專利名稱：測(cè)量細(xì)胞的物理性質(zhì)值的方法和物理性質(zhì)測(cè)量設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測(cè)量細(xì)胞的物理性質(zhì)的方法和設(shè)備。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉 及一種利用介電譜法(dielectric spectroscopy)來(lái)測(cè)量細(xì)胞的電特性的技術(shù)。
背景技術(shù)：
通常，已知在細(xì)胞中諸如電導(dǎo)率、電容率和介電常數(shù)的表現(xiàn)出電特性的物理性質(zhì) 值(physical property value)隨著細(xì)胞的種類、狀態(tài)等而改變。例如，與其中含有較少 水的皮膚細(xì)胞的情況相比，肌細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞顯示出細(xì)胞外液和細(xì)胞內(nèi)液的高的電導(dǎo)率值 (在下文中稱為細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率)。另外，當(dāng)通過(guò)掃描(swe印)頻率來(lái)測(cè)量細(xì)胞的電容率時(shí)， 介電弛豫特性(dielectric relaxation chracteristics)隨著細(xì)胞的形態(tài)而改變。因此， 通過(guò)利用這種特性，對(duì)細(xì)胞的定性和定量的分析、識(shí)別、以及進(jìn)一步的對(duì)疾病的存在或不存 在的確認(rèn)等變得可能。而且，迄今為止，還提出了利用細(xì)胞間的介電特性之差的技術(shù)作為通 過(guò)流式細(xì)胞術(shù)(flow cytometry)來(lái)彼此分離細(xì)胞等的識(shí)別方法(例如，參見(jiàn)專利文獻(xiàn)l和 2)。 另一方面，由于細(xì)胞在電場(chǎng)作用下導(dǎo)致界面極化(麥克斯韋-瓦格納 (Maxwell-Wagner)極化)，所以在對(duì)其中含有細(xì)胞的溶液進(jìn)行介電譜法測(cè)量時(shí)，獲得復(fù)數(shù) 電容率的頻率色散(frequencydispersion)。此外，在將諸如麥克斯韋_瓦格納方程的弛 豫表達(dá)式應(yīng)用于所得到的介電譜時(shí)，獲得表現(xiàn)出細(xì)胞的電特性的物理性質(zhì)值，例如細(xì)胞質(zhì) 電導(dǎo)率Ki和膜電容C;。通過(guò)以這樣的方式利用介電譜法來(lái)測(cè)量諸如血細(xì)胞的細(xì)胞的電特 性，從而使得以無(wú)損的(nondisruptive)方式知道細(xì)胞的狀態(tài)成為可能。
專利文獻(xiàn)1 :JP-T-2003-507739的譯文的公開(kāi)
專利文獻(xiàn)2 :JP-T-2005-512042的譯文的公開(kāi)

發(fā)明內(nèi)容
然而，上述的現(xiàn)有技術(shù)涉及下面所示出的問(wèn)題。也就是說(shuō)，遇到這樣的問(wèn)題盡管 細(xì)胞的形狀在很大程度上影響界面極化，但是常規(guī)上一直用于分析的麥克斯韋_瓦格納方 程僅僅在具有球形或橢圓形的細(xì)胞中成立。圖IO是示出盤(pán)狀紅細(xì)胞(Discocyte)的掃描電 子顯微鏡(SEM :1500倍放大率)圖片，圖11是示出剌毛狀紅細(xì)胞(Echinocyte)的SEM圖 片(1500倍放大率)。如圖IO所示，具有正常形狀的紅細(xì)胞呈其中心微凹的盤(pán)狀形狀。另 外，由于血細(xì)胞的形狀隨著身體的狀態(tài)、疾病等敏感地改變，所以還存在具有如圖11所示 的剌毛形狀的紅細(xì)胞。盡管如上所述存在具有各種形狀的細(xì)胞，但是利用介電譜法的方法 無(wú)法應(yīng)用于具有除球形和橢圓形以外的各個(gè)形狀的任何細(xì)胞。因此，迄今為止，對(duì)于具有非 各向同性(nonisotropic)形狀的這些細(xì)胞，諸如細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率k 4和膜電容Cm的表現(xiàn)出電 特性的物理性質(zhì)值一直不能以無(wú)損的方式被知道。 