專利名稱：基于多參數(shù)檢測集成芯片的全自動細(xì)胞生理參數(shù)分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種細(xì)胞生理參數(shù)分析儀。
背景技術(shù)：
細(xì)胞外信號檢測方法由于可以實(shí)現(xiàn)無損，長時程的測量而受到越來越多的關(guān)注，相關(guān)的技術(shù)發(fā)展也日新月異，如微電極陣列(MEA)，光尋址電位傳感器(LAPS)，細(xì)胞電阻抗測量等等也正在向商業(yè)化發(fā)展。但是，在進(jìn)行細(xì)胞生理實(shí)驗時，對單一參數(shù)的監(jiān)測往往只能從某一方面反映出細(xì)胞的生理活動，而測試環(huán)境的復(fù)雜性(各種噪聲源、長期測試后培養(yǎng)液對電極的腐蝕等)會干擾測試的結(jié)果，因此對細(xì)胞生理活動機(jī)理的揭示需要同時對多種相關(guān)的生理參數(shù)進(jìn)行綜合分析。目前，現(xiàn)有細(xì)胞芯片及分析器件功能單一，只能檢測單一的參數(shù)，不能實(shí)現(xiàn)多生理參數(shù)同時檢測，成為細(xì)胞生理分析快速發(fā)展的瓶頸。
2008年4月9日公開的公開號為CN101158677的中國專利申請公開了一種細(xì)胞電生理集成芯片和制作方法，該芯片集微電極陣列傳感器(microelectrode array, MEA)，光尋址電位傳感器(light-addressabl印otentiometric sensor, LAPS)和叉指型細(xì)胞-阻抗傳感器(interdigitated sensor, IDA)三種傳感器于一體，能夠同時檢測細(xì)胞在器件上的貼壁生長狀態(tài)，動作電位以及細(xì)胞新陳代謝產(chǎn)物中多重離子的濃度，用于實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的同時并行檢測。 隨著細(xì)胞多生理參數(shù)分析的需求不斷上升，以及多參數(shù)集成芯片的研究需要，目前還沒有分析器可用于多參數(shù)集成芯片以及細(xì)胞多種生理參數(shù)的同步檢測和綜合分析。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于多參數(shù)檢測集成芯片的全自動細(xì)胞
生理參數(shù)分析儀，可對細(xì)胞多種生理參數(shù)進(jìn)行同時檢測與分析。 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是 該基于多參數(shù)檢測集成芯片的全自動細(xì)胞生理參數(shù)分析儀包括封閉的測量腔，該測量腔內(nèi)置有芯片接口裝置和多參數(shù)集成芯片器件；所述芯片接口裝置包括自下而上依次固定聯(lián)接在一起的底座、芯片接口電路板和封蓋，所述封蓋的中心開有與多參數(shù)集成芯片器件相適配的通孔，所述封蓋的通孔的上方聯(lián)接有壓力墊片，芯片接口電路板上焊接有彈簧頂針，多參數(shù)集成芯片器件置于所述封蓋的通孔中，且壓力墊片、多參數(shù)集成芯片器件和彈簧頂針之間依次形成緊密接觸；所述分析儀還包括測量及控制電路和計算機(jī)，所述測量及控制電路包括光尋址電位傳感器檢測電路、阻抗檢測電路、微電極陣列檢測電路和中央控制電路，所述光尋址電位傳感器檢測電路、阻抗檢測電路、微電極陣列檢測電路和計算機(jī)分別與中央控制電路連接；光尋址電位傳感器檢測電路、阻抗檢測電路、微電極陣列檢測電路分別與芯片接口電路板連接。 進(jìn)一步地，本發(fā)明的分析儀還包括進(jìn)氣閥，該進(jìn)氣閥通過進(jìn)氣管與測量腔相連；所述測量腔內(nèi)還置有溫度傳感器、濕度傳感器、(A濃度傳感器、加熱器和加濕器；所述測量及控制電路還包括環(huán)境控制電路，該環(huán)境控制電路與中央控制電路連接；所述溫度傳感器、濕
度傳感器、C02濃度傳感器、加熱器、加濕器和進(jìn)氣閥分別與環(huán)境控制電路連接。 進(jìn)一步地，本發(fā)明的分析儀還包括進(jìn)樣泵、三通閥和出樣泵，所述三通閥、進(jìn)樣泵
和測量腔之間依次通過進(jìn)樣導(dǎo)管連接，所述出樣泵和測量腔之間通過出樣導(dǎo)管連接，所述
進(jìn)樣導(dǎo)管的出口和出樣導(dǎo)管的進(jìn)口均置于多參數(shù)集成芯片器件的培養(yǎng)腔內(nèi)；所述測量及控
