本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
一定剂量的超声辐照，在不同水平的生物系统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系统，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)传过一个胶体系统，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4 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，系统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系统。并且在 这种测量系统中，胶粒的大小范围可以从lOOnm到10 u m,这使它非常适合大小大概为6 u m 到9 ym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(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lOmw/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 本专利技术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插入检测脉冲，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)
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术具有以下有益效果本专利技术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，并且本专利技术的装置结构简单、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是本专利技术检测装置的原理框图；图5是图4中微电流检测电路图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述参见图4，本专利技术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，本专利技术最优方案中，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本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
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。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(QQl)、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(QQl)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。3.根据权利要...
【专利技术属性】
技术研发人员：钟力生，成林，张跃，施毅周，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87
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