因此，根據(jù)上述內(nèi)容，本發(fā)明的主要目的是提供一種測(cè)量細(xì)胞的物理值的方法、以 及物理性質(zhì)測(cè)量設(shè)備，利用該方法和該設(shè)備中的每一個(gè)，同樣地，對(duì)于具有非各向同性形狀的細(xì)胞，表現(xiàn)出其電特性的物理性質(zhì)值也能夠以無(wú)損的方式被測(cè)量。 根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量細(xì)胞的物理性質(zhì)值的方法包含計(jì)算過(guò)程，用于通過(guò)設(shè)置任意 的膜電容Cm和任意的細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率Ki來(lái)計(jì)算關(guān)于具有特定形狀的細(xì)胞的介電譜，從而進(jìn) 行數(shù)值分析；獲得過(guò)程，用于通過(guò)將介電譜回歸為介電弛豫表達(dá)式來(lái)獲得細(xì)胞的相對(duì)電容 率的增量A e和弛豫時(shí)間t ;以及產(chǎn)生過(guò)程，用于基于相對(duì)電容率的增量A e和弛豫時(shí) 間t產(chǎn)生與細(xì)胞的形狀相對(duì)應(yīng)的回歸表達(dá)式。 除了上述過(guò)程以外，測(cè)量細(xì)胞的物理性質(zhì)值的方法還可以包含下述過(guò)程測(cè)量細(xì) 胞的介電譜；以及將測(cè)量結(jié)果與回歸表達(dá)式相互比較，從而獲得細(xì)胞的膜電容Cm,，和細(xì)胞 質(zhì)電導(dǎo)率K"xp。 另外，還有可能的是，針對(duì)細(xì)胞的每一種形狀，產(chǎn)生回歸表達(dá)式，并且，通過(guò)應(yīng)用與 細(xì)胞的形狀相對(duì)應(yīng)的回歸表達(dá)式來(lái)獲得膜電容Cm,rap和細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率
而且，例如，細(xì)胞還可以具有非各向同性的形狀。 另一方面，根據(jù)本發(fā)明的物理性質(zhì)測(cè)量設(shè)備包含計(jì)算部件，用于通過(guò)設(shè)置任意的 膜電容Cm和任意的細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率Ki來(lái)計(jì)算關(guān)于具有特定形狀的細(xì)胞的介電譜，從而進(jìn)行 數(shù)值分析；獲得部件，用于通過(guò)將介電譜回歸為介電弛豫表達(dá)式來(lái)獲得細(xì)胞的相對(duì)電容率 的增量A e和弛豫時(shí)間t ;以及產(chǎn)生部件，用于基于相對(duì)電容率的增量A e和弛豫時(shí)間 t產(chǎn)生與細(xì)胞的形狀相對(duì)應(yīng)的回歸表達(dá)式。 根據(jù)本發(fā)明，將實(shí)際測(cè)量的介電譜與通過(guò)模擬產(chǎn)生的回歸表達(dá)式相互比較，從而 確定作為測(cè)量對(duì)象的細(xì)胞的膜電容Cm,，和細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率Ki,rap。因此，對(duì)于不適用于常規(guī) 弛豫表達(dá)式的具有非各向同性形狀的細(xì)胞，能夠以無(wú)損的方式獲得該細(xì)胞的表現(xiàn)出電特性
的物理性質(zhì)值，例如，細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率K i和膜電容Cm。


[圖1] 圖1是按其過(guò)程順序示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的測(cè)量細(xì)胞的物理性質(zhì)值的方法的
流程圖。 [圖2] 圖2是示出盤(pán)狀紅細(xì)胞的模擬模型的視圖。
[圖3] 圖3是示出剌毛狀紅細(xì)胞的模擬模型的視圖。
[圖4] 圖4(a)和(b)分別是均示出通過(guò)計(jì)算獲得的盤(pán)狀紅細(xì)胞的回歸曲面的視圖，圖 4(a)是關(guān)于相對(duì)電容率的增量A e的3D曲面，圖4(b)是關(guān)于弛豫時(shí)間t的3D曲面。
[圖5] 圖5(a)和(b)分別是均示出通過(guò)計(jì)算獲得的剌毛狀紅細(xì)胞的回歸曲面的視圖，圖 5(a)是關(guān)于相對(duì)電容率的增量A e的3D曲面，圖5(b)是關(guān)于弛豫時(shí)間t的3D曲面。