制電路還包括流動分析控制電路；所述進(jìn)樣泵、三通閥和出樣泵分別與流動分析控制電路連接。 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述底座和芯片接口電路板的中心均開有通孔，所述底座和芯片接口電路板的通孔與封蓋的通孔的中心軸線重合。 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述阻抗檢測電路包括有源晶振、分頻器、微控制器、阻抗轉(zhuǎn)換器、偏置調(diào)整電路、程控放大電路、衰減及偏置調(diào)整電路、阻抗傳感器和量程選擇電路；所述有源晶振、微控制器、阻抗轉(zhuǎn)換器分別與分頻器相連接；所述微控制器、衰減及偏置調(diào)整電路、阻抗傳感器、量程選擇電路、程控放大電路、偏置調(diào)整電路、阻抗轉(zhuǎn)換器依次相連；所述微控制器與阻抗轉(zhuǎn)換器相連。 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述光尋址電位傳感器檢測電路包括微控制器、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、直接數(shù)字頻率合成器、放大電路、偏置調(diào)整電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、sin解調(diào)電路、功率放大電路、光尋址電位傳感器、程控放大電路、帶通濾波器、前置放大電路、電流電壓轉(zhuǎn)換電路、cos解調(diào)電路；所述微控制器分別與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、直接數(shù)字頻率合成器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、程控放大電路、電流電壓轉(zhuǎn)換電路相連；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換電路分別與偏置調(diào)整電路、光尋址電位傳感器相連；所述直接數(shù)字頻率合成器、放大電路、偏置調(diào)整電路、功率放大電路、光尋址電位傳感器、電流電壓轉(zhuǎn)換電路、前置放大電路、帶通濾波器、程控放大電路、sin解調(diào)電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路依次連接；所述放大電路分別與sin解調(diào)電路、cos解調(diào)電路相連；所述cos解調(diào)電路分別與程控放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路相連。 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述微電極陣列檢測電路包括十六路以上的獨(dú)立的放大及數(shù)據(jù)采集電路，每路所述放大及數(shù)據(jù)采集電路包括前置放大器、后級放大器、低通濾波器、輸出緩沖電路、數(shù)據(jù)采集電路；所述前置放大器、后級放大器、低通濾波器、輸出緩沖電路、數(shù)據(jù)采集電路依次連接。 本發(fā)明分析儀的工作原理是將培養(yǎng)有細(xì)胞的多參數(shù)集成芯片器件，通過芯片接口裝置與分析儀進(jìn)行連接，由流動分析控制電路來控制三通閥、進(jìn)樣泵和出樣泵的通斷及轉(zhuǎn)速，從而完成培養(yǎng)液和藥物的自動進(jìn)樣以及清洗廢液，實(shí)現(xiàn)全自動分析。由環(huán)境控制電路對測量腔的溫度、濕度、以及C02濃度進(jìn)行嚴(yán)格的控制使得其維持在細(xì)胞最適合生長的環(huán)境。多參數(shù)集成芯片上的阻抗傳感器檢測到細(xì)胞阻抗的變化由阻抗檢測電路檢測到并傳送給中央控制電路，微電極陣列傳感器檢測出細(xì)胞的胞外動作電位信號由微電極陣列檢測電路得到并傳送給中央控制電路，光尋址電位傳感器檢測到細(xì)胞代謝的離子變化信號由光尋址電位傳感器檢測電路得到并傳送至中央控制電路。中央控制電路對整個生理采集信號的過程進(jìn)行控制，并對獲取的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行自動分析后，由usb接口傳送到計算機(jī)上。
多參數(shù)集成芯片集成了微電極陣列，光尋址電位傳感器和阻抗傳感器三種傳感器于一體，該芯片利用微電極陣列記錄細(xì)胞動作電位頻率、幅度、波形以及細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)間信號傳播速度等參數(shù)，利用阻抗傳感器測試細(xì)胞的生長和黏附狀態(tài)以及用光尋址電位傳感器進(jìn)行細(xì)胞胞外的微環(huán)境檢測，如離子和分子的代謝成分檢測等。 多參數(shù)集成芯片通過特別設(shè)計的芯片接口裝置與分析儀進(jìn)行連接。芯片與分析儀接口設(shè)計主要考慮以下兩點(diǎn)一是方便更換多參數(shù)集成芯片器件因為多參數(shù)集成芯片器件的表面一般培養(yǎng)有細(xì)胞，一次測試可能要更換多片芯片。因此要保證芯片更換快速方便，而且更換芯片時不能有太強(qiáng)的震動，以免影響細(xì)胞的生長狀態(tài)。二是芯片接口裝置要保證多參數(shù)集成芯片器件與分析儀之間電學(xué)接觸良好，檢測信號特別是胞外動作電位的信號幅度非常微弱，不良接觸易帶來噪聲及信號不準(zhǔn)確。本發(fā)明采用了彈簧頂針，以及壓力墊片的方法實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計方案十分方便替換多參數(shù)集成芯片器件，在替換的過程中對測量芯片器件引起的震動和損傷也最小。