专利名称：基于多参数检测集成芯片的全自动细胞生理参数分析仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种细胞生理参数分析仪。
背景技术：
细胞外信号检测方法由于可以实现无损，长时程的测量而受到越来越多的关注，相关的技术发展也日新月异，如微电极阵列(MEA)，光寻址电位传感器(LAPS)，细胞电阻抗测量等等也正在向商业化发展。但是，在进行细胞生理实验时，对单一参数的监测往往只能从某一方面反映出细胞的生理活动，而测试环境的复杂性(各种噪声源、长期测试后培养液对电极的腐蚀等)会干扰测试的结果，因此对细胞生理活动机理的揭示需要同时对多种相关的生理参数进行综合分析。目前，现有细胞芯片及分析器件功能单一，只能检测单一的参数，不能实现多生理参数同时检测，成为细胞生理分析快速发展的瓶颈。
2008年4月9日公开的公开号为CN101158677的中国专利申请公开了一种细胞电生理集成芯片和制作方法，该芯片集微电极阵列传感器(microelectrode array, MEA)，光寻址电位传感器(light-addressabl印otentiometric sensor, LAPS)和叉指型细胞-阻抗传感器(interdigitated sensor, IDA)三种传感器于一体，能够同时检测细胞在器件上的贴壁生长状态，动作电位以及细胞新陈代谢产物中多重离子的浓度，用于实现多参数的同时并行检测。 随着细胞多生理参数分析的需求不断上升，以及多参数集成芯片的研究需要，目前还没有分析器可用于多参数集成芯片以及细胞多种生理参数的同步检测和综合分析。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于多参数检测集成芯片的全自动细胞
生理参数分析仪，可对细胞多种生理参数进行同时检测与分析。 本发明解决其技术问题所采取的技术方案是 该基于多参数检测集成芯片的全自动细胞生理参数分析仪包括封闭的测量腔，该测量腔内置有芯片接口装置和多参数集成芯片器件；所述芯片接口装置包括自下而上依次固定联接在一起的底座、芯片接口电路板和封盖，所述封盖的中心开有与多参数集成芯片器件相适配的通孔，所述封盖的通孔的上方联接有压力垫片，芯片接口电路板上焊接有弹簧顶针，多参数集成芯片器件置于所述封盖的通孔中，且压力垫片、多参数集成芯片器件和弹簧顶针之间依次形成紧密接触；所述分析仪还包括测量及控制电路和计算机，所述测量及控制电路包括光寻址电位传感器检测电路、阻抗检测电路、微电极阵列检测电路和中央控制电路，所述光寻址电位传感器检测电路、阻抗检测电路、微电极阵列检测电路和计算机分别与中央控制电路连接；光寻址电位传感器检测电路、阻抗检测电路、微电极阵列检测电路分别与芯片接口电路板连接。 进一步地，本发明的分析仪还包括进气阀，该进气阀通过进气管与测量腔相连；所述测量腔内还置有温度传感器、湿度传感器、(A浓度传感器、加热器和加湿器；所述测量及控制电路还包括环境控制电路，该环境控制电路与中央控制电路连接；所述温度传感器、湿
度传感器、C02浓度传感器、加热器、加湿器和进气阀分别与环境控制电路连接。 进一步地，本发明的分析仪还包括进样泵、三通阀和出样泵，所述三通阀、进样泵
和测量腔之间依次通过进样导管连接，所述出样泵和测量腔之间通过出样导管连接，所述
进样导管的出口和出样导管的进口均置于多参数集成芯片器件的培养腔内；所述测量及控
