CN203772786U - 芯片式叉指阵列电极阻抗传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种芯片式叉指阵列电极阻抗传感器，包括玻璃培养皿、阻抗敏感元件、载玻片、细胞微培养腔、阵列开关、阻抗分析仪和处理器；所述载玻片设置在玻璃培养皿内，所述阻抗敏感元件设置在载玻片上，所述细胞微培养腔设置于阻抗敏感元件所在的区域之上；所述阻抗敏感元件与阵列开关连接，所述阵列开关、阻抗分析仪、处理器依次连接。该传感器能实现单细胞和多细胞的状态及外界刺激对细胞影响的监测。
Description
技术领域
本实用新型涉及细胞检测领域，具体涉及一种对细胞行为进行检测的芯片式叉指阵列电极阻抗传感器。
背景技术
传统生物检测方法包括生化和免疫学检测，如采用荧光染料标记法可检测多种特征蛋白；采用MTT/XTT比色法测定细胞活性等。上述传统生化检测方法需要对待测样本进行标记，无法监测细胞的中间过程状态；另一方面，上述方法均为终点测试，不能对细胞进行实时、动态监测。
生物电子学的兴起为传统的细胞检测提供了新的技术手段。一种典型应用是将细胞培养在金属微电极上，通过检测阻抗变化值实现细胞状态以及外部刺激对细胞影响的监测，该方法称为细胞阻抗检测。细胞阻抗检测作为一种实时、非侵入式、无需标记、操作简便的检测手段，已逐步成为生物医学领域一个高效的分析工具，具有广阔的应用前景。
阻抗传感器无需外部光学系统产生激发光源，不需要复杂的电路处理单元进行频率反馈处理，因此，能实现系统的微小型化。结合微机械加工技术和工艺，可实现阻抗传感器与微流控芯片的集成，使平行高通量检测成为可能。
采用具有微米尺度的金属电极作为阻抗传感器的检测电极，阻抗传感器可以监测微电极附近区域细胞的生理状态，并转换为阻抗谱的形式输出。阻抗Zf作为频率的函数，可通过下式得到：Zf=Vf/If，其中，Vf为施加在检测电极上的激励电压，If为流过电极的电流；另一种形式是采用电流作为激励源，通过锁相放大器监测电压变化。
虽然国内外已有一些关于利用细胞阻抗检测技术来研究细胞行为的报道，但是存在检测装置集成度低，响应灵敏度低——仅能反应整个培养腔内整体细胞响应，无法精确测量某个细胞行为等问题。因此急需一种能同时研究单细胞和多细胞行为的高灵敏度细胞阻抗分析系统。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的是提供本实用新型提出一种芯片式叉指阵列电极阻抗传感器，该传感器能实现单细胞和多细胞的状态及外界刺激对细胞影响的监测。
本实用新型是通过以下技术方案来实现的，芯片式叉指阵列电极阻抗传感器，包括玻璃培养皿、阻抗敏感元件、载玻片、细胞微培养腔、阵列开关、阻抗分析仪和处理器；所述载玻片设置在玻璃培养皿内，所述阻抗敏感元件设置在载玻片上，所述细胞微培养腔设置于阻抗敏感元件所在的区域之上；所述阻抗敏感元件与阵列开关连接，所述阵列开关、阻抗分析仪、处理器依次连接。所述阻抗分析仪实现宽频率范围内阻抗值的测量；所述处理器实现数据的采集、计算及分析等。
进一步，所述阻抗敏感元件为三组叉指式微电极阵列，所述三组叉指式微电极阵列呈三角形状分布在载玻片上，每组叉指式微电极阵列的电极交替地与所在电极阵列的两条总线之一相连；三组叉指式微电极阵列的一条总线端通过引线连接形成公共端；所述三组叉指式微电极阵列的另一总线和公共端分别通过引线与相应的连接垫相连。
进一步，所述叉指式微电极阵列通过微机械加工工艺形成于载玻片上。
进一步，所述叉指式微电极阵列为铂金属电极，其厚度为100nm，电极的间距与宽度均为10μm。
进一步，所述玻璃培养皿包括一个平面圆盘状的底和一个与之相匹配的盖，玻璃培养皿的盖作为细胞微培养腔的腔盖，
进一步，所述细胞微培养腔为由聚二甲基硅氧烷构建的细胞微培养腔。。
与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：
1、阻抗传感器的敏感元件采用微米尺度的叉指式阵列金属电极，通过微机械加工工艺制作于玻璃载玻片表面，提高了传感器的集成程度。
2、每组叉指式微电极阵列通过两条总线互联，大大提高了阻抗检测的灵敏度；三组圆形叉指式微电极阵列的一个总线端通过引线连接形成公共端，作为参考电极，提高了传感器集成程度，配合阵列开关的使用，可同时实现该阻抗传感器装置中3个细胞微培养腔中细胞状态的无损、动态、实时监测。
附图说明
为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细描述，其中：
图1为芯片式叉指阵列电极阻抗传感器结构示意图；
图2为载玻片上的三组圆形叉指式微电极阵列、连接线及连接垫分布示意图；
图3为叉指式微电极阵列及其互联总线；
图4为本发明的阻抗传感器连续动态监测人体小梁网细胞受地塞米松药物作用后阻抗随时间的变化曲线图；
其中，1、玻璃培养皿；2、叉指式微电极阵列；3、载玻片；4、细胞微培养腔；5、阵列开关；6、阻抗分析仪；7、处理器；8、总线；9、公共端；10、连接垫。
具体实施方式