同時芯片接口裝置除了可以檢測多參數(shù)集成芯片，也可以檢測單一功能的細(xì)胞生理芯片，如獨(dú)立功能的微電極陣列芯片、阻抗傳感器、以及光尋址電位傳感器。 分析儀的主要測量對象為活體細(xì)胞，在長時間檢測中需要保證細(xì)胞的生理活性，同時細(xì)胞的生長環(huán)境直接影響細(xì)胞的信號檢測結(jié)果。因此在分析儀中設(shè)計了的環(huán)境控制系統(tǒng)，可對測量腔中的溫度、濕度、以及C02濃度進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)，以保證培養(yǎng)于多參數(shù)集成芯片器件上的細(xì)胞保持正常生理狀態(tài)以及特殊實(shí)驗需求。 在細(xì)胞生理參數(shù)檢測實(shí)驗中，需要經(jīng)常將更改細(xì)胞的培養(yǎng)液以及施加藥物進(jìn)行剌激。分析儀通過流動分析系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)整個測量過程的全自動分析。培養(yǎng)液和藥物通過進(jìn)樣泵輸入到多參數(shù)集成芯片器件的表面，通過流動分析控制電路來控制進(jìn)樣泵和出樣泵的通斷及轉(zhuǎn)速完成培養(yǎng)液和藥物的自動注射及廢液清洗，通過流動分析控制電路控制三通閥來控制培養(yǎng)液與藥物之間的切換。 分析儀的核心功能是并行檢測多參數(shù)集成芯片上的阻抗傳感器、微電極陣列、光尋址電位傳感器輸出的多種細(xì)胞生理信號。因此分析儀包括相應(yīng)功能部分的檢測電路，這些電路可根據(jù)芯片的需求進(jìn)行靈活組合，以及進(jìn)行復(fù)雜性時序邏輯測量。整個電路的設(shè)計采用板卡式設(shè)計，獨(dú)立的功能單元為一個獨(dú)立的板卡。主板主要由環(huán)境控制電路，環(huán)境控制電路，阻抗檢測電路，光尋址電位傳感器檢測電路，微電極陣列檢測電路，流動分析控制電路，中央控制電路，計算機(jī)接口，電源模塊等組成。這些電路及模塊之間相對獨(dú)立，但通過中央控制電路可以相互進(jìn)行通訊與控制。本設(shè)計還有一個顯要的優(yōu)點(diǎn)，就是分析儀可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行靈活定制。根據(jù)不同多參數(shù)集成芯片的設(shè)計，進(jìn)行靈活組裝，如有些實(shí)驗不需要環(huán)境控制部分，有些需求只是用來檢測阻抗傳感器和光尋址電路傳感器兩個部分，則不需要多通道信號放大及采集單元的電路板卡。 本分析儀可有效用于多參數(shù)集成芯片，可同時檢測細(xì)胞的動作電位、細(xì)胞外多種離子的濃度變化和細(xì)胞阻抗參數(shù)，具有分析時間短、樣品消耗少和效率高等優(yōu)點(diǎn)。在測量過程中可自動調(diào)節(jié)測量腔中的溫度、濕度及(A濃度，以滿足細(xì)胞的生長環(huán)境要求。同時通過流動分析系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全自動分析功能。可廣泛用于細(xì)胞生理、藥物的篩選和檢測領(lǐng)域。此外，該分析儀可實(shí)現(xiàn)對單細(xì)胞、細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的傳導(dǎo)以及藥物作用后細(xì)胞生理狀態(tài)的實(shí)時檢測，可對檢測結(jié)果進(jìn)行量化。由于采用于獨(dú)特的芯片接口裝置設(shè)計、以及板卡式電路設(shè)計，本分析儀可適用多種不同多參數(shù)集成芯片的檢測需求以及多種實(shí)驗方案的需求。


圖1是本發(fā)明分析儀的整體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是多參數(shù)集成芯片結(jié)構(gòu)圖； 圖3是多參數(shù)集成芯片器件的封裝示意圖； 圖4是芯片接口裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是芯片接口電路一種實(shí)施方式的示意圖； 圖6是測量腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7是流動分析控制電路原理圖； 圖8是溫度控制電路原理圖； 圖9是濕度控制電路原理圖； 圖10是C02濃度控制電路原理圖； 圖11是阻抗傳感器檢測電路原理圖； 圖12是光尋址電位傳感器檢測電路原理圖； 圖13是微電極陣列檢測電路原理圖； 圖14是測量及控制電路組裝實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖15是本發(fā)明分析儀的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖16是本發(fā)明的多參數(shù)集成芯片上光尋址電位傳感器測量結(jié)果 圖17是本發(fā)明的多參數(shù)集成芯片上阻抗傳感器測量結(jié)果 圖18是本發(fā)明的多參數(shù)集成芯片上微電極陣列的測量結(jié)果圖。