制电路还包括流动分析控制电路；所述进样泵、三通阀和出样泵分别与流动分析控制电路连接。 进一步地，本发明所述底座和芯片接口电路板的中心均开有通孔，所述底座和芯片接口电路板的通孔与封盖的通孔的中心轴线重合。 进一步地，本发明所述阻抗检测电路包括有源晶振、分频器、微控制器、阻抗转换器、偏置调整电路、程控放大电路、衰减及偏置调整电路、阻抗传感器和量程选择电路；所述有源晶振、微控制器、阻抗转换器分别与分频器相连接；所述微控制器、衰减及偏置调整电路、阻抗传感器、量程选择电路、程控放大电路、偏置调整电路、阻抗转换器依次相连；所述微控制器与阻抗转换器相连。 进一步地，本发明所述光寻址电位传感器检测电路包括微控制器、数模转换电路、直接数字频率合成器、放大电路、偏置调整电路、模数转换电路、sin解调电路、功率放大电路、光寻址电位传感器、程控放大电路、带通滤波器、前置放大电路、电流电压转换电路、cos解调电路；所述微控制器分别与数模转换电路、直接数字频率合成器、模数转换电路、程控放大电路、电流电压转换电路相连；所述数模转换电路分别与偏置调整电路、光寻址电位传感器相连；所述直接数字频率合成器、放大电路、偏置调整电路、功率放大电路、光寻址电位传感器、电流电压转换电路、前置放大电路、带通滤波器、程控放大电路、sin解调电路、模数转换电路依次连接；所述放大电路分别与sin解调电路、cos解调电路相连；所述cos解调电路分别与程控放大电路、模数转换电路相连。 进一步地，本发明所述微电极阵列检测电路包括十六路以上的独立的放大及数据采集电路，每路所述放大及数据采集电路包括前置放大器、后级放大器、低通滤波器、输出缓冲电路、数据采集电路；所述前置放大器、后级放大器、低通滤波器、输出缓冲电路、数据采集电路依次连接。 本发明分析仪的工作原理是将培养有细胞的多参数集成芯片器件，通过芯片接口装置与分析仪进行连接，由流动分析控制电路来控制三通阀、进样泵和出样泵的通断及转速，从而完成培养液和药物的自动进样以及清洗废液，实现全自动分析。由环境控制电路对测量腔的温度、湿度、以及C02浓度进行严格的控制使得其维持在细胞最适合生长的环境。多参数集成芯片上的阻抗传感器检测到细胞阻抗的变化由阻抗检测电路检测到并传送给中央控制电路，微电极阵列传感器检测出细胞的胞外动作电位信号由微电极阵列检测电路得到并传送给中央控制电路，光寻址电位传感器检测到细胞代谢的离子变化信号由光寻址电位传感器检测电路得到并传送至中央控制电路。中央控制电路对整个生理采集信号的过程进行控制，并对获取的信号数据进行自动分析后，由usb接口传送到计算机上。
多参数集成芯片集成了微电极阵列，光寻址电位传感器和阻抗传感器三种传感器于一体，该芯片利用微电极阵列记录细胞动作电位频率、幅度、波形以及细胞网络间信号传播速度等参数，利用阻抗传感器测试细胞的生长和黏附状态以及用光寻址电位传感器进行细胞胞外的微环境检测，如离子和分子的代谢成分检测等。 多参数集成芯片通过特别设计的芯片接口装置与分析仪进行连接。芯片与分析仪接口设计主要考虑以下两点一是方便更换多参数集成芯片器件因为多参数集成芯片器件的表面一般培养有细胞，一次测试可能要更换多片芯片。因此要保证芯片更换快速方便，而且更换芯片时不能有太强的震动，以免影响细胞的生长状态。二是芯片接口装置要保证多参数集成芯片器件与分析仪之间电学接触良好，检测信号特别是胞外动作电位的信号幅度非常微弱，不良接触易带来噪声及信号不准确。本发明采用了弹簧顶针，以及压力垫片的方法实现。该设计方案十分方便替换多参数集成芯片器件，在替换的过程中对测量芯片器件引起的震动和损伤也最小。同时芯片接口装置除了可以检测多参数集成芯片，也可以检测单一功能的细胞生理芯片，如独立功能的微电极阵列芯片、阻抗传感器、以及光寻址电位传感器。 分析仪的主要测量对象为活体细胞，在长时间检测中需要保证细胞的生理活性，同时细胞的生长环境直接影响细胞的信号检测结果。