一种基于氧化/还原探针的细胞生长以及形态变化检测装置及检测方法

摘要

本发明提供了一种基于氧化/还原探针的细胞生长以及形态变化检测装置。它包括参比电极、产生电极、收集电极以及对电极，所述产生电极和收集电极之间的距离小于等于100微米，它还设有检测收集电极上的电极动力学参数的双电极恒电流电位仪。本发明还提供了一种基于氧化/还原探针的细胞生长以及形态变化检测装置的细胞生长检测方法，它通过间隔一定时间测量收集电极上的电流或电化学反应阻抗，并对比所测数据得到测量结果。本发明还提供一种基于氧化/还原探针的细胞生长以及形态变化检测装置的细胞形态变化检测方法。它通过测量和对比加入影响细胞生长和形态变化的试剂前后的收集电极上的电流或电化学反应阻抗得到该试剂对细胞生长以及形态变化的影响结果。本发明所提供的检测装置和检测方法具有更高的灵敏度。

说明书

                           技术领域

本发明涉及一种基于氧化/还原探针的细胞生长以及形态变化检测装置与方法。本发明的主要应用领域包括生化、环保以及食品安全等。

                           背景技术

细胞的生长以及形态变化是一项在很多领域都有十分重要意义的参数，例如，在发酵过程中，溶液中细胞的数目是发酵过程的一个重要指标。在现代新药开发中，往往通过各种不同化合物对细胞的生长，形态以及性能，如细胞和容器壁的粘附性等参数的影响来实现药物筛选。在环境检测中，河水、湖水等水溶液对细胞生长的影响也是一种环境监测的常用方法。

目前，对细胞生长以及形态变化的主要检测方法还是光学法。它向溶液先发射一束光，由于一般细胞对光线的通过由阻挡和反射作用，所以通过对透射和反射光的测量可以测出溶液中细胞生长以及形态变化的情况，但是光学法在一些有色溶液中使用不是很方便。人们也提出了采用电阻抗频谱的原理来对细胞生长以及形态的变化进行测量，其原理是基于细胞壁在低频交流信号段呈现高阻抗而在高频交流信号段呈现低阻抗的原理来进行检测，通过对比测量含有细胞的溶液在不同的信号频段的阻抗来推知溶液中细胞的浓度，该方法一般对细胞浓度较高的情况适用。

                           发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种提高灵敏度的基于氧化/还原探针的细胞生长以及形态变化检测装置。为此，本发明采用以下技术方案：它包括参比电极、产生电极、收集电极以及对电极，所述产生电极和收集电极之间的距离小于等于100微米，它还设有检测收集电极上的电极动力学参数的双电极恒电流电位仪。

当两个电极的间隔很小时，在小于等于100微米时，由于离子在溶液中的扩散运动，在一个电极上产生的离子可以很快到达另一个电极从而另一个电极的电化学反应。而细胞是一种生物电介质，当电极装置浸入到水中时，一些细胞会在电极表面吸附沉积，这些吸附沉积的细胞就会阻挡溶液中的离子运动到达电极表面发生电化学反应。采用本发明的技术方案，细胞的这种阻挡效应更为显著，以[Fe(CN)₆]^3-/4-为例，当细胞吸附在电极表面是，[Fe(CN)₆]^4-离子必须首先克服产生电极表面细胞的阻挡作用，使得它的二价铁离子在产生电极上被氧化，然后生成的[Fe(CN)₆]^3-离子通过扩散到达收集电极上，再克服收集电极表面细胞的阻挡作用，被还原成[Fe(CN)₆]^4-。然后生成的[Fe(CN)₆]^4-离子再通过扩散到达产生电极，这样循环往复，一直进行下去。在产生电极和收集电极上的电化学反应都会受到细胞吸附作用的影响。同时，这种影响又随着吸附细胞数目的多少，形态的不同而变化。所以通过对比收集电极上的电化学反应参数的变化，可以更灵敏的测出溶液中细胞生长和形态的变化。在本发明的技术方案中，产生电极和收集电极之间的距离越小，其检测灵敏度越高，只要保证产生电极和收集电极之间不接触即可。考虑工艺难度并综合考虑灵敏度，产生电极和收集电极之间的距离在大于等于80纳米至小于等于100微米之间，是比较经济并且保证测量结果高精度的选择。

本发明另一个所要解决的技术问题是提供一种高灵敏度的基于氧化/还原探针的细胞生长以及形态变化检测装置的细胞生长检测方法。为此，本发明采用以下技术方案：间隔一定时间分别进行以下操作：以参比电极为电位参考点，在产生电极上施加一氧化电压，收集电极上施加一还原电压，然后测量流经收集电极上的电流；在上述操作结束后对比收集电极上的电流得到测量结果；

