（12)，并进行数据及图形显示。
8. 按权利要求7所述的一种细胞生理信息检测方法，其特征在于：所述数据处理与人 机交互界面（12)根据偏转信号得到探针（10)所受到的接触力通过W下公式实现：
其中，Fx、Fy、Fz为作用在针尖的H维接触力，1为息臂梁的长度，h为针尖高度；Si和S。 是光电传感器的水平和垂直偏差信号，^为针尖运动方向与X坐标轴夹角，ki为息臂梁的扭 转系数，k为息臂梁的弹性系数，A，B，C，D为光电传感器四个象限输出的电信号。
9. 一种细胞生理信息检测方法，其特征在于包括W下步骤： 1-1)通过数据处理与人机交互界面（12)控制微压力控制系统（16)使平面膜片谢电极 (14)内形成负压，实现细胞（21)在平面膜片谢芯片（26)上的吸附及吉欧封接； 1-2)通过控制宏微运动平台（2)实现细胞（21)和探针（10)的微米级粗定位； 1-3)操作者手动操作3D力反馈操作器（13)，操作手柄的位置信息经过数据处理与人 机交互界面（12)进行坐标变换得到探针（10)的位置数字信息后，传递给纳米操作与观测 控制器（4); 1-4)纳米操作与观测控制器（4)把得到的探针位置数字信息变换成相应的控制电压， 控制XY向纳米扫描器（3)及Z向扫描器（9)来产生水平和垂直位移，使探针（10)跟随3D 力反馈操作器（13)向细胞进行实时运动； 1-5)探针（10)与细胞（21)表面接触时，探针（10)息臂梁在细胞表面的作用力下发生 偏转，由光电传感器（5 )检测激光（19 )的偏转信号后，通过纳米操作与观测控制器（4 )发送 给数据处理与人机交互界面（12); 1-6)数据处理与人机交互界面（12)根据激光的偏转信号得到探针所受到的接触力，并 进行放大后传递给力反馈操作器（13); 1-7)细胞（21)经过探针（10)的机械力刺激后产生离子电流，通过微电极（20、23)及 信号放大器（15)可实现离子电流的同步检测； 1-8 )数据采集卡（11)将信号放大器（15 )检测的离子电流信号转换成数字信号后传输 给数据处理与人机交互界面（12)，并进行数据及图形显示。
10. 按权利要求9所述的一种细胞生理信息检测方法，其特征在于：所述数据处理与人 机交互界面（12)根据偏转信号得到探针（10)所受到的接触力通过W下公式实现：
其中，Fx、Fy、Fz为作用在针尖的H维接触力，1为息臂梁的长度，h为针尖高度；Si和Sn 是光电传感器的水平和垂直偏差信号，^为针尖运动方向与X坐标轴夹角，ki为息臂梁的扭 转系数，k为息臂梁的弹性系数，A，B，C，D为对光电传感器四个象限输出的电信号。
【文档编号】C12Q1/02GK104419642SQ201310374751
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年8月22日 优先权日:2013年8月22日
【发明者】刘连庆, 于鹏, 张常麟, 李鹏, 李广勇 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所