專利名稱：一種細(xì)胞電阻測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量儀器，特別涉及一種細(xì)胞電阻測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
細(xì)胞是生命的基本單位，細(xì)胞的特殊性決定了個(gè)體的特殊性，因此，對細(xì)胞的深入研究是揭開生命奧秘、改造生命和征服疾病的關(guān)鍵。一切動物細(xì)胞都被一層薄膜所包圍，稱為細(xì)胞膜或質(zhì)膜，它把細(xì)胞內(nèi)容物與細(xì)胞周圍環(huán)境分隔開來，使細(xì)胞能相對地獨(dú)立于環(huán)境而存在。很明顯，細(xì)胞要維持正常的生命活動，不僅細(xì)胞的內(nèi)容物不能流失，而且其化學(xué)組成必須保持相對穩(wěn)定，這就需要在細(xì)胞和它所處的環(huán)境之間有起屏障作用的結(jié)構(gòu)；但細(xì)胞在不斷進(jìn)行新陳代謝的過程中，又需要經(jīng)常由外界得到氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)。排出細(xì)胞的代謝產(chǎn)物，而這些物質(zhì)的進(jìn)入和排出，都必須經(jīng)過細(xì)胞膜，這就涉及到物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)過程。因此，細(xì)胞膜必然是一個(gè)具有特殊結(jié)構(gòu)和功能的半透性膜，它允許某些物質(zhì)或離子有選擇的通過，但又能嚴(yán)格地限制其他一些物質(zhì)的進(jìn)出，保持了細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)成分的穩(wěn)定。細(xì)胞膜除了有物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能外，還有跨膜信息傳遞和能量轉(zhuǎn)換功能，這些功能的機(jī)制是由膜的分子組成和結(jié)構(gòu)決定的。細(xì)胞膜成分中的脂質(zhì)分子層主要起了屏障作用，而細(xì)胞膜中的特殊蛋白質(zhì)則與物質(zhì)、能量和信息的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)和轉(zhuǎn)換有關(guān)。膜的電穿孔是一種現(xiàn)象。通過電脈沖技術(shù)使磷脂或磷脂蛋白膜上產(chǎn)生暫時(shí)、可逆的孔道或通透。當(dāng)細(xì)胞暴露在電場中，在細(xì)胞膜上誘發(fā)跨膜電壓，如果電壓超過某一個(gè)值時(shí)，導(dǎo)致細(xì)胞膜的通透性和電導(dǎo)率顯著增加，一般要增加幾個(gè)數(shù)量級。由于膜的通透性增加，在其它運(yùn)輸機(jī)制下不能穿越細(xì)胞膜的分子可以穿越細(xì)胞膜。給細(xì)胞膜應(yīng)用適當(dāng)強(qiáng)度和寬度的電場，在電場過后，細(xì)胞膜可以由通透狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)，產(chǎn)生可逆電穿孔，因而， 如果電場的強(qiáng)度過大或?qū)挾冗^長，電場過后，細(xì)胞膜不能重新封閉，導(dǎo)致細(xì)胞死亡，造成不可逆電穿孔；雖然電穿孔在分子水平上的機(jī)理和大分子的電子轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制還不太清楚，但電穿孔可以實(shí)現(xiàn)基因轉(zhuǎn)染，電化學(xué)治療，外蛋白質(zhì)的電子鑲嵌，經(jīng)皮給藥等。在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用。細(xì)胞外液和細(xì)胞內(nèi)液均為含電解質(zhì)的液體，可以看作具有一定電阻的兩個(gè)導(dǎo)體。 細(xì)胞膜脂質(zhì)雙層類似于一個(gè)平板電容器，相對地視作絕緣體，因此細(xì)胞膜具有顯著的電容特性。當(dāng)膜上的離子通道開放而引起帶電離子的跨膜流動時(shí)，就相當(dāng)于在電容器上充電或放電而產(chǎn)生的電位差，稱為跨膜電位或簡稱為膜電位。細(xì)胞膜對穿過它的電流所呈現(xiàn)的電阻稱為膜電阻。由于電阻性電流是由離子傳遞，所以它是由膜對各種離子通透性的大小和通透離子是否大量存在等因素決定的。