[圖6] 圖6是示出通過(guò)計(jì)算獲得的值與對(duì)盤(pán)狀紅細(xì)胞實(shí)際測(cè)量的值之間的關(guān)系的曲線 圖，其中，細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率Ki被描繪在橫軸上，膜電容Cm被描繪在縱軸上。
4
[圖7] 圖7是示出通過(guò)計(jì)算獲得的值與對(duì)剌毛狀紅細(xì)胞實(shí)際測(cè)量的值之間的關(guān)系的曲 線圖，其中，細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率Ki被描繪在橫軸上，膜電容Cm被描繪在縱軸上。
[圖8] 圖8是示出盤(pán)狀紅細(xì)胞的介電色散(dielectric dispersion)的圖形表示，其中， 頻率被描繪在橫軸上，復(fù)數(shù)電容率"'，e ")被描繪在縱軸上。
[圖9] 圖9是示出剌毛狀紅細(xì)胞的介電色散的圖形表示，其中，頻率被描繪在橫軸上，復(fù) 數(shù)電容率(e '， e ")被描繪在縱軸上。
[圖10] 圖10是用于代替盤(pán)狀紅細(xì)胞的圖的圖片(1500倍放大率的SEM圖片)。
[圖11] 圖11是用于代替剌毛狀紅細(xì)胞的圖的圖片(1500倍放大率的SEM圖片)。
具體實(shí)施例方式
在下文中，參照附圖詳細(xì)描述實(shí)施本發(fā)明的最佳方式。圖l是按其過(guò)程順序示出 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的測(cè)量細(xì)胞的物理性質(zhì)值的方法的流程圖。如圖l所示，在本實(shí)施例的 測(cè)量細(xì)胞的物理性質(zhì)值的方法(在下文中也簡(jiǎn)稱為測(cè)量方法)中，首先，對(duì)于諸如正常紅細(xì) 胞和剌毛狀紅細(xì)胞的均具有非各向同性形狀的細(xì)胞，通過(guò)使用均具有非各向同性形狀的細(xì) 胞的形狀模型，以數(shù)值分析的方式獲得在交流電場(chǎng)施加到特定的各向同性的三維形狀時(shí)的 復(fù)數(shù)電容率響應(yīng)，其中，在每一個(gè)各向同性的三維形狀中，外相和內(nèi)相通過(guò)薄膜隔開(kāi)(步驟 1)。盡管此時(shí)的計(jì)算方法絕不受特別的限制，但是，例如，可以利用三維有限差分方法等。
接下來(lái)，在膜電容(；和細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率Ki相互獨(dú)立地被改變的同時(shí)，基于在步驟 SI中獲得的復(fù)數(shù)電容率響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，從而計(jì)算具有各個(gè)形狀的細(xì)胞的介電譜(步驟 S2)。 接下來(lái)，根據(jù)在步驟S2中獲得的每一個(gè)介電譜計(jì)算相對(duì)電容率的增量A e和弛 豫時(shí)間t的兩個(gè)參數(shù)(步驟S3)。盡管通過(guò)將每一個(gè)細(xì)胞的介電譜回歸到在下面示出的 表達(dá)式1中示出的Cole-Cole (科爾-科爾)型弛豫表達(dá)式，每一個(gè)細(xì)胞的介電譜通過(guò)簡(jiǎn)單 的弛豫表達(dá)式不能被完全表達(dá)，但是每一個(gè)細(xì)胞的介電譜可以被轉(zhuǎn)換為表現(xiàn)出介電弛豫特 性的三個(gè)值，即，相對(duì)電容率的增量A e 、弛豫時(shí)間t和表現(xiàn)出弛豫的擴(kuò)展(spreading) 的Cole-Cole參數(shù)P 。然后，在本實(shí)施例中，通過(guò)使用在下面示出的表達(dá)式1中示出的 Cole-Cole型弛豫表達(dá)式，對(duì)從計(jì)算獲得的每一個(gè)介電譜的實(shí)部(e ')進(jìn)行擬合，從而獲得 相對(duì)電容率的增量A e和弛豫時(shí)間t 。請(qǐng)注意，在下面示出的表達(dá)式1中，"是角頻率， e。是真空的電容率，^是處于低頻率極限的溶液的電導(dǎo)率，e 。是處于高頻率極限的相對(duì) 電容率，并且i2 = -1。
