CN101975898B

CN101975898B - 一种利用超声脉冲动电研究细胞介电特性的装置

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Publication number: CN101975898B
Application number: CN2010102844919A
Authority: CN
Inventors: 钟力生; 成林; 张跃; 于钦学; 施毅舟
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2010-09-17
Filing date: 2010-09-17
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-09-17
Also published as: CN101975898A

Abstract

本发明公开了一种利用超声脉冲动电研究细胞介电特性的装置，包括计算机和采集卡，还包括具有垂直盛液腔的支座，支座的盛液腔内设置有超声换能器，超声换能器的下端与盛液腔底部之间填充有防止超声反射的吸声材料，盛液腔内于超声换能器的上方为盛放细胞悬液试样的腔体，盛液腔的上端开口处设有与细胞悬液试样液面接触的采样电极，采样电极连接有微电流检测电路，微电流检测电路通过采集卡连接至计算机上；超声换能器的两电极连接超声信号发生源。该装置根据细胞悬液动电理论模型，能够通过连续调整超声的功能状态，从而实现对超声作用下实时超声生物效应的研究，该装置不但结构简单，而且操作容易，重复性好，并且对细胞没有损伤。

Description

一种利用超声脉冲动电研究细胞介电特性的装置

技术领域

本发明属于生物细胞基础理论研究领域，涉及一种研究细胞介电特性的装置，尤其是一种利用超声脉冲动电研究细胞介电特性的装置，它以超声脉冲作为声探针根据悬浮细胞动电理论模型从电荷层级上研究细胞介电特性，可用于对细胞膜表面带电特性方面的研究，尤其对超声作用下实时研究细胞超声生物效应方面具有先天的优越性。

背景技术

一定剂量的超声辐照，在不同水平的生物***中能造成多种的生物效应。到目前为止，在许多种情况下，超声生物效应的物理机制仍然很不清楚，更没有一种合适的方法能实时研究超声生物效应的过程。目前，针对细胞介电特性的研究方法主要有细胞电泳法、电化学阻抗法、膜片钳技术等方法。细胞电泳法是在外加电场作用下，细胞依照其表面电荷、大小、形状的不同作特有的移动，根据细胞的电泳淌度等电动特性方面的信息来检测细胞膜电特性的方法，它主要存在操作较繁、所需较长时间、重复性和灵敏度较差等缺点。电化学阻抗法是一种以小振幅的电脉动作为扰动信号的电化学阻抗测量方法；另外，它也可以以测量范围很宽的阻抗谱来研究电极***，从而得到细胞电动力学信息，并以此来研究细胞膜电荷特性的方法，这种方法同样存在操作复杂、重复性和精度差等缺点。膜片钳技术是从一小片(约几平方微米)膜获取电子学方面信息的技术，即保持跨膜电压恒定-电压钳位，从而测量通过细胞膜离子电流大小的技术，这种方法虽然精度很高，但是设备昂贵、操作复杂。另外，以上所有方法都不能在超声作用下实时研究细胞的超声生物效应。

当一个高频的超声(交变压力场)传过一个胶体***，其中胶状颗粒的密度不同于四周媒质的密度，悬液的振动造成的惯性力导致带电颗粒跟随其运动，从而造成胶粒表面的双电层产生变形。胶粒表面双电层中固定层与扩散层发生相对移动，表现出来的ζ电位的改变将能被外部电极检测到，这个变化的电位叫做胶体振动电位(CVP)；同时，如果外部电路闭合，由于超声的通过，***中将产生一个交变的电流，这个交变的电流被称为(CVI)。同样的电声现象也会出现在电解质溶液中。由于溶液中阴离子和阳离子的基团相互不同，因此在超声的作用下它们将会产生周期性错位，从而出现振动电流。这个电流被称为离子振动电流(IVI)。虽然对这种电声现象的第一次报道是由德拜在1933年预测提出，但是直到上世纪90年代奥·布莱恩才阐述了他的理论，从而使这种电声技术有了飞跃性的发展并被应用在商业设备中。动电测量方法最主要的优点是它能测量原始不用稀释的浓溶液，甚至能测量容积率达到50％的溶液，这一点使它非常适合许多浓的生物***。并且在这种测量***中，胶粒的大小范围可以从100nm到10μm，这使它非常适合大小大概为6μm到9μm的人血红细胞。这种技术最有前途的用途就是医用的早期诊断和实时细胞超声生物效应的研究，并可进一步用于单细胞特性研究的超声成像。