對帶電離子而言，膜電導(dǎo)就是膜對離子的通透性。在電穿孔實(shí)驗(yàn)研究中，細(xì)胞電阻測定有兩個(gè)重要意義；一個(gè)是在電穿孔過程開始前，測得緩沖體系的電阻值，只有電阻在特定范圍內(nèi)才能保證電穿孔的效率。若電阻過低， 意味著離子濃度過高，電場中高濃度離子的泳動會直接影響電穿孔的作用效果，最終降低電穿孔效率，甚至導(dǎo)致電穿孔失敗。所以了解電阻值，對設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)很重要，有它做參考，電穿孔成功率更高，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性更好。另一個(gè)意義是在電穿孔過程完成后，測得緩沖體系的電阻
3值，與參考值進(jìn)行比較，可以判斷電穿孔的效果。因?yàn)樵陔妶龅淖饔孟?，?xì)胞膜形成孔道后， 其導(dǎo)電能力增強(qiáng)，膜電阻下降。由于細(xì)胞膜點(diǎn)位的存在，在細(xì)胞電阻的測量時(shí)必須消除膜電容和膜電壓對測量結(jié)果的影響。因此，不能采用普通電阻儀或萬用表進(jìn)行測量。同時(shí)，要避免應(yīng)用電流在細(xì)胞上產(chǎn)生凈電荷，對細(xì)胞膜產(chǎn)生不利影響。另外，測量電極不能因電解作用產(chǎn)生金屬沉淀，而影響細(xì)胞成活率，導(dǎo)致電穿孔效率下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)在普通的測量手段無法對細(xì)胞電阻進(jìn)行測量，并且測量困難的問題，提出了一種細(xì)胞電阻測量系統(tǒng)，滿足細(xì)胞測量的特殊性，精度高，可以用于生命科學(xué)研究和醫(yī)學(xué)研究。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種細(xì)胞電阻測量系統(tǒng)，交流方波微電流源電路將交流方波微電流信號施加在被測細(xì)胞上，輸出與被測細(xì)胞電阻成正比的交流方波電壓，該電壓通過精密整流電路變成直流電壓后，送入A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生與被測細(xì)胞電阻成比例的數(shù)字量，然后送數(shù)字顯示電路顯示，電源電路將9V電池單電源變換成對稱輸出士 4. 5V的雙電源，供各電路使用。所述電源電路由開關(guān)、CMOS開關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換器TL7660、變換電容和兩個(gè)串聯(lián)的濾波電容組成，9V電池通過開關(guān)接TL7660的Vcc和Vout，CMOS開關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換器 TL7660的LV和GND腳接在兩個(gè)串聯(lián)的濾波電容中間點(diǎn)，兩個(gè)串聯(lián)濾波電容的另一端分別輸出+4. 5V和-4. 5V電源。所述交流方波微電流源電路由振蕩器、恒流源電路和保護(hù)電路組成，振蕩器的 CMOS定時(shí)芯片ICM7555的VCC和GND引腳分別接所述電源電路輸出的+4. 5V和-4. 5V端， 定時(shí)芯片ICM7555輸出引腳OUT經(jīng)充放電電阻與充放電容器串聯(lián)連接后接-4. 5V電源，恒流源電路由三端可調(diào)恒流源器件LM334和可調(diào)電位器組成，定時(shí)芯片ICM7555輸出引腳OUT 分別通過兩個(gè)二極管分兩路分別接三端可調(diào)恒流源器件LM334和可調(diào)電位器組成正恒流源和負(fù)恒流源，正恒流源和負(fù)恒流源分別經(jīng)過保護(hù)二極管輸出接+4. 5V和-4. 5V端，正恒流源和負(fù)恒流源輸出點(diǎn)和地接串聯(lián)的保護(hù)電路和被測細(xì)胞電阻。所述精密整流電路包括交流耦合電容、防電穿孔脈沖保護(hù)電路、高輸入阻抗微功耗電壓跟隨器和整流電路組成，被測細(xì)胞電阻的輸出電壓進(jìn)行交流耦合電容，去除細(xì)胞膜電位產(chǎn)生的直流成分后，經(jīng)過防電穿孔脈沖保護(hù)電路接高輸入阻抗微功耗電壓跟隨器，提高電路的輸出阻抗，消除后接整流電路對被測細(xì)胞電阻電壓的影響，高輸入阻抗微功耗電壓跟隨器輸出接整流電路。所述A/D轉(zhuǎn)換電路依次包括量程選擇電路、低通濾波器和雙積分3位半A/D轉(zhuǎn)換的CMOS型集成電路。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明細(xì)胞電阻測量系統(tǒng)，簡化了電路結(jié)構(gòu)，提高測量準(zhǔn)確度；消除細(xì)胞膜電位對測量結(jié)果的影響；消除測量電極的電解作用，提高細(xì)胞的電穿孔效率；提高系統(tǒng)的可靠性和安全性；提高儀器的抗干擾能力，也給儀器使用帶來方便。