[表達(dá)式1] <formula>formula see original document page 5</formula> 接下來(lái)，基于在步驟S3中計(jì)算的相對(duì)電容率的增量A e和弛豫時(shí)間t ，針對(duì)細(xì)胞 的每一種形狀，獲得相對(duì)電容率的增量A e和弛豫時(shí)間t對(duì)(Cm， k》的依賴，從而產(chǎn)生回歸表達(dá)式(步驟S4)。盡管細(xì)胞的形狀在很大程度上影響從每一個(gè)介電譜獲得的系數(shù)，但 是人們認(rèn)為，由于細(xì)胞的極化的本質(zhì)就是界面極化，所以，相對(duì)電容率的增量A e和弛豫 時(shí)間t對(duì)(Cm， Ki)的依賴形成與麥克斯韋-瓦格納方程的函數(shù)形式相同的函數(shù)形式。因 此，在本發(fā)明的測(cè)量方法中，設(shè)置在下面示出的表達(dá)式2和表達(dá)式3中示出的關(guān)系，并且，針 對(duì)在步驟S3中獲得的結(jié)果，對(duì)常數(shù)a、 b、 c和d進(jìn)行多元回歸分析，從而獲得相對(duì)電容率的 增量A e和弛豫時(shí)間t對(duì)(Cm， Ki)的依賴。請(qǐng)注意，在下面示出的表達(dá)式2中的p是從 用于步驟S1中的每一種形狀的模型獲得的細(xì)胞的體積百分率(volume fraction)。
[表達(dá)式2] <formula>formula see original document page 6</formula>》
[表達(dá)式3] <formula>formula see original document page 6</formula> 這樣，以數(shù)值分析的方式，針對(duì)細(xì)胞的每一種形狀，預(yù)先獲得復(fù)數(shù)電容率的頻率色 散，并且，將數(shù)值分析的結(jié)果回歸為介電弛豫表達(dá)式，從而針對(duì)相對(duì)電容率的增量A e和 弛豫時(shí)間t對(duì)(Cm， Ki)的依賴產(chǎn)生回歸。因此，同樣地，對(duì)于不適用于常規(guī)弛豫表達(dá)式的 具有非各向同性形狀的細(xì)胞，也能夠以無(wú)損的方式快速、容易地獲得該細(xì)胞的表現(xiàn)出電特 性的物理性質(zhì)值，例如，細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率k ,和膜電容C;。 另外，在通過(guò)首先針對(duì)分散到正常的鹽溶液等中的作為測(cè)量對(duì)象的細(xì)胞使用本實(shí)
施例的測(cè)量方法來(lái)獲得細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率Ki和膜電容Cm時(shí)，通過(guò)使用阻抗分析儀等
掃描頻率來(lái)測(cè)量該細(xì)胞的復(fù)數(shù)電容率。接下來(lái)，通過(guò)使用在下面描述的表達(dá)式1中示出的
Cole-Cole型弛豫表達(dá)式，對(duì)所得到的介電譜的實(shí)部(e ')進(jìn)行擬合，從而獲得相對(duì)電容率 的增量A e，和弛豫時(shí)間、xp。此外，將(A e，， 、xp)和在步驟S4中產(chǎn)生的回歸表達(dá)
式(f(Cm， K》，g(Cm， Ki))相互比較，從而確定作為測(cè)量對(duì)象的細(xì)胞的膜電容Cm,，和細(xì)胞
質(zhì)電導(dǎo)率Ki,，(步驟S5)。 如上所述，在本實(shí)施例的測(cè)量方法中，將實(shí)際測(cè)量的介電譜與通過(guò)模擬產(chǎn)生的回
歸表達(dá)式相互比較，從而確定作為測(cè)量對(duì)象的細(xì)胞的膜電容Cm,，和細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率K i,，。
因此，同樣地，針對(duì)不適用于常規(guī)弛豫表達(dá)式的具有非各向同性形狀的細(xì)胞，也能夠以無(wú)損 的方式測(cè)量該細(xì)胞的表現(xiàn)出電特性的物理性質(zhì)值。另外，相比于通過(guò)估計(jì)關(guān)于細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo) 率等未知量從而進(jìn)行數(shù)值計(jì)算所獲得的介電譜中，選出與實(shí)際測(cè)量的介電譜最相符的介電 譜從而推導(dǎo)測(cè)量樣品的假定數(shù)目的本實(shí)施例的方法，能夠大大地縮短測(cè)量所需的勞力和時(shí) 間。 另外，通過(guò)使用本實(shí)施例的測(cè)量方法確定的細(xì)胞的物理性質(zhì)值可以被轉(zhuǎn)換為要用