或间隔一定时间分别进行以下操作：以参比电极为电位参考点，在产生电极上施加一还原电压，收集电极上施加一氧化电压，然后测量流经收集电极上的电流；在上述操作结束后对比收集电极上的电流得到测量结果。

上述检测方法还可以采用以下技术方案：间隔一定时间分别进行以下操作：以参比电极为电位参考点，在产生电极上施加一氧化电压，收集电极上施加一还原电压，然后再叠加一幅度较小的交流电压，然后测量收集电极上的电化学反应阻抗；在上述操作结束后对比收集电极上的电化学反应阻抗得到测量结果；

或间隔一定时间分别进行以下操作：以参比电极为电位参考点，在产生电极上施加一还原电压，收集电极上施加一氧化电压，然后再叠加一幅度较小的交流电压，然后测量收集电极上的电化学反应阻抗；在上述操作结束后对比收集电极上的电化学反应阻抗得到测量结果。

本发明采用测量收集电极上的电化学反应参数的方法进行测量，参数变化范围大，能获得更高的检测灵敏度。

本发明再一个所要解决的技术问题是提供一种高灵敏度的基于氧化/还原探针的细胞生长以及形态变化检测装置的细胞形态变化检测方法。为此，本发明采用以下技术方案：在向细胞溶液中加入影响细胞生长和形态变化的试剂前后分别进行以下操作：以参比电极为电位参考点，在产生电极上施加一氧化电压，收集电极上施加一还原电压，然后测量流经产生电极和收集电极上的电流；在上述操作结束后对比收集电极上的电流得到该试剂对细胞生长以及形态变化的影响结果；

或在向细胞溶液中加入影响细胞生长和形态变化的试剂前后分别进行以下操作：以参比电极为电位参考点，在产生电极上施加一还原电压，收集电极上施加一氧化电压，然后测量流经收集电极上的电流；在上述操作结束后对比收集电极上的电流得到该试剂对细胞生长以及形态变化的影响结果。

上述检测方法还可以采用以下技术方案，在向细胞溶液中加入影响细胞生长和形态变化的试剂前后分别进行以下操作：以参比电极为电位参考点，在产生电极上施加一氧化电压，收集电极上施加一还原电压，然后再叠加一幅度较小的交流电压，然后测量收集电极上的电化学反应阻抗；在上述操作结束后对比收集电极上的电化学反应阻抗得到该试剂对细胞生长以及形态变化的影响结果；

或在向细胞溶液中加入影响细胞生长和形态变化的试剂前后分别进行以下操作：以参比电极为电位参考点，在产生电极上施加一还原电压，收集电极上施加一氧化电压，然后再叠加一幅度较小的交流电压，然后测量收集电极上的电化学反应阻抗；在上述操作结束后对比收集电极上的电化学反应阻抗得到该试剂对细胞生长以及形态变化的影响结果。

本发明采用测量收集电极上的电化学反应参数的方法进行测量，参数变化范围大，能获得更高的检测灵敏度，能检测出细胞的微小形态变化。

                        附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为采用叉指电极实施方式的本发明结构示意图。

                      具体实施方式

实施例1溶液中细胞生长的检测

参照附图1。本发明包括参比电极1、产生电极2、收集电极3以及对电极4，所述产生电极和收集电极之间的距离小于等于100微米大于等于X微米。附图2为本发明采用叉指电极形式的实施示意图，在图中，参比电极、对电极的附图标号与图1相同，产生电极的附图标号为5，收集电极的附图标号为6。本发明还设有检测收集电极上的电极动力学参数的双电极恒电流电位仪7。

在这里，参比电极的作用主要是用来提供电压基准，对电极用来提供电极旁路，使得电流从对电极而不是从参比电极流过，以避免电流对参比电极的电压的影响。产生电极和收集电极是本发明中起主要作用的电极。

本实施例用于溶液中细胞生长的检测。在本实施例中，产生电极5和收集电极6采用叉指电极的结构(如图2所示)，其目的主要是在保持产生电极和收集电极微小间距的前提下同时增大两电极的工作面积。参比电极、产生电极，收集电极以及对电极都采用标准集成电路加工工艺，通过溅射或蒸镀的方法在玻璃基底上形成，其中参比电极所采用的材料为银，而产生电极，收集电极以及对电极所采用的材料为金。产生电极和收集电极的叉指宽度为5微米，叉指间的距离也为5微米。在实际检测中，首先将装置浸入含有肺成纤维细胞(V79)的被测溶液中，并加入[Fe(CN)₆]^3-/4-使得溶液中最终[Fe(CN)₆]^3-/4-的浓度为10mM。以参考电极为基准，在产生电极上施加0.4V电压，而在收集电极上施加-0.2V电压，这样在产生电极上[Fe(CN)₆]^4-分子中的二价铁就被氧化成三价铁，从而[Fe(CN)₆]^4-成为[Fe(CN)₆]^3-；而在收集电极上[Fe(CN)₆]^3-分子中的三价铁被还原成二价铁，从而[Fe(CN)₆]^3-成为[Fe(CN)₆]^4-。然后测试收集电极上流经的电流。在实验刚开始时，在收集电极上测得电流为300微安；经过1小时后，在收集电极上测得电流为250微安；经过5小时后，在收集电极上测得电流为150微安；经过24小时后，在收集电极上测得电流为50微安。对比上述电流数值，即可推知被测溶液中细胞的生长情况。