因此在分析仪中设计了的环境控制系统，可对测量腔中的温度、湿度、以及C02浓度进行控制与调节，以保证培养于多参数集成芯片器件上的细胞保持正常生理状态以及特殊实验需求。 在细胞生理参数检测实验中，需要经常将更改细胞的培养液以及施加药物进行剌激。分析仪通过流动分析系统来实现整个测量过程的全自动分析。培养液和药物通过进样泵输入到多参数集成芯片器件的表面，通过流动分析控制电路来控制进样泵和出样泵的通断及转速完成培养液和药物的自动注射及废液清洗，通过流动分析控制电路控制三通阀来控制培养液与药物之间的切换。 分析仪的核心功能是并行检测多参数集成芯片上的阻抗传感器、微电极阵列、光寻址电位传感器输出的多种细胞生理信号。因此分析仪包括相应功能部分的检测电路，这些电路可根据芯片的需求进行灵活组合，以及进行复杂性时序逻辑测量。整个电路的设计采用板卡式设计，独立的功能单元为一个独立的板卡。主板主要由环境控制电路，环境控制电路，阻抗检测电路，光寻址电位传感器检测电路，微电极阵列检测电路，流动分析控制电路，中央控制电路，计算机接口，电源模块等组成。这些电路及模块之间相对独立，但通过中央控制电路可以相互进行通讯与控制。本设计还有一个显要的优点，就是分析仪可以根据用户的需求进行灵活定制。根据不同多参数集成芯片的设计，进行灵活组装，如有些实验不需要环境控制部分，有些需求只是用来检测阻抗传感器和光寻址电路传感器两个部分，则不需要多通道信号放大及采集单元的电路板卡。 本分析仪可有效用于多参数集成芯片，可同时检测细胞的动作电位、细胞外多种离子的浓度变化和细胞阻抗参数，具有分析时间短、样品消耗少和效率高等优点。在测量过程中可自动调节测量腔中的温度、湿度及(A浓度，以满足细胞的生长环境要求。同时通过流动分析系统可实现全自动分析功能。可广泛用于细胞生理、药物的筛选和检测领域。此外，该分析仪可实现对单细胞、细胞神经网络的传导以及药物作用后细胞生理状态的实时检测，可对检测结果进行量化。由于采用于独特的芯片接口装置设计、以及板卡式电路设计，本分析仪可适用多种不同多参数集成芯片的检测需求以及多种实验方案的需求。
图1是本发明分析仪的整体结构示意图； 图2是多参数集成芯片结构图； 图3是多参数集成芯片器件的封装示意图； 图4是芯片接口装置的立体结构示意图； 图5是芯片接口电路一种实施方式的示意图； 图6是测量腔内部结构示意图； 图7是流动分析控制电路原理图； 图8是温度控制电路原理图； 图9是湿度控制电路原理图； 图10是C02浓度控制电路原理图； 图11是阻抗传感器检测电路原理图； 图12是光寻址电位传感器检测电路原理图； 图13是微电极阵列检测电路原理图； 图14是测量及控制电路组装实施例的结构示意图； 图15是本发明分析仪的结构示意图； 图16是本发明的多参数集成芯片上光寻址电位传感器测量结果 图17是本发明的多参数集成芯片上阻抗传感器测量结果 图18是本发明的多参数集成芯片上微电极阵列的测量结果图。
图中1、进样泵，2、三通阀，3、培养液容器，4、药物容器，5、芯片接口装置底座，6、芯片接口装置连接支柱，7、多参数集成芯片器件，8、芯片接口装置厚度调节片，9、芯片接口装置压力垫片，10、弹簧顶针，11、芯片接口装置封盖，12、芯片接口电路板，13、封闭的测量腔，14、出样泵，15、出样导管，16、废液容器，17、温度传感器，18、湿度传感器，19、 C02浓度传感器，20、加湿器，21、加热器，22、进气阀，23、 0)2气瓶，24、测量及控制电路，25、芯片接口装置，26、 0)2气体通道，27、流动分析通道，28、电源接口，29、 USB接口 ， 7. 1、多参数集成芯片，7. 11、阻抗传感器，7. 12、参考电极，7. 13、微电极阵列传感器，7. 14、光寻址电位传感器，7. 21、培养腔，7. 22、器件基底，12. 1、弹簧顶针固定孔，12. 2、导线，12. 3、测量及控制电路接口 ， 24. 1、环境控制电路板卡，24. 2、环境控制电路接口 ， 24. 3、阻抗检测电路板卡，24. 4、光寻址电位传感器检测电路板卡，24. 5、微电极阵列检测电路板卡，24. 6、流动分析控制电路板卡，24. 7 、中央控制电路板卡，24. 8 、计算机接口 ， 24. 9 、电源模块。