于疾病的診斷等中的信息，例如，膜蛋白的解吸和細(xì)胞質(zhì)的異常。而且，例如，在血細(xì)胞計(jì)數(shù) 器中，不僅計(jì)數(shù)而且直到血細(xì)胞的狀態(tài)都能夠同時(shí)被高速地測(cè)量，并且，關(guān)于異常細(xì)胞的比
率(rate)的統(tǒng)計(jì)研究等也成為可能。 應(yīng)該注意，在上面描述的實(shí)施例中，作為例子描述了獲得細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率k i和膜電 容Cm的情況，但是本發(fā)明絕不局限于此。因此，關(guān)于細(xì)胞的物理性質(zhì)值，除了細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率
Ki和膜電容Cm以夕卜，例如，還可以測(cè)量膜電導(dǎo)率、細(xì)胞質(zhì)電容率等。 另外，可以通過(guò)使用用于執(zhí)行上述過(guò)程的設(shè)備來(lái)執(zhí)行本實(shí)施例的測(cè)量方法。用于 本實(shí)施例中的測(cè)量細(xì)胞的物理性質(zhì)值的設(shè)備所需要的僅僅是至少包含計(jì)算部件，用于通過(guò)設(shè)置任意的膜電容Cm和任意的細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率K i來(lái)計(jì)算關(guān)于具有特定形狀的細(xì)胞的介電
譜，從而進(jìn)行數(shù)值分析；獲得部件，用于通過(guò)將介電譜回歸為介電弛豫表達(dá)式來(lái)獲得細(xì)胞的 相對(duì)電容率的增量A e和弛豫時(shí)間t ;以及產(chǎn)生部件，用于基于相對(duì)電容率的增量A e 和弛豫時(shí)間t產(chǎn)生與細(xì)胞的形狀相對(duì)應(yīng)的回歸表達(dá)式。
例子 在下文中，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，將本發(fā)明的例子與比較例進(jìn)行比較， 以具體地掃描本發(fā)明的效果。應(yīng)該注意，本發(fā)明絕不局限于下面描述的例子。在本例子中， 通過(guò)使用在圖1中示出的測(cè)量細(xì)胞的物理性質(zhì)值的方法，測(cè)量具有各種形狀的細(xì)胞的細(xì)胞 質(zhì)電導(dǎo)率Ki和膜電容Cm。 首先，對(duì)兔子保存血(由K0HJINBI0 Co. ， Ltd.制造)進(jìn)行離心處理，從而僅僅提取 紅細(xì)胞。此外，將這樣提取的紅細(xì)胞分散到正常的鹽溶液中，該鹽溶液的濃度被調(diào)整為具有 pH5. 3，從而制備球形紅細(xì)胞(spherocyte)的樣品(No. 1)。將這樣提取的紅細(xì)胞分散到正 常的鹽溶液中，該鹽溶液的濃度被調(diào)整為具有PH8. 5，從而制備盤(pán)狀紅細(xì)胞的樣品(No. 2)。 此外，將這樣提取的紅細(xì)胞分散到正常的鹽溶液中，該鹽溶液的濃度被調(diào)整為具有pH7.7， 從而制備剌毛狀紅細(xì)胞的樣品(No. 3)。應(yīng)該注意，盡管出于獲得球形紅細(xì)胞的目的，一般來(lái) 說(shuō)，通過(guò)利用滲透壓差來(lái)制備樣品，但是，在本例子中，為了使血細(xì)胞的形狀一致，通過(guò)使用 上述的技術(shù)來(lái)制備樣品。另外，使用顯微鏡觀察每一個(gè)樣品，結(jié)果，均具有作為測(cè)量對(duì)象的 形狀的紅細(xì)胞與紅細(xì)胞總數(shù)之比按數(shù)量的百分率計(jì)是90%或更大。而且，在本例子中，出于 參考的目的，還通過(guò)將正常紅細(xì)胞分散到磷酸鹽緩沖液(PBS)中來(lái)制備樣品(No. 4)。
接下來(lái)，針對(duì)使用上述方法制備的每一種樣品，在使用阻抗分析儀(由Agilent Technologies, Inc.制造的4294A)將電極極化抑制在10kHz至110MHz的范圍的同時(shí)，測(cè)量 電容率。此外，對(duì)于球形紅細(xì)胞的樣品(No. l)，使用已知值，即，相對(duì)電容率、=78.3、電 導(dǎo)率Ka = 1.67S/m、外水相(outer aqueous phase)的細(xì)胞膜電導(dǎo)率Km = 1X10—7S/m，并 且，將薄殼的麥克斯韋_瓦格納方程應(yīng)用于通過(guò)測(cè)量獲得的介電譜，從而獲得體積百分率