圖中1、進(jìn)樣泵，2、三通閥，3、培養(yǎng)液容器，4、藥物容器，5、芯片接口裝置底座，6、芯片接口裝置連接支柱，7、多參數(shù)集成芯片器件，8、芯片接口裝置厚度調(diào)節(jié)片，9、芯片接口裝置壓力墊片，10、彈簧頂針，11、芯片接口裝置封蓋，12、芯片接口電路板，13、封閉的測量腔，14、出樣泵，15、出樣導(dǎo)管，16、廢液容器，17、溫度傳感器，18、濕度傳感器，19、 C02濃度傳感器，20、加濕器，21、加熱器，22、進(jìn)氣閥，23、 0)2氣瓶，24、測量及控制電路，25、芯片接口裝置，26、 0)2氣體通道，27、流動分析通道，28、電源接口，29、 USB接口 ， 7. 1、多參數(shù)集成芯片，7. 11、阻抗傳感器，7. 12、參考電極，7. 13、微電極陣列傳感器，7. 14、光尋址電位傳感器，7. 21、培養(yǎng)腔，7. 22、器件基底，12. 1、彈簧頂針固定孔，12. 2、導(dǎo)線，12. 3、測量及控制電路接口 ， 24. 1、環(huán)境控制電路板卡，24. 2、環(huán)境控制電路接口 ， 24. 3、阻抗檢測電路板卡，24. 4、光尋址電位傳感器檢測電路板卡，24. 5、微電極陣列檢測電路板卡，24. 6、流動分析控制電路板卡，24. 7 、中央控制電路板卡，24. 8 、計算機(jī)接口 ， 24. 9 、電源模塊。
具體實(shí)施例方式
圖1給出了整個分析儀的整體結(jié)構(gòu)圖。它包括封閉的測量腔13，該測量腔13內(nèi)置有芯片接口裝置、多參數(shù)集成芯片器件7、溫度傳感器17、濕度傳感器18丄02濃度傳感器19、加熱器21和加濕器20。 分析儀包括培養(yǎng)液及藥物全自動給樣系統(tǒng)。培養(yǎng)液容器3和藥物容器4中的液體通過進(jìn)樣泵1流入到多參數(shù)集成芯片器件7的表面，用來對芯片上的細(xì)胞進(jìn)行剌激。通過測量及控制電路24中的全流動分析控制電路控制進(jìn)樣泵1的通斷和轉(zhuǎn)速，完成對培養(yǎng)液容器3和藥物容器4中的液體進(jìn)行自動注射和清洗，廢液通過出樣泵16流入廢液容器16中，
7三通閥2控制培養(yǎng)液與藥物之間的切換。三通閥2、進(jìn)樣泵1和測量腔13之間依次通過進(jìn) 樣導(dǎo)管連接，出樣泵14和測量腔13之間通過出樣導(dǎo)管連接，進(jìn)樣導(dǎo)管的出口和出樣導(dǎo)管的 進(jìn)口均置于多參數(shù)集成芯片器件7的培養(yǎng)腔7. 21內(nèi)。進(jìn)樣泵1、三通閥2和出樣泵14分別 與流動分析控制電路連接。 溫度傳感器17、濕度傳感器18、 C02濃度傳感器19、加熱器21、加濕器20，進(jìn)氣閥 22分別與環(huán)境控制電路連接，構(gòu)成環(huán)境控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對測量空里的溫度、濕度、C(U農(nóng)度的 控制。 多參數(shù)集成芯片器件的輸出信號通過芯片接口裝置與測量及控制電路24相連。 測量及控制電路24包括光尋址電位傳感器檢測電路、電阻抗檢測電路、微電極檢測電路、 中央控制電路和環(huán)境控制電路，所述光尋址電位傳感器檢測電路、電阻抗檢測電路、微電極 檢測電路、環(huán)境控制電路和計算機(jī)分別與中央控制電路連接；光尋址電位傳感器檢測電路、 電阻抗檢測電路、微電極檢測電路分別與芯片接口電路板12連接。 圖2給出了 2008年4月9日公開的公開號為CN101158677的中國專利申請公開 的一種多參數(shù)集成芯片的結(jié)構(gòu)。在Si基底正面中間集成微電極陣列7. 13，在微電極陣列 7. 13兩側(cè)分別集成阻抗傳感器7. 11和光尋址電位傳感器7. 14，在微電極陣列7. 13另外兩 側(cè)分別對稱設(shè)置參考電極7. 12。該類型集成芯片包括一個光尋址電位傳感器，一個阻抗傳 感器，以及含35個微電極的微電極陣列。 圖3給出了多參數(shù)集成芯片器件的封裝示意圖。多參數(shù)集成芯片器件由培養(yǎng)腔 7. 21、多參數(shù)集成芯片7. 1、器件基底7. 22組成。多參數(shù)集成芯片7. 1與器件基底7. 22通 過點(diǎn)焊進(jìn)行連接，培養(yǎng)腔7. 21通過無毒膠水固定在多參數(shù)集成芯片7. 1和器件基底7. 22 的上方。 圖4是分析儀與芯片接口裝置的示意圖。芯片接口裝置中的底座5、芯片接口電路 板12和封蓋11自下而上依次固定聯(lián)接在一起，并通過連接支柱6相固定。封蓋ll的中心 開有與多參數(shù)集成芯片器件7相適配的通孔。底座5與芯片接口電路板12的中心均開有 通孔，底座5和芯片接口電路板12的通孔與封蓋11的通孔的中心軸線重合。封蓋ll的通 孔的上方聯(lián)接有壓力墊片9，芯片接口電路板12上焊接有彈簧頂針10。