上述检测方法也可以是间隔一定时间分别进行以下操作：以参比电极为电位参考点，在产生电极上施加一还原电压，收集电极上施加一氧化电压，然后再叠加一幅度较小的交流电压，然后测量收集电极上的电化学反应阻抗；在上述操作结束后对比收集电极上的电化学反应阻抗得到测量结果。

实施例2溶液中细胞生长的检测

本实施例所提供的检测装置与实施例1相同。在实际检测中，首先将装置浸入含有肺成纤维细胞(V79)的被测溶液中，并加入[Fe(CN)₆]^3-/4-使得溶液中最终[Fe(CN)₆]^3-/4-的浓度为10mM。以参考电极为基准，在产生电极上施加0.4V电压，而在收集电极上施加-0.2V直流电压叠加一幅度较小的交流电压，一般，交流电压小于10mV，本实施例的采用频率从1Hz到1MHz幅值为10mV的正弦交流电压，采用标准电化学阻抗法测试收集电极上电化学反应阻抗。在实验刚开始时，在收集电极上测得电极阻抗为400欧姆，而经过1小时后，在收集电极上测得电极阻抗为600欧姆。经过24小时后，在收集电极上测得电极阻抗为2000欧姆。对比上述电化学反应阻抗数值，即可推知被测溶液中细胞的生长情况。

上述检测方法也可以是间隔一定时间分别进行以下操作：以参比电极为电位参考点，在产生电极上施加一还原电压，收集电极上施加一氧化电压，然后再叠加一幅度较小的交流电压，然后测量收集电极上的电化学反应阻抗；在上述操作结束后对比收集电极上的电化学反应阻抗得到测量结果。

实施例3溶液中细胞形态变化的测量

本实施例的检测装置结构和实施例一相同。在实际检测中，首先将装置浸入含有肺成纤维细胞(V79)的被测溶液中，并加入[Fe(CN)₆]^3-/4-使得溶液中最终[Fe(CN)₆]^3-/4-的浓度为10mM。以参考电极为基准，在产生电极上施加0.4V电压，而在收集电极上施加-0.2V电压，测试收集电极上流经的电流，为300微安。然后，向溶液中加入氯化汞，并使得最终溶液中氯化汞的浓度为80微摩，测试收集电极上流经的电流，为420微安。对比上述电流数值，即可推知被测溶液中细胞生长和形态变化情况，获得氯化汞对细胞生长和形态的影响结果。

上述检测方法也可以是在加入氯化汞前后分别进行以下操作：以参比电极为电位参考点，在产生电极上施加一还原电压，收集电极上施加一氧化电压，然后测量流经收集电极上的电流；在上述操作结束后对比收集电极上的电流即可推知被测溶液中细胞生长和形态变化情况，获得氯化汞对细胞生长和形态的影响结果。

实施例4溶液中细胞形态变化的测量

本实施例的检测装置结构和实施例一相同。在实际检测中，首先将装置浸入含有肺成纤维细胞(V79)的被测溶液中，并加入[Fe(CN)₆]^3-/4-使得溶液中最终[Fe(CN)₆]^3-/4-的浓度为10mM。以参考电极为基准，在产生电极上施加0.4V电压，而在收集电极上施加-0.2V直流电压叠加一幅度较小的交流电压，一般，交流电压小于10mV，本实施例的采用频率从1Hz到1MHz幅值为10mV的正弦交流电压，采用标准电化学阻抗法测试收集电极上电化学反应阻抗。在实验刚开始时，在收集电极上测得电极阻抗为400欧姆，然后，向溶液中加入氯化汞，并使得最终溶液中氯化汞的浓度为80微摩，在收集电极上测得电极阻抗为150欧姆。对比上述电化学反应阻抗数值，即可推知被测溶液中细胞生长和形态变化情况，获得氯化汞对细胞生长和形态的影响结果。

上述检测方法也可以是在加入氯化汞进行反应前后分别进行以下操作：以参比电极为电位参考点，在产生电极上施加一还原电压，收集电极上施加一氧化电压，然后再叠加一幅度较小的交流电压，然后测量收集电极上的电化学反应阻抗；在上述操作结束后对比收集电极上的电化学反应阻抗即可推知被测溶液中细胞生长和形态变化情况，获得氯化汞对细胞生长和形态的影响结果。