P、細(xì)胞膜的每單位面積的膜電容Cm(二、e。/dm，其中dm是膜厚度，、是膜的相對(duì)電容
率，e。是真空的相對(duì)電容率)、以及紅細(xì)胞的內(nèi)水相(i皿er aqueous phase)的電容率^ 和電導(dǎo)率k it) 另一方面，關(guān)于盤(pán)狀紅細(xì)胞和剌毛狀紅細(xì)胞，通過(guò)使用橢圓形模型和球形模型來(lái) 計(jì)算體積百分率P，并且使用三維有限差分方法通過(guò)模擬來(lái)獲得復(fù)數(shù)電容率。請(qǐng)注意，使用 光顯微鏡來(lái)測(cè)量盤(pán)狀紅細(xì)胞的長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度，結(jié)果，證明是大約7. 9 ii m，該長(zhǎng)度與人類的紅細(xì) 胞(RBC)的形狀的長(zhǎng)度近似相等。然后，通過(guò)參考人類的RBC的表達(dá)式，對(duì)盤(pán)狀紅細(xì)胞進(jìn)行 模擬。另外，盡管剌毛狀紅細(xì)胞在突出體(protrusion)的數(shù)目方面也具有多樣性，因此存 在具有多種形狀的剌毛狀紅細(xì)胞，但是在本例子中，基于使用光顯微鏡進(jìn)行的觀察的結(jié)果 來(lái)進(jìn)行模擬。圖2是示出盤(pán)狀紅細(xì)胞的模擬結(jié)果的視圖，圖3是示出剌毛狀紅細(xì)胞的模擬 結(jié)果的視圖。 在對(duì)稀釋度(diluteness)的假設(shè)在正常形狀中成立時(shí)，在主軸的方向與電場(chǎng)彼 此垂直地相交或者彼此平行的情況中獲得分辨率，并且用要平均的概率密度對(duì)它們進(jìn)行加 權(quán)，從而使得獲得復(fù)數(shù)電容率成為可能。然后，用小體積百分率P(P《0. 04% )進(jìn)行計(jì)算， 使得對(duì)稀釋度的假設(shè)成立，并且，用在下面示出的表達(dá)式4和表達(dá)式5中示出的P對(duì)計(jì)算結(jié)果"'，e ")進(jìn)行歸一化。請(qǐng)注意，在下面示出的表達(dá)式5中的Ki是低頻率極限中的電導(dǎo)率。 [表達(dá)式4]
e ， = ( e - e a) /P
[表達(dá)式5] e " = ( k - k工)/ ( e v X " X P) 接下來(lái)，在膜電容(；和細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率Ki彼此獨(dú)立地被改變的同時(shí)，針對(duì)盤(pán)狀紅 細(xì)胞和剌毛狀紅細(xì)胞，在總共25種條件下針對(duì)這些形狀進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，從而分別針對(duì)盤(pán)狀 紅細(xì)胞和剌毛狀紅細(xì)胞計(jì)算介電譜。其后，出于容易表征通過(guò)計(jì)算獲得的介電譜的目的， 通過(guò)使用表達(dá)式1中示出的Cole-Cole型弛豫表達(dá)式來(lái)對(duì)各個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行擬合，從而計(jì)算 相對(duì)電容率的增量A e和弛豫時(shí)間t。此外，對(duì)關(guān)于這25種條件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行多元 回歸分析，從而確定上述的表達(dá)式2和表達(dá)式3中的常數(shù)a、 b和c。結(jié)果，在盤(pán)狀紅細(xì)胞 的情況中，獲得這些值:a = 1. 10X106m2/F、 b = 2. 86X10—2m/S、 c = 4. 52X10—V以及d =1. 19X 10—6m2/S。另外，在剌毛狀紅細(xì)胞的情況中，獲得這些值a = 2. 08X 106m2/F、 b = 5. 26X10—VS、 c = 1. 02X10—5111、以及d = 2. 16X10—6m2/S。圖4(a)和(b)分別是示出盤(pán) 狀紅細(xì)胞的回歸曲面的視圖。圖4(a)是關(guān)于相對(duì)電容率的增量A e的3D曲面，圖4(a) 是關(guān)于弛豫時(shí)間t的3D曲面。另外，圖5(a)和(b)分別是示出剌毛狀紅細(xì)胞的回歸曲面 的視圖。