多參數(shù)集成芯片器 件7置于封蓋11的通孔中，且壓力墊片9、多參數(shù)集成芯片器件7和彈簧頂針10之間依次 形成緊密接觸，其中多參數(shù)集成芯片器件7上的焊點(diǎn)分別與芯片接口電路板12上的彈簧頂 針10形成一一接觸。儀器實(shí)施時，可加入厚度調(diào)節(jié)片8，置于壓力墊片9、多參數(shù)集成芯片 器件7之間，以加大多參數(shù)集成芯片器件7和彈簧頂針10之間壓力，以形成更好的電學(xué)接 觸。底座5和封蓋11用有機(jī)玻璃或其它絕緣體加工而成。壓力墊片9可采用旋轉(zhuǎn)設(shè)計，壓 力墊片9可以連接支柱6為軸心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，方便多參數(shù)集成芯片器件7從封蓋11的通孔中 放入及取出。芯片接口電路板12與測量及控制電路24上的光尋址電位傳感器檢測電路、 電阻抗檢測電路、微電極檢測電路相連接。該設(shè)計方案十分方便替換測量芯片，在替換的過 程中對測量芯片引起的震動和損傷也最小。 圖5是芯片接口電路板12的其中一個實(shí)施例的示意圖。其中彈簧頂針固定孔12. 1 用于彈簧頂針10的焊接固定，實(shí)現(xiàn)與芯片的良好接觸。芯片通過電路板上的導(dǎo)線12. 2輸 出信號，整個電路板由測量及控制電路接口 12. 3與測量及控制電路24相連。
圖6是封閉的測量腔13結(jié)構(gòu)示意圖。在測量腔13的中間部分是多功能集成芯片器件7與儀器的接口裝置25。在測量腔13的四周布有溫度傳感器17、濕度傳感器18、和 C02濃度傳感器19，以及相應(yīng)的加熱器21，加濕器20，和C02氣體通道26。流動分析流通27 用于放置全自動分析過程的液體管道15。 圖7是流動分析控制電路原理圖。進(jìn)樣泵1、出樣泵14、三通閥2分別與MCU相連， 進(jìn)樣泵1、出樣泵14與微控制器之間還有數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。進(jìn)樣泵1與出樣泵14都用TTL電 平控制開關(guān)及轉(zhuǎn)向，用數(shù)模轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓大小來控制泵的轉(zhuǎn)速。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路輸出 的電壓由微控制器輸出的數(shù)字信號進(jìn)行控制。 圖8是溫度控制電路原理圖。溫度傳感器17采用鉑電阻(Pt100)，與恒電流源、電 阻以及差分放大電路構(gòu)成三線制測溫電路。溫度傳感器17鉑電阻(Pt 100)將溫度變化轉(zhuǎn) 換為電阻變化，測溫電路將溫度傳感器17的電阻變分轉(zhuǎn)換為電壓輸出，由差分放大電路輸 出。差分放大電路輸出的電壓經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號輸入到微控制器。微控制器根 據(jù)設(shè)定的溫度，采用增量式PID算法控制繼電器通斷，繼而控制加熱器的加熱時間，實(shí)現(xiàn)快 速、連續(xù)的控溫。鉑電阻存在非線性，采用最小二乘法解決鉑電阻的非線性誤差。在實(shí)際的 溫控系統(tǒng)中，通過飛升曲線計算PID參數(shù)的初始值，再進(jìn)行實(shí)際的實(shí)驗對參數(shù)進(jìn)行逐步的 調(diào)整。 圖9是濕度控制電路原理圖。濕度控制電路與溫度控制電路原理相似。濕度傳感 器18采用商品化的環(huán)保型Humirel濕度模塊HTG3515CH，其輸出形式是線性電壓輸出相對 濕度。主要參數(shù)0 100% RH相對濕度范圍，精度±3% RH，工作溫度范圍-40 ll(TC， 5s響應(yīng)時間，0±1% RH遲滯。濕度傳感器輸出的模擬電壓信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信 號輸入到微控制器。微控制器根據(jù)設(shè)定的濕度，控制繼電器通斷，繼而控制加濕器的加濕時 間。 圖10是C02濃度控制電路原理圖。C02濃度傳感器19采用了英國GSS公司C20 紅外(A濃度傳感器，是采用銻化銦鋁(NDIR LED技術(shù))的氣體傳感器和系統(tǒng)，輸出為TTL level RS232信號。C02濃度傳感器將C02濃度信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后輸入到MCU。 MCU根 據(jù)設(shè)定的參數(shù)，控制繼電器，進(jìn)而控制進(jìn)氣閥22的關(guān)閉。C02通過專業(yè)的外置氣瓶23來實(shí) 現(xiàn)給氣，外置氣瓶不是本分析儀的標(biāo)準(zhǔn)組成部分。 圖11所示為阻抗檢測電路原理圖。阻抗檢測電路以數(shù)字鎖相放大器為核心，鎖相 放大器的核心采用阻抗轉(zhuǎn)換器ASIC-AD5933。