具体实施例方式
图1给出了整个分析仪的整体结构图。它包括封闭的测量腔13，该测量腔13内置有芯片接口装置、多参数集成芯片器件7、温度传感器17、湿度传感器18丄02浓度传感器19、加热器21和加湿器20。 分析仪包括培养液及药物全自动给样系统。培养液容器3和药物容器4中的液体通过进样泵1流入到多参数集成芯片器件7的表面，用来对芯片上的细胞进行剌激。通过测量及控制电路24中的全流动分析控制电路控制进样泵1的通断和转速，完成对培养液容器3和药物容器4中的液体进行自动注射和清洗，废液通过出样泵16流入废液容器16中，
7三通阀2控制培养液与药物之间的切换。三通阀2、进样泵1和测量腔13之间依次通过进 样导管连接，出样泵14和测量腔13之间通过出样导管连接，进样导管的出口和出样导管的 进口均置于多参数集成芯片器件7的培养腔7. 21内。进样泵1、三通阀2和出样泵14分别 与流动分析控制电路连接。 温度传感器17、湿度传感器18、 C02浓度传感器19、加热器21、加湿器20，进气阀 22分别与环境控制电路连接，构成环境控制系统，实现对测量空里的温度、湿度、C(U农度的 控制。 多参数集成芯片器件的输出信号通过芯片接口装置与测量及控制电路24相连。 测量及控制电路24包括光寻址电位传感器检测电路、电阻抗检测电路、微电极检测电路、 中央控制电路和环境控制电路，所述光寻址电位传感器检测电路、电阻抗检测电路、微电极 检测电路、环境控制电路和计算机分别与中央控制电路连接；光寻址电位传感器检测电路、 电阻抗检测电路、微电极检测电路分别与芯片接口电路板12连接。 图2给出了 2008年4月9日公开的公开号为CN101158677的中国专利申请公开 的一种多参数集成芯片的结构。在Si基底正面中间集成微电极阵列7. 13，在微电极阵列 7. 13两侧分别集成阻抗传感器7. 11和光寻址电位传感器7. 14，在微电极阵列7. 13另外两 侧分别对称设置参考电极7. 12。该类型集成芯片包括一个光寻址电位传感器，一个阻抗传 感器，以及含35个微电极的微电极阵列。 图3给出了多参数集成芯片器件的封装示意图。多参数集成芯片器件由培养腔 7. 21、多参数集成芯片7. 1、器件基底7. 22组成。多参数集成芯片7. 1与器件基底7. 22通 过点焊进行连接，培养腔7. 21通过无毒胶水固定在多参数集成芯片7. 1和器件基底7. 22 的上方。 图4是分析仪与芯片接口装置的示意图。芯片接口装置中的底座5、芯片接口电路 板12和封盖11自下而上依次固定联接在一起，并通过连接支柱6相固定。封盖ll的中心 开有与多参数集成芯片器件7相适配的通孔。底座5与芯片接口电路板12的中心均开有 通孔，底座5和芯片接口电路板12的通孔与封盖11的通孔的中心轴线重合。封盖ll的通 孔的上方联接有压力垫片9，芯片接口电路板12上焊接有弹簧顶针10。多参数集成芯片器 件7置于封盖11的通孔中，且压力垫片9、多参数集成芯片器件7和弹簧顶针10之间依次 形成紧密接触，其中多参数集成芯片器件7上的焊点分别与芯片接口电路板12上的弹簧顶 针10形成一一接触。仪器实施时，可加入厚度调节片8，置于压力垫片9、多参数集成芯片 器件7之间，以加大多参数集成芯片器件7和弹簧顶针10之间压力，以形成更好的电学接 触。