到目前为止，胶体动电理论方法的研究和应用主要在化工领域，基本上都是对胶体悬浮颗粒ζ电位的测量，这些颗粒主要都是表面光滑的聚合物硬颗粒，然而细胞却是表面覆盖着离子可通透高分子聚合物的软颗粒。另外，在以往的胶体动电理论模型中，都是应用连续的超声波作为振动源，不适合对生物细胞进行研究，因为在声强大约为10mw/cm²时，在超声波作用下，细胞已经开始产生超声生物效应，造成检测结果不准确；并且低的声强作用在细胞悬液中，不至于使细胞双电层变形或变形非常弱，使检测变得异常困难。所以本发明中使用超声脉冲作为探针，可以将单个检测超声脉冲能量增大，从而使检测信号增大；但是使整个超声波平均声强减小，以使其不会使细胞产生生物效应。另外，也可以通过在连续功能性超声波之间***检测脉冲，从而达到实时研究细胞超声生物效应的功能。

目前，国内外只是理论上提出了离子可通透软胶粒的模型。根据Debye-Bueche的模型和软胶粒悬液的声学理论，细胞悬液中的电流总和(TVI)可以表示为离子振动电流(IVI)和细胞振动电流(CVI)之和，如下式所示，但是没有提出实际细胞悬液动电理论的相关理论模型及其实现方法。

TVI＝IVI+CVI (1)

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种利用超声脉冲动电研究细胞介电特性的装置，该装置根据细胞悬液动电理论模型，能够通过连续调整超声的功能状态，从而实现对超声作用下实时超声生物效应的研究，该装置不但结构简单，而且操作容易，重复性好，并且对细胞没有损伤。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种利用超声脉冲动电研究细胞介电特性的装置，包括计算机和采集卡，还包括有具有垂直盛液腔的支座，所述支座的盛液腔内设置有超声换能器，所述超声换能器的下端与盛液腔底部之间填充有防止超声反射的吸声材料，所述盛液腔内于超声换能器的上方为盛放细胞悬液试样的腔体，所述盛液腔的上端开口处设有与细胞悬液试样液面接触的采样电极，所述采样电极连接有微电流检测电路，所述微电流检测电路通过采集卡连接至计算机上；所述超声换能器的两电极连接超声信号发生源。

上述超声信号发生源由大容量镍镉蓄电池、超声波形控制电路和超声发生电路依次连接构成，所述超声波形控制电路产生可调脉宽的脉冲电信号，该脉冲电信号通过控制IGBT的栅源极，来调节超声信号的波形，使超声信号由连续波形变为脉冲波形；所述超声发生电路产生可调振幅并与所述超声换能器中心频率一致的正弦信号，这个正弦信号通过超声波形控制电路控制的IGBT斩波，最终转换为施加在超声换能器上的脉冲电信号。

上述超声波形控制电路包括稳压源电路和基于信号发生芯片MAX038的信号发生电路；所述稳压源电路为所述信号发生电路提供稳定电压。

进一步，上述支座具有钢质配重，且支座的盛液腔由聚四氟乙烯制作。

进一步，上述采样电极是惰性电极或镀金电极。

上述吸声材料为聚甲基丙烯酸甲酯。

上述超声换能是两面镀银的锆钛酸铅超声换能器，所述超声换能器其中一面的银电极延伸至另一面边沿，并引出导线；另一面电极从银电极中心引出导线。

上述超声换能器的边沿由涂抹凡士林的橡胶皮套密封。

本发明具有以下有益效果：

本发明的利用超声脉冲动电研究细胞介电特性的装置可以实现对细胞介电特性进行研究，并可在超声作用下检测细胞的表面电荷变化，从而达到实时研究细胞的超声生物效应的功能，并且本发明的装置结构简单、重复性好，对细胞没有任何损伤。