阻抗轉(zhuǎn)換器AD5933是ADI公司推出的一款 阻抗測量集成芯片，是一個高精度的阻抗轉(zhuǎn)換系統(tǒng)解決方案，內(nèi)部集成了頻率發(fā)生器和12 位1MSPS的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。由于需要在阻抗測量中施加的剌激信號必須足夠小才能保證系統(tǒng) 的線形條件使得剌激信號不會改變系統(tǒng)本身的特性，AD5933輸出的2V峰峰值不適合作為 傳感器的激勵信號，故需對其做衰減和偏置的調(diào)整。衰減電路由2級構(gòu)成，分別衰減20倍 和10倍。使得輸出在10mV峰峰值，達(dá)到傳感器輸入的要求。由于AD5933輸入范圍只能為 0-3. 3V電壓，故需要使用偏置調(diào)整電路對前級輸出信號疊加一個1. 5V的直流偏置。通過一 個同相加法器實(shí)現(xiàn)偏置的疊加。 圖12是光尋址電位傳感器檢測電路原理圖。該部分電路以模擬鎖相放大器的為 核心，采用直接數(shù)字頻率合成器DDS作為信號發(fā)生器，經(jīng)過放大電路，傳入傳感器單元，輸 出信號經(jīng)過處理后，與參考信號進(jìn)行解調(diào)。整個電路單元的主控單元采用了 TI公司的高 性能MSP430單片機(jī)。信號發(fā)生電路采用了直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，利用ADI公司生產(chǎn)的AD9854芯片產(chǎn)生2路頻率和幅度可調(diào)的正交信號，頻率為100HZ-100KHZ。直接數(shù)字頻率合 成器DDS直接輸出的信號幅度較小，需要經(jīng)過放大才能供后級電路使用。為保證傳感器的 線性輸入信號要再經(jīng)過衰減和直流偏置調(diào)整才能驅(qū)動傳感器為了達(dá)到通過量程切換來提 高檢測精度，在電流電壓轉(zhuǎn)換中通過模擬開關(guān)來切換反饋電阻。運(yùn)放采用TI公司生產(chǎn)的 0PA627高性能放大器，可提供較高的帶寬(16MHZ)，非常小的偏置電流(1PA)和以及低噪聲 性能。電壓前置放大使用電路為標(biāo)準(zhǔn)同相放大電路。放大倍數(shù)設(shè)定為ll倍，本級使用的是 超低噪聲的寬帶運(yùn)算放大器LMH6624，其廣譜噪聲低至0. 92nV/sqrtHz。由于鎖相放大器的 模擬通路均為交流耦合，放大器的1/f噪聲不會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響。程控放大器提供放 大倍數(shù)的微調(diào)，以達(dá)到混頻器和AD轉(zhuǎn)換器的最佳輸入范圍。解調(diào)器的參考信號由DDS信號 發(fā)生器提供。解調(diào)后的輸出包括輸入信號與參考信號的和頻及差頻。通過低通濾波器得到 差頻信號，完成同步解調(diào)。采用2個AD630解調(diào)器即可同時解調(diào)出阻抗的實(shí)部和虛部。由 于AD轉(zhuǎn)換器只能輸入正電壓，但低通輸出信號可能為負(fù)值。信號再做近一步調(diào)理并抬高以 后通過抗混疊電路輸入到AD轉(zhuǎn)換器。AD轉(zhuǎn)換器為TI公司生產(chǎn)的ADS 1256高精度差分輸 入AD轉(zhuǎn)換器。其采樣速率可達(dá)30KSPS，對于采集直流信號來說完全夠用。采用DAC8811電 流型DA并配合外置高精度運(yùn)放0PA2277完成可程控輸出-2. 5V—2. 5V的電壓。LTC1821高 精度電壓型DA轉(zhuǎn)換器用于提供光尋址電位傳感器所需要的-10V—10V直流偏置。
圖13是微電極陳列檢測電路原理圖。微電極陳列檢測電路包括多通道的放大器， 以及高速數(shù)據(jù)采集模塊。信號經(jīng)前置放大器、后級放大器兩級放大后，通過低通濾波器濾波 后，經(jīng)輸出緩沖后到達(dá)數(shù)據(jù)采集電路。 圖14給出了分析儀的檢測及控制電路實(shí)施例示意圖。整個設(shè)計采用板卡式設(shè)計， 獨(dú)立的功能單元為一個獨(dú)立的板卡。主板主要由電源模塊24. 9、中央控制單元24. 7及電 腦USB接口單元24.8、測量腔接口 24.2、以及總線等組成。儀器包括的主要電路功能塊有 環(huán)境控制電路24. 1、全自動分析控制電路24. 6、阻抗檢測電路24. 3、光尋址電位傳感器檢 測電路24. 4、以及微電極陣列檢測電路24. 5等。光尋址電位傳感器檢測電路24. 4、電阻抗 檢測電路24. 3、微電極陣列檢測電路24. 5、環(huán)境控制電路24. l和計算機(jī)分別與中央控制電 路連接。這些功能模塊相互之間相對獨(dú)立，但通過中央控制單元24. 7可以相互進(jìn)行通訊與 控制。本設(shè)計還有一個顯要的優(yōu)點(diǎn)，就是儀器可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行靈活定制。根據(jù)不 同集成芯片的設(shè)計，進(jìn)行儀器聽靈活組裝，如有些實(shí)驗不需要環(huán)境控制部分。