底座5和封盖11用有机玻璃或其它绝缘体加工而成。压力垫片9可采用旋转设计，压 力垫片9可以连接支柱6为轴心进行旋转，方便多参数集成芯片器件7从封盖11的通孔中 放入及取出。芯片接口电路板12与测量及控制电路24上的光寻址电位传感器检测电路、 电阻抗检测电路、微电极检测电路相连接。该设计方案十分方便替换测量芯片，在替换的过 程中对测量芯片引起的震动和损伤也最小。 图5是芯片接口电路板12的其中一个实施例的示意图。其中弹簧顶针固定孔12. 1 用于弹簧顶针10的焊接固定，实现与芯片的良好接触。芯片通过电路板上的导线12. 2输 出信号，整个电路板由测量及控制电路接口 12. 3与测量及控制电路24相连。
图6是封闭的测量腔13结构示意图。在测量腔13的中间部分是多功能集成芯片器件7与仪器的接口装置25。在测量腔13的四周布有温度传感器17、湿度传感器18、和 C02浓度传感器19，以及相应的加热器21，加湿器20，和C02气体通道26。流动分析流通27 用于放置全自动分析过程的液体管道15。 图7是流动分析控制电路原理图。进样泵1、出样泵14、三通阀2分别与MCU相连， 进样泵1、出样泵14与微控制器之间还有数模转换电路。进样泵1与出样泵14都用TTL电 平控制开关及转向，用数模转换电路输出的电压大小来控制泵的转速。数模转换电路输出 的电压由微控制器输出的数字信号进行控制。 图8是温度控制电路原理图。温度传感器17采用铂电阻(Pt100)，与恒电流源、电 阻以及差分放大电路构成三线制测温电路。温度传感器17铂电阻(Pt 100)将温度变化转 换为电阻变化，测温电路将温度传感器17的电阻变分转换为电压输出，由差分放大电路输 出。差分放大电路输出的电压经过模数转换器变成数字信号输入到微控制器。微控制器根 据设定的温度，采用增量式PID算法控制继电器通断，继而控制加热器的加热时间，实现快 速、连续的控温。铂电阻存在非线性，采用最小二乘法解决铂电阻的非线性误差。在实际的 温控系统中，通过飞升曲线计算PID参数的初始值，再进行实际的实验对参数进行逐步的 调整。 图9是湿度控制电路原理图。湿度控制电路与温度控制电路原理相似。湿度传感 器18采用商品化的环保型Humirel湿度模块HTG3515CH，其输出形式是线性电压输出相对 湿度。主要参数0 100% RH相对湿度范围，精度±3% RH，工作温度范围-40 ll(TC， 5s响应时间，0±1% RH迟滞。湿度传感器输出的模拟电压信号经过模数转换器变成数字信 号输入到微控制器。微控制器根据设定的湿度，控制继电器通断，继而控制加湿器的加湿时 间。 图10是C02浓度控制电路原理图。C02浓度传感器19采用了英国GSS公司C20 红外(A浓度传感器，是采用锑化铟铝(NDIR LED技术)的气体传感器和系统，输出为TTL level RS232信号。C02浓度传感器将C02浓度信息转化为数字信号后输入到MCU。 MCU根 据设定的参数，控制继电器，进而控制进气阀22的关闭。C02通过专业的外置气瓶23来实 现给气，外置气瓶不是本分析仪的标准组成部分。 图11所示为阻抗检测电路原理图。阻抗检测电路以数字锁相放大器为核心，锁相 放大器的核心采用阻抗转换器ASIC-AD5933。阻抗转换器AD5933是ADI公司推出的一款 阻抗测量集成芯片，是一个高精度的阻抗转换系统解决方案，内部集成了频率发生器和12 位1MSPS的模数转换器。由于需要在阻抗测量中施加的剌激信号必须足够小才能保证系统 的线形条件使得剌激信号不会改变系统本身的特性，AD5933输出的2V峰峰值不适合作为 传感器的激励信号，故需对其做衰减和偏置的调整。