圖1是本發(fā)明細(xì)胞電阻測量系統(tǒng)工作原理框圖2是本發(fā)明細(xì)胞電阻測量系統(tǒng)電源電路和交流方波微電流源電路圖； 圖3是本發(fā)明細(xì)胞電阻測量系統(tǒng)精密整流電路圖； 圖4是本發(fā)明細(xì)胞電阻測量系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字顯示電路圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示細(xì)胞電阻測量系統(tǒng)工作原理框圖，交流方波微電流源電路將交流方波微電流信號施加在被測細(xì)胞電阻上，在被測細(xì)胞電阻上產(chǎn)生與被測電阻值成正比的交流方波電壓，該電壓通過精密整流電路變成直流電壓后，送入A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生與被測電阻值成比例的數(shù)字量，這個(gè)數(shù)字量由數(shù)字顯示電路顯示。通過調(diào)節(jié)比例關(guān)系，使顯示數(shù)字與被測電阻值一致。電源電路將9V電池單電源變換成對稱輸出士4. 5V的雙電源， 供各電路使用。電源電路和交流方波微電流源電路如圖2所示。電源電路由開關(guān)S1、集成電路ICl 和電容C1、C2、C3組成。ICl是單路電源到對稱雙路電源轉(zhuǎn)換。TL7660是一款CMOS開關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換器，可執(zhí)行從正極到負(fù)極的電源電壓轉(zhuǎn)換。僅需兩個(gè)外部電容器來實(shí)現(xiàn)充電泵和電荷的儲存功能，實(shí)現(xiàn)正電源到負(fù)電源的轉(zhuǎn)換。利用電路的雙向特點(diǎn)，將9V電池單電源變換成對稱輸出士4. 5V的雙電源，供其他電路使用。電源的輸出阻抗比標(biāo)準(zhǔn)電路低得多， 該電路可輸出較大的電流。TL7660的靜態(tài)電流45μΑ，轉(zhuǎn)換效率在高達(dá)97%。ICl的7腳是振蕩器外接電容，在此電路中，7腳不接電容，ICl的振蕩頻率為10kHz。電容Cl是變換電容，電容器C2、C3是濾波電容，實(shí)現(xiàn)對士 4. 5V電源濾波。集成電路IC2、電阻R1、電容C4和C5組成振蕩器，其作用是輸出對稱的交流方波。 CMOS定時(shí)電路ICM7555的工作電壓范圍寬3 18V，靜態(tài)電流60 μ A，
非常適合電池供電產(chǎn)品。輸出電流可達(dá)20mA，其輸出邏輯電平接近電源電壓。IC2的電源引腳VCC接+4. 5V電源，接地引腳GND接-4. 5V電源，IC2輸出引腳OUT經(jīng)電阻R1，與電容器C5串聯(lián)連接后接-4. 5V電源。當(dāng)IC2輸出高電平時(shí)，IC2通過Rl給電容器C5充電，當(dāng) IC2輸出低電平時(shí)，IC2通過Rl給電容器C5放電。IC2的引腳2和引腳6檢測電容C5上的電壓，當(dāng)C5上的電壓充電超過+1.5V時(shí)，IC2的輸出由+4. 5V變?yōu)榈偷?4. 5V。IC2開始給 C5放電，C5上的電壓開始下降，當(dāng)C5上的電壓下降到低于-1.5V時(shí)，IC2的輸出由-4. 5V 變?yōu)榈偷?4. 5V，又轉(zhuǎn)為對C5充電。由于充電和放電的時(shí)間常數(shù)相同塒間常數(shù)=R1XC5)， 所以在IC2引腳3輸出幅度為士4. 5V，占空比為50%，頻率為500Hz的對稱交流方波。IC2 輸出的對稱交流方波經(jīng)過二極管Dl、D2分別給恒流源電路IC3和IC4。IC2輸出為+4. 5V 時(shí)，二極管Dl導(dǎo)通，D2截止，給IC3施加正電源。IC2輸出為-4. 5V時(shí)，二極管D2導(dǎo)通，Dl 截止，給IC4施加負(fù)電源。集成電路IC3和電位器Pl構(gòu)成正恒流源，集成電路IC4和電位器P2構(gòu)成負(fù)恒流源。IC3和IC4采用三端可調(diào)恒流源器件LM334，在工作電流內(nèi)恒流源可調(diào)范圍為1 μ A IOmA，并且具有1 40V寬的動態(tài)電壓范圍，恒流特性非常好。恒流源的建立只需1只外接電阻而不再需要其他元件，其輸出電流的大小是由外接調(diào)節(jié)電阻R所決定。電位器Ρ1、Ρ2 用于調(diào)節(jié)恒流源的輸出電流。調(diào)節(jié)Pl使IC3輸出電流為+10 μ Α,調(diào)節(jié)P2使IC4輸出電流為-10 μ Α。從而在電阻R2和被測電阻Rx上施加士 10 μ A，500Hz的電流。該電流在被測電