圖15所示為多功能細(xì)胞生理參數(shù)分析儀整體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。主要由測量 腔13，測量及控制電路24，進(jìn)樣泵1、出樣泵14，培養(yǎng)液容器3、藥物容器4、廢液容器16，電 源接口 28，電腦USB接口 29等組成部分。測量腔13位于分析儀的上部，含有芯片接口裝 置25等。進(jìn)樣泵1、出樣泵14，培養(yǎng)液容器3、藥物容器4、廢液容器16以及相應(yīng)的控制電 路通過管道形成全自動流動分析系統(tǒng)。測量及控制電路24位于分析儀的后部，通過USB接 口29與計算機(jī)相連。整個儀器由220V交流電進(jìn)行供電。
下面給出本發(fā)明的應(yīng)用實(shí)施例。 多參數(shù)集成芯片上的光尋址電位傳感器主要應(yīng)用于檢測細(xì)胞的微環(huán)境檢測，即胞 外離子濃度檢測。實(shí)驗中，在光尋址電位傳感器表面直接是Si3N4，是一種對氫離子敏感的 材料。采用PH分別為6，7，8，9的四種溶液來測量，結(jié)果如圖16所示。由圖中可以看出，隨 著PH的減小，曲線沿著偏置電壓左移，偏移量與pH值改變量大體成正比。隨著pH的減小，溶液中氫離子濃度增大，使得溶液和傳感器表面兩相之間的電勢差增加。這個電勢差疊加 到偏置電壓后，引起整體測量曲線的左移。根據(jù)能斯特方程，兩相間的電勢差與溶液中的氫 離子活度的對數(shù)值(即溶液的pH)成正比。通過檢測光尋址電位傳感器的電流電壓曲線的 偏移，便可得到溶液的pH值。實(shí)驗結(jié)果證明本儀器可正確檢測多參數(shù)集成芯片上的光尋址 電位傳感器的輸出。 采用多參數(shù)集成芯片上的阻抗傳感器測量培養(yǎng)于大面積電極上的細(xì)胞群或培養(yǎng) 于微電極上的單個細(xì)胞的阻抗特性。這些阻抗測量表明了電活性可興奮細(xì)胞或非可興奮細(xì) 胞類型的增殖、遷移和細(xì)胞黏附信息。選擇ECV-304內(nèi)皮細(xì)胞，采用金電極在25KHz(大量 實(shí)驗表明此頻率阻抗變化最明顯)，10mV剌激下進(jìn)行長時程貼壁性實(shí)驗。測量結(jié)果如圖17 所示，比較真實(shí)的反映了細(xì)胞貼壁以及凋亡的整個過程。實(shí)驗結(jié)果證明本儀器可正確檢測 多參數(shù)集成芯片上的阻抗傳感器的輸出。 實(shí)驗利用多參數(shù)集成芯片上的微電極陣列對原代培養(yǎng)的心肌細(xì)胞進(jìn)行胞外電位 的檢測。心肌細(xì)胞原代培養(yǎng)2天后貼附在MEA器件表面，細(xì)胞呈透明鼓起狀，大部分細(xì)胞生 長于所需電極位點(diǎn)上。圖18所示為微電極陣列的多通道信號輸出，可看到明顯的胞外動作 電位信號。實(shí)驗結(jié)果證明本儀器可正確檢測多參數(shù)集成芯片上的微電極陣列的輸出。
權(quán)利要求
一種基于多參數(shù)檢測集成芯片的全自動細(xì)胞生理參數(shù)分析儀，其特征是它包括封閉的測量腔(13)，該測量腔(13)內(nèi)置有芯片接口裝置和多參數(shù)集成芯片器件(7)；所述芯片接口裝置包括自下而上依次固定聯(lián)接在一起的底座(5)、芯片接口電路板(12)和封蓋(11)，所述封蓋(11)的中心開有與多參數(shù)集成芯片器件(7)相適配的通孔，所述封蓋(11)的通孔的上方聯(lián)接有壓力墊片(9)，芯片接口電路板(12)上焊接有彈簧頂針(10)，多參數(shù)集成芯片器件(7)置于所述封蓋(11)的通孔中，且壓力墊片(9)、多參數(shù)集成芯片器件(7)和彈簧頂針(10)之間依次形成緊密接觸；所述分析儀還包括測量及控制電路和計算機(jī)，所述測量及控制電路包括光尋址電位傳感器檢測電路、阻抗檢測電路、微電極陣列檢測電路和中央控制電路，所述光尋址電位傳感器檢測電路、阻抗檢測電路、微電極陣列檢測電路和計算機(jī)分別與中央控制電路連接；光尋址電位傳感器檢測電路、阻抗檢測電路、微電極陣列檢測電路分別與芯片接口電路板(12)連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多參數(shù)檢測集成芯片的全自動細(xì)胞生理參數(shù)分析儀，其 特征是該分析儀還包括進(jìn)氣閥(22)，該進(jìn)氣閥(22)通過進(jìn)氣管與測量腔(13)相連；所 述測量腔(13)內(nèi)還置有溫度傳感器(17)、濕度傳感器(18) 、 C02濃度傳感器(19)、加熱器 (21)和加濕器(20);所述測量及控制電路還包括環(huán)境控制電路，該環(huán)境控制電路與中央控 制電路連接；所述溫度傳感器(17)、濕度傳感器(18) 、 C02濃度傳感器(19)、加熱器(21)、 加濕器(20)和進(jìn)氣閥(22)分別與環(huán)境控制電路連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于多參數(shù)檢測集成芯片的全自動細(xì)胞生理參數(shù)分析 儀，其特征是該分析儀還包括進(jìn)樣泵(D、三通閥(2)和出樣泵(14)，所述三通閥(2)、進(jìn) 