衰减电路由2级构成，分别衰减20倍 和10倍。使得输出在10mV峰峰值，达到传感器输入的要求。由于AD5933输入范围只能为 0-3. 3V电压，故需要使用偏置调整电路对前级输出信号叠加一个1. 5V的直流偏置。通过一 个同相加法器实现偏置的叠加。 图12是光寻址电位传感器检测电路原理图。该部分电路以模拟锁相放大器的为 核心，采用直接数字频率合成器DDS作为信号发生器，经过放大电路，传入传感器单元，输 出信号经过处理后，与参考信号进行解调。整个电路单元的主控单元采用了 TI公司的高 性能MSP430单片机。信号发生电路采用了直接数字频率合成技术，利用ADI公司生产的AD9854芯片产生2路频率和幅度可调的正交信号，频率为100HZ-100KHZ。直接数字频率合 成器DDS直接输出的信号幅度较小，需要经过放大才能供后级电路使用。为保证传感器的 线性输入信号要再经过衰减和直流偏置调整才能驱动传感器为了达到通过量程切换来提 高检测精度，在电流电压转换中通过模拟开关来切换反馈电阻。运放采用TI公司生产的 0PA627高性能放大器，可提供较高的带宽(16MHZ)，非常小的偏置电流(1PA)和以及低噪声 性能。电压前置放大使用电路为标准同相放大电路。放大倍数设定为ll倍，本级使用的是 超低噪声的宽带运算放大器LMH6624，其广谱噪声低至0. 92nV/sqrtHz。由于锁相放大器的 模拟通路均为交流耦合，放大器的1/f噪声不会对系统性能产生影响。程控放大器提供放 大倍数的微调，以达到混频器和AD转换器的最佳输入范围。解调器的参考信号由DDS信号 发生器提供。解调后的输出包括输入信号与参考信号的和频及差频。通过低通滤波器得到 差频信号，完成同步解调。采用2个AD630解调器即可同时解调出阻抗的实部和虚部。由 于AD转换器只能输入正电压，但低通输出信号可能为负值。信号再做近一步调理并抬高以 后通过抗混叠电路输入到AD转换器。AD转换器为TI公司生产的ADS 1256高精度差分输 入AD转换器。其采样速率可达30KSPS，对于采集直流信号来说完全够用。采用DAC8811电 流型DA并配合外置高精度运放0PA2277完成可程控输出-2. 5V—2. 5V的电压。LTC1821高 精度电压型DA转换器用于提供光寻址电位传感器所需要的-10V—10V直流偏置。
图13是微电极陈列检测电路原理图。微电极陈列检测电路包括多通道的放大器， 以及高速数据采集模块。信号经前置放大器、后级放大器两级放大后，通过低通滤波器滤波 后，经输出缓冲后到达数据采集电路。 图14给出了分析仪的检测及控制电路实施例示意图。整个设计采用板卡式设计， 独立的功能单元为一个独立的板卡。主板主要由电源模块24. 9、中央控制单元24. 7及电 脑USB接口单元24.8、测量腔接口 24.2、以及总线等组成。仪器包括的主要电路功能块有 环境控制电路24. 1、全自动分析控制电路24. 6、阻抗检测电路24. 3、光寻址电位传感器检 测电路24. 4、以及微电极阵列检测电路24. 5等。光寻址电位传感器检测电路24. 4、电阻抗 检测电路24. 3、微电极阵列检测电路24. 5、环境控制电路24. l和计算机分别与中央控制电 路连接。这些功能模块相互之间相对独立，但通过中央控制单元24. 7可以相互进行通讯与 控制。本设计还有一个显要的优点，就是仪器可以根据用户的需求进行灵活定制。根据不 同集成芯片的设计，进行仪器听灵活组装，如有些实验不需要环境控制部分。