圖5(a)是關(guān)于相對(duì)電容率的增量A e的3D曲面，圖5(a)是關(guān)于弛豫時(shí)間t的 3D曲面。 接下來(lái)，對(duì)于No. 2和No. 3的樣品的介電譜(實(shí)際測(cè)量的值)，類似地，使用上述表 達(dá)式1中示出的Cole-Cole型弛豫表達(dá)式來(lái)對(duì)其復(fù)數(shù)電容率的實(shí)部"')進(jìn)行擬合，從而 計(jì)算弛豫參數(shù)(A erap， t，)，在No.2和No.3的樣品中的每一個(gè)中，細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率h和 膜電容Cm是未知的。此外，分別獲得曲面即在圖4和圖5中示出的回歸曲面，其中，共同具 有A e = A ￡，且t = 、xp。圖6是示出通過(guò)對(duì)盤(pán)狀紅細(xì)胞的計(jì)算而獲得的值與實(shí)際 測(cè)量的值之間的關(guān)系的圖形表示，其中，細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率Ki被描繪在橫軸上，膜電容C;被描 繪在縱軸上，圖7是示出通過(guò)對(duì)剌毛狀紅細(xì)胞的計(jì)算而獲得的值與實(shí)際測(cè)量的值之間的關(guān)
系的圖形表示，其中，細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率Ki被描繪在橫軸上，膜電容Cm被描繪在縱軸上。請(qǐng)注
意，圖6 —同示出盤(pán)狀紅細(xì)胞的情況中的關(guān)系以及正常紅細(xì)胞的值。此外，根據(jù)圖6和圖7 中示出的每?jī)蓷l曲線之間的相交點(diǎn)確定測(cè)量樣品(No. 2和No. 3)中的每一個(gè)的膜電容Cm, rap和細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率k i,，。在表1中共同示出根據(jù)上述過(guò)程確定的No. 1至No. 4的樣品的
膜電容Cm,，和細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率Ki,，的值。 (表1)
樣品體積百分 率P ( % )膜電容Cm (F/m2)細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率Ki (S/m)No.細(xì)胞種類1球形紅細(xì)胞5.806.33 x 10'30.713
2盤(pán)狀紅細(xì)胞7.186.68 x 10-30.539
3刺毛狀紅細(xì)胞8.732.54 x io30.373
4正常紅細(xì)胞9.808.79 x 1030.666 另外，出于確認(rèn)這樣確定的值是否再現(xiàn)實(shí)際測(cè)量的介電色散的目的，使用從圖6 和圖7獲得的值，通過(guò)有限差分方法再次計(jì)算盤(pán)狀紅細(xì)胞和剌毛狀紅細(xì)胞的介電色散。圖8 是示出盤(pán)狀紅細(xì)胞的介電色散的圖形表示，其中，頻率被描繪在橫軸上，復(fù)數(shù)電容率"'， e ")被描繪在縱軸上，圖9是示出剌毛狀紅細(xì)胞的介電色散的圖形表示，其中，頻率被描繪 在橫軸上，復(fù)數(shù)電容率"'，e")被描繪在縱軸上。如圖8和圖9所示，在盤(pán)狀紅細(xì)胞和 剌毛狀紅細(xì)胞的任意一個(gè)中，計(jì)算結(jié)果再現(xiàn)了實(shí)際測(cè)量的值。特別地，盡管實(shí)際測(cè)量的值表 現(xiàn)出了不能由通常應(yīng)用于這樣情況的Cole-Cole表達(dá)式表達(dá)的"笨拙(awkward)"的譜，但 是，關(guān)于盤(pán)狀紅細(xì)胞的計(jì)算結(jié)果正確地再現(xiàn)了實(shí)際測(cè)量的值。由此，確定了對(duì)相常數(shù)(Phase constant)的上述的簡(jiǎn)單的估計(jì)過(guò)程是有效的。
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權(quán)利要求