附图说明

图1是超声波形控制电路图；

图2是超声发生电路图；

图3是超声换能器声强标定框图；

图4是本实用新型检测装置的原理框图；

图5是图4中微电流检测电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图4，本发明利用超声脉冲动电研究细胞介电特性的装置，包括计算机、采集卡以及具有垂直盛液腔的支座，在支座的盛液腔内设置有超声换能器，该超声换能器的下端与盛液腔底部之间填充有防止超声反射的吸声材料，本发明最优方案中，吸声材料选用聚甲基丙烯酸甲酯即PMMA。在盛液腔内于超声换能器的上方为盛放细胞悬液试样的腔体，盛液腔的上端开口处设有与细胞悬液试样液面接触的采样电极，采样电极和试样液面完全接触，以减少采样误差，该采样电极连接有微电流检测电路，微电流检测电路用来精确检测细胞动电信号，微电流检测电路通过采集卡连接至计算机上，采集卡用来采集检测信号并传输给计算机，进行波形分析。上述超声换能器的两电极连接有超声信号发生源。以下对构成本发明装置的各部分进行详细描述：

支座

本发明的支座形状可以根据需要设计，如图4中内部具有倒“凸”字型腔的支座，其中在支座上设置钢质配重，且支座的盛液腔由聚四氟乙烯制作，以使腔体具有强的抗腐蚀性能。

采样电极

采样电极必须使用惰性电极或镀金电极，从而防止电极的腐蚀。

超声换能器

在本发明的较佳实施例中，超声换能是两面镀银的锆钛酸铅高性能超声换能器，使用中心频率为1.7MHz。该超声换能器其中一面的银电极延伸至另一面边沿，并引出导线；另一面电极从银电极中心引出导线。该超声换能器的边沿由涂抹凡士林的橡胶皮套密封，从而防止超声换能器在细胞悬液中短路。这种超声换能器在密封入盛液腔之前必须使用声强计对超声换能器的两电极施加电压与输出声强之间对应关系进行精确标定，从而才能精确分析细胞的动电特性，具体标定方式参见图3，图中在超声换能器声强标定过程中，超声通过水媒质传输，超声探针和超声换能器置于柱形水容器中，超声换能器四周由防水罩保护，以防止换能器两电极短路；其中支座和支架起到稳定支撑的作用；超声信号发生源为图1和图2中的电路；超声探针为圆锥形震动感应探针，它将感应信号传输给震动功率计，并显示输出。

超声信号发生源

超声信号发生源由大容量镍镉蓄电池、超声波形控制电路和超声发生电路依次连接构成。所述的超声波形控制电路产生可调脉宽的脉冲电信号，该脉冲电信号通过控制IGBT的栅源极，来调节超声信号的波形，使超声信号由连续波形变为脉冲波形；所述的超声发生电路产生可调振幅并与所述超声换能器中心频率一致的正弦信号，这个正弦信号通过超声波形控制电路控制的IGBT斩波，最终转换为施加在超声换能器上的脉冲电信号。在本发明的较佳实施例中，以上构成超声信号发生源的各部分的具体结构或参数信息如下所述：