5阻Rx產(chǎn)生與被測電阻值成正比的輸出電壓VQ1。通過測量Vqi，可測得被測電阻Rx。二極管D3、D4和電阻R2構(gòu)成保護(hù)電路。當(dāng)被測電阻Rx施加電穿孔高壓脈沖時(shí)， 保護(hù)電路使IC3和IC4上的端電壓不超過可承受電壓。D3、D4的漏電流小于ΙΟΟηΑ，由于是恒流源，電阻R2對輸出電流沒有影響。精密整流電路如圖3所示。精密整流電路的作用是將被測電阻的輸出電壓Vra進(jìn)行整流。整流后輸出直流電壓νω。Vffi經(jīng)A/ D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行數(shù)字顯示。電容器C6是交流耦合電容，其作用是去除細(xì)胞膜電位產(chǎn)生的直流成分。二極管 D5、D6和電阻R3構(gòu)成保護(hù)電路，保護(hù)精密整流電路和A/D轉(zhuǎn)換、顯示電路不受電穿孔脈沖的影響。集成電路IC6是高輸入阻抗微功耗電壓跟隨器，其作用是提高電路的輸出阻抗，消除精密整流電路對被測電壓Vra的影響。電容C7、C8是電源濾波電容。集成電路IC7、IC8，二極管D7、D8和電阻R4、R5、R6、R7、R8構(gòu)成精密整流電路。其工作原理是，當(dāng)Uol>0時(shí)，IC7輸出為負(fù)，D7導(dǎo)通，D8截至。根據(jù)虛地原理，IC7的引腳6電壓為0V，且R4和R5的電流相等，所以，Vq2= -V01，當(dāng)V01 < 0時(shí)，D8導(dǎo)通，D7截至，IC8的引腳2為0，VQ2=0。利用反相求和電路將Vffi與Vra波形相加，就可實(shí)現(xiàn)全波整流。當(dāng)V01 > 0 時(shí)'V03 = V01 ；當(dāng)V01 < 0時(shí)，V03 = -V01 ；故求出V01的絕對值，實(shí)現(xiàn)對Vqi的精密整流。利用集成運(yùn)放的放大作用和深度負(fù)反饋消除二極管非線性造成的誤差。A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字顯示電路如圖4所示。該電路的作用是將電壓Vffi轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并同過IXD顯示。電阻R9、RlO和開關(guān)S2構(gòu)成量程選擇電路，由于選擇不同被測電阻的量程，提高測量精度。電阻Rll和電容C9構(gòu)成低通濾波器，消除Vcb的高頻成分和干擾成分。ICL7136是雙積分3位半A/D轉(zhuǎn)換的CMOS型集成電路。具有集成度高，功耗低微， 抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合用測量輸入電壓。它內(nèi)部包含驅(qū)動LCD液晶顯示屏電路。測量電壓范圍在士200 mV到士2 V之間。電容ClO是自動校零電容。電容C11、電阻R12為積分回路外界元件，C11、R12與IC9雙斜積分A/D轉(zhuǎn)換器。電容器C12是IC9的基準(zhǔn)電容，它被充電的電壓在反相積分時(shí)，成為基準(zhǔn)電壓。本電路中接0.01 μ F電容。電容C13、電阻R13 與IC9內(nèi)部的非門電路構(gòu)成振蕩器，產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘脈沖。電阻R14和電位器Ρ3為基準(zhǔn)電壓的偏置電阻，當(dāng)滿量程為200mV時(shí)，調(diào)節(jié)電位器P3使基準(zhǔn)電壓為IOOmV,給IC9提供參考電壓，電位器P3用于調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓值，以便校準(zhǔn)測量值和顯示數(shù)值。校準(zhǔn)后測量值送到IXD顯示器以數(shù)字形式顯示。
權(quán)利要求