樣泵(1)和測量腔(13)之間依次通過進(jìn)樣導(dǎo)管連接，所述出樣泵(14)和測量腔(13)之 間通過出樣導(dǎo)管連接，所述進(jìn)樣導(dǎo)管的出口和出樣導(dǎo)管的進(jìn)口均置于多參數(shù)集成芯片器件 (7)的培養(yǎng)腔(7.21)內(nèi)；所述測量及控制電路還包括流動分析控制電路；所述進(jìn)樣泵(1)、 三通閥(2)和出樣泵(14)分別與流動分析控制電路連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于多參數(shù)檢測集成芯片的全自動細(xì)胞生理參數(shù)分析 儀，其特征是所述底座(5)和芯片接口電路板(12)的中心均開有通孔，所述底座(5)和芯 片接口電路板(12)的通孔與封蓋(11)的通孔的中心軸線重合。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多參數(shù)檢測集成芯片的全自動細(xì)胞生理參數(shù)分析儀，其 特征是所述阻抗檢測電路包括有源晶振、分頻器、微控制器、阻抗轉(zhuǎn)換器、偏置調(diào)整電路、 程控放大電路、衰減及偏置調(diào)整電路、阻抗傳感器和量程選擇電路；所述有源晶振、微控制 器、阻抗轉(zhuǎn)換器分別與分頻器相連接；所述微控制器、衰減及偏置調(diào)整電路、阻抗傳感器、量 程選擇電路、程控放大電路、偏置調(diào)整電路、阻抗轉(zhuǎn)換器依次相連；所述微控制器與阻抗轉(zhuǎn) 換器相連。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多參數(shù)檢測集成芯片的全自動細(xì)胞生理參數(shù)分析儀，其 特征是所述光尋址電位傳感器檢測電路包括微控制器、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、直接數(shù)字頻率合成 器、放大電路、偏置調(diào)整電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、sin解調(diào)電路、功率放大電路、光尋址電位傳感 器、程控放大電路、帶通濾波器、前置放大電路、電流電壓轉(zhuǎn)換電路、cos解調(diào)電路；所述微 控制器分別與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、直接數(shù)字頻率合成器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、程控放大電路、電流電 壓轉(zhuǎn)換電路相連；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換電路分別與偏置調(diào)整電路、光尋址電位傳感器相連；所述 直接數(shù)字頻率合成器、放大電路、偏置調(diào)整電路、功率放大電路、光尋址電位傳感器、電流電壓轉(zhuǎn)換電路、前置放大電路、帶通濾波器、程控放大電路、sin解調(diào)電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路依次 連接；所述放大電路分別與sin解調(diào)電路、cos解調(diào)電路相連；所述cos解調(diào)電路分別與程 控放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多參數(shù)檢測集成芯片的全自動細(xì)胞生理參數(shù)分析儀， 其特征是所述微電極陣列檢測電路包括十六路以上的獨(dú)立的放大及數(shù)據(jù)采集電路，每路 所述放大及數(shù)據(jù)采集電路包括前置放大器、后級放大器、低通濾波器、輸出緩沖電路、數(shù)據(jù) 采集電路；所述前置放大器、后級放大器、低通濾波器、輸出緩沖電路、數(shù)據(jù)采集電路依次連 接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于多參數(shù)檢測集成芯片的全自動細(xì)胞生理參數(shù)分析儀，包括封閉的測量腔，測量腔內(nèi)置有芯片接口裝置和多參數(shù)集成芯片器件；芯片接口裝置包括自下而上依次固定聯(lián)接在一起的底座、芯片接口電路板和封蓋，封蓋的中心開有與多參數(shù)集成芯片器件相適配的通孔，封蓋的通孔的上方聯(lián)接有壓力墊片，芯片接口電路板上焊接有彈簧頂針，多參數(shù)集成芯片器件置于封蓋通孔中，且壓力墊片、多參數(shù)集成芯片器件和彈簧頂針之間依次形成緊密接觸；計算機(jī)、測量及控制電路的光尋址電位傳感器檢測電路、阻抗檢測電路、微電極陣列檢測電路分別與中央控制電路連接；光尋址電位傳感器檢測電路、阻抗檢測電路、微電極陣列檢測電路分別與芯片接口電路板連接。
文檔編號G01N35/00GK101705184SQ20091015485
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月26日
發(fā)明者余輝, 吳成雄, 王君, 王平, 程功, 肖麗丹, 胡寧, 胡朝穎, 蔡華 申請人:浙江大學(xué)