(1)大容量镍镉蓄电池：本发明使用大容量镍镉蓄电池可以保证超声信号发生源可持续长时间工作，并且通过使用化学电池可最大限度的将超声信号发生源中的电源干扰降到最低。

(2)超声波形控制电路：参见图1，该超声波形控制电路包括稳压源电路101、基于信号发生芯片MAX038的信号发生电路102和IGBT驱动电路103；所述稳压源电路101为所述信号发生电路102及IGBT驱动电路103提供稳定电压，所述信号发生电路102的信号输出端通过IGBT驱动电路103连接到超声发生电路的IGBT栅极和源极(如图2)，具体电路图介绍如下：

在图1的稳压源电路中，J1和J2为电源接插头；S1和S2为电源开关；D1为电源反向保护二极管；Z1和Z2分别为稳压芯片LM7805和LM7905，分别将输入电压稳定在+5V和-5V；D2和D3为芯片反向保护二极管，用来保护稳压芯片；E1、E2、C1、C2为滤波电容，滤除电源中高低频杂波；D5和D6为稳压二极管，分别稳定+5V和-5V，保护电源；DS1和DS2为发光二极管，用来指示电源开断；其中网标+5V和网标-5V分别连接下半部分电路图中网标+5V和网标-5V。

在图1的基于信号发生芯片MAX038的信号发生电路中，芯片MAX038的管脚20连接稳压源电路的网标-5V端，芯片MAX038的管脚17连接稳压源电路的网标+5V端，它们分别通过电容C3和C4接地，以此来减少电源干扰；芯片MAX038的管脚2、6、9、11、12、13、15、18连接稳压源电路的网标GND端，即接地；芯片MAX038的管脚8通过电阻R3接地；芯片MAX038的管脚1通过电阻RW连接芯片MAX038的管脚10，并且芯片MAX038的管脚1通过可变电阻RDAJ和电容C4连接芯片MAX038的管脚7，其中RDAJ为滑动变阻器，通过改变RDAJ端电位即可控制输出波形占空比；其中S2-S7为频率段转换拨码开关，它们的控制端连接在芯片MAX038的管脚5，公共端连接在芯片MAX038的电源地端，分别控制频率段为1-100Hz、100Hz-1KHz、1KHz-10KHz、10KHz-100KHz、100KHz-1MHz、1MHz-10MHz；其中拨码开关S8一端连接芯片MAX038的管脚4或17，另一端接地，以此来控制输出信号的类型。

在该信号发生电路中，右下半部分电路图是以运放OP07C为中心的信号放大电路和以三极管Q1为中心的信号驱动电路。其中运放OP07C的信号输入端2通过耦合电阻R3和输入电阻R4的串联连接芯片MAX038的管脚19，反馈电阻R6连接OP07C的负输入端2和输出端3，通过调节电阻R6与电阻R5的比值来控制电路的放大倍数；其中R7为运放匹配电阻，连接在运放OP07C的正输入端3和地之间；电容C6和C7分别为电源滤波电容，分别串接在运放OP07C的正负电源端4和7与地之间。电容C14和电阻R8串接构成低频滤波器，它连接运放OP07C的输出端6和三极管Q1的基极端；端子J3接驱动电源，通过二极管D4和D7保护，连接在三极管Q1的集电极端；J4为输出端子，接在三极管Q1的发射极，其连接图2中的超声波形控制电路Y1输出端3和4；R9和R11为分压电阻；DS3为输出信号指示灯。

(3)超声发生电路：图2是超声发生电路的电路图，在图2中，Y1代表图1中的超声波形控制电路，该电路与超声发生电路连接。在图中的超声发生电路中，QQ1为型号为FGA25N120AN的IGBT，它的栅源两极分别连接Y1的输出端3和4；它的漏极连接电源BT的负极，以此来控制电源BT的导通，通过调节Y1***号占空比和频率，来控制超声信号的波形，这个IGBT可耐受1200V电压和25A电流，可以满足电路需要。LM338是5A可调稳压芯片，它的输入端Vi连接电源BT的正极；调整端ADJ通过滑动变阻器RR1接地；输出端Vo通过电阻RR2连接ADJ端，其中RR1与RR2是输出电压调节电阻，可控制加在超声换能器的电压，从而控制超声波的强度，其公式为