以下将结合附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本实用新型，而不是为了限制本实用新型的保护范围。
如图1所示，芯片式叉指阵列电极阻抗传感器，包括玻璃培养皿1、阻抗敏感元件2、载玻片3、细胞微培养腔4、阵列开关5、阻抗分析仪6和处理器7；所述载玻片设置在玻璃培养皿内，所述阻抗敏感元件设置在载玻片上，所述细胞微培养腔设置于阻抗敏感元件所在的区域之上；所述阻抗敏感元件与阵列开关连接，所述阵列开关、阻抗分析仪、处理器依次连接。
如图2、3所示，所述阻抗敏感元件为三组叉指式微电极阵列，所述三组叉指式微电极阵列呈三角形状分布在载玻片上，每组叉指式微电极阵列的电极交替地与所在电极阵列的两条总线8之一相连；三组叉指式微电极阵列的一条总线端通过引线连接形成公共端9；所述三组叉指式微电极阵列的另一条总线和公共端分别通过引线与相应的连接垫10相连。
所述叉指式微电极阵列通过微机械加工工艺形成于载玻片上。
所述叉指式微电极阵列为铂金属电极，其厚度为100nm，电极的间距与宽度均为10μm。
所述玻璃培养皿包括一个平面圆盘状的底和一个与之相匹配的盖，玻璃培养皿的盖作为细胞微培养腔的腔盖。
本实用新型利用微机械加工工艺制作金属微电极阵列作为细胞阻抗检测的敏感元件，利用PDMS构建细胞微培养腔，将细胞培养在叉指式微电极阵列上。通过连接垫施加一个微弱的正弦激励，由于细胞膜的高绝缘性（10-7S/m），细胞在微电极上贴壁生长时将对电极表面电场的分布产生阻碍作用。当细胞生长、分裂、增殖、凋亡或受到药物作用引起相应的形态变化时，通过测试阻抗的变换值可以间接反映细胞的生理状态。本实用新型阻抗传感器的制备方法如下：
选择尺寸为75mm×25mm的玻璃载玻片作为绝缘基底材料，利用微机械加工技术中的lift-off工艺在其上制作阻抗敏感元件——叉指式微电极阵列及其引出线、连接垫等。首先将载玻片经过标准工艺清洗甩干；在玻璃基底材料上旋转涂覆S1813光刻胶；光刻、显影，在载玻片上形成三组圆形叉指式微电极阵列、连接线及连接垫图形区域；电子束蒸发形成厚度为20nm的金属钛作为粘附层；再在其上蒸发形成厚度为100nm的金属铂作为传感电极层；在丙酮中溶解光刻胶，得到含有金属微电极的敏感元件。
制备细胞微培养腔：将PDMS基质与固化剂按10:1的质量比混合，均匀搅拌脱气处理1小时后制备得到PDMS预聚物。利用PDMS预聚物制作三个内径为1cm的腔体。将3个细胞微培养腔利用PDMS预聚物贴附在三组圆形叉指式微电极阵列对应位置处，待PDMS预聚物固化后可实现腔体和玻璃载玻片的不可逆式键合，从而形成三个独立的细胞生长空间。
将含叉指式微电极阵列的载玻片置于培养皿中，通过引线将连接垫引出与阵列开关相连。阻抗传感器的外部测试系统仅包括一个阻抗分析仪，通过开关阵列可实现装置中3个细胞微培养腔中细胞状态的实时监测。
使用实例：将制备好的含叉指式微电极阵列的载玻片用酒精侵泡半小时，然后用去离子水清洗干净，用氮气吹干，置于培养皿中。向三个细胞微培养腔中注入100mL细胞培养液，将其置于细胞培养箱内静置5分钟后，同时在三个细胞微培养腔中加入浓度为100cell/μL的人体小梁网细胞悬浮液；然后分别在三个培养腔中加入100mL浓度为10-8mol/L、10-7mol/L的地塞米松（DEX）药物溶剂和细胞培养液。通过阻抗分析仪在频率为40kHz条件下对细胞阻抗变化值进行长时间监测，实验结果如图4所示。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.芯片式叉指阵列电极阻抗传感器，其特征在于：包括玻璃培养皿（1）、阻抗敏感元件（2）、载玻片（3）、细胞微培养腔（4）、阵列开关（5）、阻抗分析仪（6）和处理器（7）；所述载玻片设置在玻璃培养皿内，所述阻抗敏感元件设置在载玻片上，所述细胞微培养腔设置于阻抗敏感元件所在的区域之上；所述阻抗敏感元件与阵列开关连接，所述阵列开关、阻抗分析仪、处理器依次连接。
2.根据权利要求1所述的芯片式叉指阵列电极阻抗传感器，其特征在于：所述阻抗敏感元件为三组叉指式微电极阵列，所述三组叉指式微电极阵列呈三角形状分布在载玻片上，每组叉指式微电极阵列的电极交替地与所在电极阵列的两条总线（8）之一相连；三组叉指式微电极阵列的一条总线端通过引线连接形成公共端（9）；所述三组叉指式微电极阵列的另一总线和公共端分别通过引线与相应的连接垫（10）相连。
3.根据权利要求2所述的芯片式叉指阵列电极阻抗传感器，其特征在于：所述叉指式微电极阵列通过微机械加工工艺形成于载玻片上。
4.根据权利要求2所述的芯片式叉指阵列电极阻抗传感器，其特征在于：所述叉指式微电极阵列为铂金属电极，其厚度为100nm，电极的间距与宽度均为10μm。
5.根据权利要求1所述的芯片式叉指阵列电极阻抗传感器，其特征在于：所述玻璃培养皿包括一个平面圆盘状的底和一个与之相匹配的盖，玻璃培养皿的盖作为细胞微培养腔的腔盖。
6.根据权利要求1所述的芯片式叉指阵列电极阻抗传感器，其特征在于：所述细胞微培养腔为由聚二甲基硅氧烷构建的细胞微培养腔。
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