图15所示为多功能细胞生理参数分析仪整体实施例的结构示意图。主要由测量 腔13，测量及控制电路24，进样泵1、出样泵14，培养液容器3、药物容器4、废液容器16，电 源接口 28，电脑USB接口 29等组成部分。测量腔13位于分析仪的上部，含有芯片接口装 置25等。进样泵1、出样泵14，培养液容器3、药物容器4、废液容器16以及相应的控制电 路通过管道形成全自动流动分析系统。测量及控制电路24位于分析仪的后部，通过USB接 口29与计算机相连。整个仪器由220V交流电进行供电。
下面给出本发明的应用实施例。 多参数集成芯片上的光寻址电位传感器主要应用于检测细胞的微环境检测，即胞 外离子浓度检测。实验中，在光寻址电位传感器表面直接是Si3N4，是一种对氢离子敏感的 材料。采用PH分别为6，7，8，9的四种溶液来测量，结果如图16所示。由图中可以看出，随 着PH的减小，曲线沿着偏置电压左移，偏移量与pH值改变量大体成正比。随着pH的减小，溶液中氢离子浓度增大，使得溶液和传感器表面两相之间的电势差增加。这个电势差叠加 到偏置电压后，引起整体测量曲线的左移。根据能斯特方程，两相间的电势差与溶液中的氢 离子活度的对数值(即溶液的pH)成正比。通过检测光寻址电位传感器的电流电压曲线的 偏移，便可得到溶液的pH值。实验结果证明本仪器可正确检测多参数集成芯片上的光寻址 电位传感器的输出。 采用多参数集成芯片上的阻抗传感器测量培养于大面积电极上的细胞群或培养 于微电极上的单个细胞的阻抗特性。这些阻抗测量表明了电活性可兴奋细胞或非可兴奋细 胞类型的增殖、迁移和细胞黏附信息。选择ECV-304内皮细胞，采用金电极在25KHz(大量 实验表明此频率阻抗变化最明显)，10mV剌激下进行长时程贴壁性实验。测量结果如图17 所示，比较真实的反映了细胞贴壁以及凋亡的整个过程。实验结果证明本仪器可正确检测 多参数集成芯片上的阻抗传感器的输出。 实验利用多参数集成芯片上的微电极阵列对原代培养的心肌细胞进行胞外电位 的检测。心肌细胞原代培养2天后贴附在MEA器件表面，细胞呈透明鼓起状，大部分细胞生 长于所需电极位点上。图18所示为微电极阵列的多通道信号输出，可看到明显的胞外动作 电位信号。实验结果证明本仪器可正确检测多参数集成芯片上的微电极阵列的输出。
权利要求
一种基于多参数检测集成芯片的全自动细胞生理参数分析仪，其特征是它包括封闭的测量腔(13)，该测量腔(13)内置有芯片接口装置和多参数集成芯片器件(7)；所述芯片接口装置包括自下而上依次固定联接在一起的底座(5)、芯片接口电路板(12)和封盖(11)，所述封盖(11)的中心开有与多参数集成芯片器件(7)相适配的通孔，所述封盖(11)的通孔的上方联接有压力垫片(9)，芯片接口电路板(12)上焊接有弹簧顶针(10)，多参数集成芯片器件(7)置于所述封盖(11)的通孔中，且压力垫片(9)、多参数集成芯片器件(7)和弹簧顶针(10)之间依次形成紧密接触；所述分析仪还包括测量及控制电路和计算机，所述测量及控制电路包括光寻址电位传感器检测电路、阻抗检测电路、微电极阵列检测电路和中央控制电路，所述光寻址电位传感器检测电路、阻抗检测电路、微电极阵列检测电路和计算机分别与中央控制电路连接；光寻址电位传感器检测电路、阻抗检测电路、微电极阵列检测电路分别与芯片接口电路板(12)连接。
2. 根据权利要求1所述的基于多参数检测集成芯片的全自动细胞生理参数分析仪，其 特征是该分析仪还包括进气阀(22)，该进气阀(22)通过进气管与测量腔(13)相连；所 述测量腔(13)内还置有温度传感器(17)、湿度传感器(18) 、 C02浓度传感器(19)、加热器 (21)和加湿器(20);所述测量及控制电路还包括环境控制电路，该环境控制电路与中央控 制电路连接；所述温度传感器(17)、湿度传感器(18) 、 C02浓度传感器(19)、加热器(21)、 加湿器(20)和进气阀(22)分别与环境控制电路连接。