通过调节RR2阻值，可以实现超声信号发生源输出电压调节的功能，这个芯片直流能过5A电流，并可过脉冲7A电流，满足装置要求，CC1、CC2是滤波电容，可滤除电源的高频干扰。SS1为超声电源开关，控制超声开断，它串接在LM338的输出端；DD1为电源指示灯，RR3为指示灯限流电阻，它们并联在LM338的输出端。

超声发生电路连接的振荡器是一种由高频压电陶瓷片YD(即超声换能器)组成的工作振荡器，其振荡频率为1.7MHz(决定于选定的YD的谐振频率)。型号为BU406的晶体三极管QQ2的集电极通过串联电阻RR4和RR5连接在型号为2SC1815的晶体三极管QQ3的集电极，三极管QQ2的发射极串接电感L1，三极管QQ2的基极连接三极管QQ3的发射极，并通过串接电容CC4连接在电感L1和L2的公共端；电感L2一端连接电感L1，另一端连接Y1的地电极；电容CC3一端连接三极管QQ2的集电极，另一端接电感L1和L2的公共端；三极管QQ3基极串接电阻RR6连接三极管QQ2的集电极，并将该公共端连接在超声换能器YD输入端P，三极管QQ3的发射极串接电容CC5连接超声换能器输入端Z。电路中三极管QQ2和电容CC3、CC4构成了电容三点式振荡电路。电容CC3和电感L1等效并联的谐振频率比工作频率低，其作用是决定工作振荡的振荡幅度；电容CC4和电感L2等效串联的谐振频率比工作频率高，其作用是决定工作振荡器的反馈量，以保证振荡器起振和维持电路的可靠振荡，压电陶瓷片YD具有很大的等效电容，它除决定电路的工作频率外，同时又是电路中的工作负载。若更换超声换能器YD，无需调整电路其他参数，其振荡频率也能自动跟踪新的压电陶瓷片的频率而工作。电源通过电阻RR4和RR5、三极管QQ3及电阻RR6给三极管QQ2提供偏置电流，使其能振荡工作。

微电流检测电路

图5为图4中微电流检测电路图，其中左半部分为供电电源，BT1和BT2分别为+12V和-12V镍氢电池；DS11和DS22为电源指示灯。右半部电路中A1为高速、低漏电流运放芯片OPA637，它的7端连接网标+12V，4端连接网标-12V，3端和8端连接地电极；滑动变阻器W11连接在运放芯片A1的偏置端1和5之间，其控制端连接在运放芯片A1的4端，用于调制偏置电流；采样电阻RC与滤波电容CA并联，并且它们串接在运放芯片A1的2端和6端，用于采样；IN为信号输入端，连接在运放芯片A1的2端；OUT为信号输出端，连接在运放芯片A1的6端。

综上所述，本发明的超声波形控制电路产生可调脉宽、最大峰峰值为10V的脉冲电信号，这个信号通过控制IGBT的栅源极，来调节超声信号的波形，使超声信号由连续波形变为脉冲波形。超声发生电路，产生可调振幅并与超声换能器中心频率一致的正弦信号，这个正弦信号通过超声波形控制电路控制的IGBT的控制，最终转换为施加在超声换能器上的脉冲电信号。在微电流检测电路中，高速、低漏电流运放芯片OPA637起到了关键作用，它的增益带宽可达到80MHz；并且在电路中使用了100MΩ的采样电阻，因此可以得到TVI和输出电压之间关系，如下式：

TVI＝10^-8U (2)

在装置中，可通过改变超声信号发生源中外部施加电压幅值来改变施加在超声换能器上的电压幅值，从而控制超声脉冲声强。另外，装置中使用中心频率为1.7MHz的超声换能器，通过调节超声信号发生源中电脉冲信号的脉宽，从而得到重复频率为1kHz的超声脉冲信号。因为一个超声脉冲造成的全部的电荷迁移量大约为ΔQ，如下式：