一種測(cè)量細(xì)胞的物理性質(zhì)值的方法，包含計(jì)算過(guò)程，用于通過(guò)設(shè)置任意的膜電容Cm和任意的細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率κi計(jì)算關(guān)于具有特定形狀的細(xì)胞的介電譜，從而進(jìn)行數(shù)值分析；獲得過(guò)程，用于通過(guò)將介電譜回歸為介電弛豫表達(dá)式來(lái)獲得所述細(xì)胞的相對(duì)電容率的增量Δε和弛豫時(shí)間τ；以及產(chǎn)生過(guò)程，用于基于相對(duì)電容率的增量Δε和弛豫時(shí)間τ產(chǎn)生與所述細(xì)胞的形狀相對(duì)應(yīng)的回歸表達(dá)式。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量細(xì)胞的物理性質(zhì)值的方法，其特征在于還包含下述過(guò) 程測(cè)量所述細(xì)胞的介電譜；以及將測(cè)量結(jié)果與回歸表達(dá)式相互比較，從而獲得所述細(xì)胞 的膜電容Cm,，和細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率Ki,rap。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量細(xì)胞的物理性質(zhì)值的方法，其特征在于 針對(duì)細(xì)胞的每一種形狀，產(chǎn)生回歸表達(dá)式，并且，通過(guò)應(yīng)用與所述細(xì)胞的形狀相對(duì)應(yīng)的回歸表達(dá)式來(lái)獲得膜電容Cm,，和細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率K i,exp。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量細(xì)胞的物理性質(zhì)值的方法，其特征在于 所述細(xì)胞具有非各向同性的形狀。
5. —種物理性質(zhì)測(cè)量設(shè)備，包含計(jì)算部件，用于通過(guò)設(shè)置任意的膜電容Cm和任意的細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率Ki來(lái)計(jì)算關(guān)于具有特定形狀的細(xì)胞的介電譜，從而進(jìn)行數(shù)值分析；獲得部件，用于通過(guò)將介電譜回歸為介電弛豫表達(dá)式來(lái)獲得所述細(xì)胞的相對(duì)電容率的 增量A e和弛豫時(shí)間t ;以及產(chǎn)生部件，用于基于相對(duì)電容率的增量A e和弛豫時(shí)間t產(chǎn)生與所述細(xì)胞的形狀相 對(duì)應(yīng)的回歸表達(dá)式。
全文摘要
本發(fā)明提供測(cè)量細(xì)胞的物理性質(zhì)值的方法和物理性質(zhì)測(cè)量設(shè)備。首先，對(duì)作為測(cè)量對(duì)象的細(xì)胞的形狀進(jìn)行模擬，并且，通過(guò)數(shù)值分析獲得在對(duì)細(xì)胞施加交流電場(chǎng)時(shí)的復(fù)數(shù)電容率響應(yīng)(步驟S1)。在改變膜電容Cm和細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率κi的值的同時(shí)基于該結(jié)果進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，從而計(jì)算介電譜(步驟S2)。將這樣計(jì)算的介電譜轉(zhuǎn)換為介電弛豫表達(dá)式，從而獲得相對(duì)電容率的增量Δε和弛豫時(shí)間τ(步驟S3)。接下來(lái)，獲得(Δε，τ)對(duì)(Cm，κi)的依賴，從而產(chǎn)生與作為測(cè)量對(duì)象的細(xì)胞的形狀相對(duì)應(yīng)的回歸表達(dá)式(步驟S4)。實(shí)際上測(cè)量細(xì)胞的介電譜，將所得到的時(shí)間測(cè)量的值與回歸表達(dá)式相互比較，從而獲得作為測(cè)量對(duì)象的細(xì)胞的膜電容Cm，exp和細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率κi，exp(步驟S5)。
文檔編號(hào)G01N33/48GK101772700SQ20088010183
公開(kāi)日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2008年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月10日
發(fā)明者林義人, 勝本洋一 申請(qǐng)人:索尼公司