1.一種細(xì)胞電阻測量系統(tǒng)，其特征在于，交流方波微電流源電路將交流方波微電流信號施加在被測細(xì)胞上，輸出與被測細(xì)胞電阻成正比的交流方波電壓，該電壓通過精密整流電路變成直流電壓后，送入A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生與被測細(xì)胞電阻成比例的數(shù)字量，然后送數(shù)字顯示電路顯示，電源電路將9V電池單電源變換成對稱輸出士4. 5V的雙電源，供各電路使用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述細(xì)胞電阻測量系統(tǒng)，其特征在于，所述電源電路由開關(guān)、CMOS 開關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換器TL7660、變換電容和兩個(gè)串聯(lián)的濾波電容組成，9V電池通過開關(guān)接 TL7660的Vcc和Vout，CMOS開關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換器TL7660的LV和GND腳接在兩個(gè)串聯(lián)的濾波電容中間點(diǎn)，兩個(gè)串聯(lián)濾波電容的另一端分別輸出+4. 5V和-4. 5V電源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述細(xì)胞電阻測量系統(tǒng)，其特征在于，所述交流方波微電流源電路由振蕩器、恒流源電路和保護(hù)電路組成，振蕩器的CMOS定時(shí)芯片ICM7555的VCC和GND引腳分別接所述電源電路輸出的+4. 5V和-4. 5V端，定時(shí)芯片ICM7555輸出引腳OUT經(jīng)充放電電阻與充放電容器串聯(lián)連接后接-4. 5V電源，恒流源電路由三端可調(diào)恒流源器件LM334 和可調(diào)電位器組成，定時(shí)芯片ICM7555輸出引腳OUT分別通過兩個(gè)二極管分兩路分別接三端可調(diào)恒流源器件LM334和可調(diào)電位器組成正恒流源和負(fù)恒流源，正恒流源和負(fù)恒流源分別經(jīng)過保護(hù)二極管輸出接+4. 5V和-4. 5V端，正恒流源和負(fù)恒流源輸出點(diǎn)和地接串聯(lián)的保護(hù)電路和被測細(xì)胞電阻。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述細(xì)胞電阻測量系統(tǒng)，其特征在于，所述精密整流電路包括交流耦合電容、防電穿孔脈沖保護(hù)電路、高輸入阻抗微功耗電壓跟隨器和整流電路組成，被測細(xì)胞電阻的輸出電壓進(jìn)行交流耦合電容，去除細(xì)胞膜電位產(chǎn)生的直流成分后，經(jīng)過防電穿孔脈沖保護(hù)電路接高輸入阻抗微功耗電壓跟隨器，提高電路的輸出阻抗，消除后接整流電路對被測細(xì)胞電阻電壓的影響，高輸入阻抗微功耗電壓跟隨器輸出接整流電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述細(xì)胞電阻測量系統(tǒng)，其特征在于，所述A/D轉(zhuǎn)換電路依次包括量程選擇電路、低通濾波器和雙積分3位半A/D轉(zhuǎn)換的CMOS型集成電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種細(xì)胞電阻測量系統(tǒng)，交流方波微電流源電路將交流方波微電流信號施加在被測細(xì)胞上，輸出與被測細(xì)胞電阻成正比的交流方波電壓，該電壓通過精密整流電路變成直流電壓后，送入A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生與被測細(xì)胞電阻成比例的數(shù)字量，然后送數(shù)字顯示電路顯示，電源電路將9V電池單電源變換成對稱輸出±4.5V的雙電源，供各電路使用。簡化了電路結(jié)構(gòu)，提高測量準(zhǔn)確度；消除細(xì)胞膜電位對測量結(jié)果的影響；消除測量電極的電解作用，提高細(xì)胞的電穿孔效率；提高系統(tǒng)的可靠性和安全性；提高儀器的抗干擾能力，也給儀器使用帶來方便。
文檔編號C12Q1/02GK102385004SQ20111032429
公開日2012年3月21日 申請日期2011年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月24日
發(fā)明者單純玉, 王東, 郝麗俊 申請人:上海理工大學(xué)