ΔQ＝IVI_Average×Δt (3)

这里Δt是一个超声脉冲的检测时间，装置中为25μs。IVI_Average是一个超声脉冲检测过程中IVI的平均值。根据公式(1)，能精确在电荷水平上研究细胞的动电特性。将公式(1)代入公式(3)，能得到超声脉冲检测过程中全部电荷迁移量为离子电荷迁移量和细胞电荷迁移量之和，如下式：

ΔQ＝IVI_Average×Δt+CVI_Average×Δt＝ΔQ_ion+ΔQ_cell (4)

装置中使用采样频率为50MHz的超高速采集卡，从而提高检测精度，数据采入采集卡后，通过USB 输入计算机，通过计算机中数据处理软件，处理、显示并分析波形。

以上实验装置中数据传输全部使用屏蔽线，接头全部使用BNC头或USB接口，微电流检测电路单独使用屏蔽盒屏蔽，并单独使用镍镉蓄电池供电，并且所有设备置入完全屏蔽金属柜中，金属柜通过铜线排可靠接地，从而使检测装置和外部干扰完全隔离。

Claims

1.一种利用超声脉冲动电研究细胞介电特性的装置，包括计算机和采集卡，其特征在于：还包括具有垂直盛液腔的支座，所述支座的盛液腔内设置有超声换能器，所述超声换能器的下端与盛液腔底部之间填充有防止超声反射的吸声材料，所述盛液腔内于超声换能器的上方为盛放细胞悬液试样的腔体，所述盛液腔的上端开口处设有与细胞悬液试样液面接触的采样电极，所述采样电极连接有微电流检测电路，所述微电流检测电路通过采集卡连接至计算机上；所述超声换能器的两电极连接超声信号发生源；所述超声信号发生源由大容量镍镉蓄电池、超声波形控制电路和超声发生电路依次连接构成；所述超声发生电路包括相互串联的IGBT(QQ1)、电源(BT)、超声调幅电路(104)以及振荡电路(105)，所述超声波形控制电路产生可调脉宽的脉冲电信号，该脉冲电信号通过控制超声发生电路的IGBT(QQ1)的栅源极，来调节超声信号的波形，使超声信号由连续波形变为脉冲波形；所述超声发生电路产生可调振幅并与所述超声换能器中心频率一致的正弦信号，这个正弦信号通过超声波形控制电路控制的IGBT，最终转换为施加在超声换能器上的电脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的利用超声脉冲动电研究细胞介电特性的装置，其特征在于：所述超声波形控制电路包括稳压源电路(101)、基于信号发生芯片MAX038的信号发生电路(102)和IGBT驱动电路(103)；所述稳压源电路(101)为所述信号发生电路(102)及IGBT驱动电路(103)提供稳定电压；所述信号发生电路(102)的信号输出端通过IGBT驱动电路(103)连接到超声发生电路。

3.根据权利要求1所述的利用超声脉冲动电研究细胞介电特性的装置，其特征在于：所述支座具有钢质配重，且支座的盛液腔由聚四氟乙烯制作。

4.根据权利要求1所述的利用超声脉冲动电研究细胞介电特性的装置，其特征在于：所述采样电极是惰性电极。

5.根据权利要求1所述的利用超声脉冲动电研究细胞介电特性的装置，其特征在于：所述吸声材料为聚甲基丙烯酸甲酯。

6.根据权利要求1所述的利用超声脉冲动电研究细胞介电特性的装置，其特征在于：所述超声换能器是两面镀银的锆钛酸铅超声换能器，所述超声换能器其中一面的银电极延伸至另一面边沿，并引出导线；另一面电极从银电极中心引出导线。

7.根据权利要求6所述的利用超声脉冲动电研究细胞介电特性的装置，其特征在于：所述超声换能器的边沿由涂抹凡士林的橡胶皮套密封。