3. 根据权利要求1或2所述的基于多参数检测集成芯片的全自动细胞生理参数分析 仪，其特征是该分析仪还包括进样泵(D、三通阀(2)和出样泵(14)，所述三通阀(2)、进 样泵(1)和测量腔(13)之间依次通过进样导管连接，所述出样泵(14)和测量腔(13)之 间通过出样导管连接，所述进样导管的出口和出样导管的进口均置于多参数集成芯片器件 (7)的培养腔(7.21)内；所述测量及控制电路还包括流动分析控制电路；所述进样泵(1)、 三通阀(2)和出样泵(14)分别与流动分析控制电路连接。
4. 根据权利要求1或2所述的基于多参数检测集成芯片的全自动细胞生理参数分析 仪，其特征是所述底座(5)和芯片接口电路板(12)的中心均开有通孔，所述底座(5)和芯 片接口电路板(12)的通孔与封盖(11)的通孔的中心轴线重合。
5. 根据权利要求1所述的基于多参数检测集成芯片的全自动细胞生理参数分析仪，其 特征是所述阻抗检测电路包括有源晶振、分频器、微控制器、阻抗转换器、偏置调整电路、 程控放大电路、衰减及偏置调整电路、阻抗传感器和量程选择电路；所述有源晶振、微控制 器、阻抗转换器分别与分频器相连接；所述微控制器、衰减及偏置调整电路、阻抗传感器、量 程选择电路、程控放大电路、偏置调整电路、阻抗转换器依次相连；所述微控制器与阻抗转 换器相连。
6. 根据权利要求1所述的基于多参数检测集成芯片的全自动细胞生理参数分析仪，其 特征是所述光寻址电位传感器检测电路包括微控制器、数模转换电路、直接数字频率合成 器、放大电路、偏置调整电路、模数转换电路、sin解调电路、功率放大电路、光寻址电位传感 器、程控放大电路、带通滤波器、前置放大电路、电流电压转换电路、cos解调电路；所述微 控制器分别与数模转换电路、直接数字频率合成器、模数转换电路、程控放大电路、电流电 压转换电路相连；所述数模转换电路分别与偏置调整电路、光寻址电位传感器相连；所述 直接数字频率合成器、放大电路、偏置调整电路、功率放大电路、光寻址电位传感器、电流电压转换电路、前置放大电路、带通滤波器、程控放大电路、sin解调电路、模数转换电路依次 连接；所述放大电路分别与sin解调电路、cos解调电路相连；所述cos解调电路分别与程 控放大电路、模数转换电路相连。
7.根据权利要求1所述的基于多参数检测集成芯片的全自动细胞生理参数分析仪， 其特征是所述微电极阵列检测电路包括十六路以上的独立的放大及数据采集电路，每路 所述放大及数据采集电路包括前置放大器、后级放大器、低通滤波器、输出缓冲电路、数据 采集电路；所述前置放大器、后级放大器、低通滤波器、输出缓冲电路、数据采集电路依次连 接。
全文摘要
本发明公开了一种基于多参数检测集成芯片的全自动细胞生理参数分析仪，包括封闭的测量腔，测量腔内置有芯片接口装置和多参数集成芯片器件；芯片接口装置包括自下而上依次固定联接在一起的底座、芯片接口电路板和封盖，封盖的中心开有与多参数集成芯片器件相适配的通孔，封盖的通孔的上方联接有压力垫片，芯片接口电路板上焊接有弹簧顶针，多参数集成芯片器件置于封盖通孔中，且压力垫片、多参数集成芯片器件和弹簧顶针之间依次形成紧密接触；计算机、测量及控制电路的光寻址电位传感器检测电路、阻抗检测电路、微电极阵列检测电路分别与中央控制电路连接；光寻址电位传感器检测电路、阻抗检测电路、微电极阵列检测电路分别与芯片接口电路板连接。
文档编号G01N35/00GK101705184SQ20091015485
公开日2010年5月12日 申请日期2009年11月26日 优先权日2009年11月26日
发明者余辉, 吴成雄, 王君, 王平, 程功, 肖丽丹, 胡宁, 胡朝颖, 蔡华 申请人:浙江大学