表面等離子體共振傳感芯片及細胞響應檢測系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及生物檢測領域，尤其涉及一種能夠用于長時間細胞響應檢測的表面等離子體共振傳感芯片。
【背景技術(shù)】
[0002]表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)技術(shù)利用光學原理，對表面物質(zhì)的微量改變進行檢測。SPR是存在于金屬表面的自由電子波與入射光波的諧振。這些振蕩受臨近金屬表面的材料的折射率影響，由此被用來檢測表面折射率的細微變化，而這正是形成各種傳感機制的基礎。形成SPR現(xiàn)象的必要條件之一是金屬膜和電介質(zhì)間的界面存在。當入射光以某一特定的角度入射時，會由于金屬膜的存在而發(fā)生衰減全反射現(xiàn)象(即，觀察到反射率的顯著降低)，此入射角度即為SPR角。附著在金屬表面的物質(zhì)不同，其SPR角不同，而同一種物質(zhì)附著在金屬表面的量不同，其SPR角也不相同。利用上述SPR技術(shù)的傳感芯片和系統(tǒng)由于其實時、靈敏和無需標記的特點，已被廣泛用于各種生物化學量的檢測。
[0003]一般說來，SPR傳感檢測系統(tǒng)包括三個部分，即光學部分、傳感芯片和數(shù)據(jù)采集處理部分。圖1是現(xiàn)有技術(shù)的SPR傳感檢測系統(tǒng)的示意圖。為了方便說明，圖中省去了光學部分中的光學耦合器件和角度調(diào)節(jié)器件以及數(shù)據(jù)采集處理部分中的A/D轉(zhuǎn)換電路和計算機等，而僅以光源120和光學檢測單元130來分別代表光學系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。圖中的SPR傳感芯片110包括流體通道111和棱鏡112，其中棱鏡112的上表面鍍有貴金屬膜，通常是金膜。可以將已知的生物分子固定在金屬膜的表面，當這些生物分子與通過流體通道111的互補目標生物分子結(jié)合時，會導致金屬膜表面結(jié)構(gòu)的改變，從而導致SPR角的改變。根據(jù)SPR角的改變值，就能夠得知結(jié)合的目標生物分子的種類和濃度。
[0004]SPR傳感技術(shù)最近幾年的新應用是檢測細胞對外界刺激的響應，特別是癌細胞對不同化療方案的響應。使用SPR傳感技術(shù)檢測細胞響應需要能夠提供細胞正常生長所需液態(tài)環(huán)境的傳感芯片。目前使用的有兩種芯片。一種是基于靜態(tài)培養(yǎng)的傳感芯片，即傳感芯片內(nèi)的培養(yǎng)液在細胞培養(yǎng)的過程中處于靜態(tài)而不加更換?；陟o態(tài)培養(yǎng)的傳感芯片能夠較為真實的模擬細胞在體生長環(huán)境，但由于不能實時補充細胞消耗的營養(yǎng)和排出代謝產(chǎn)生的廢物，細胞在傳感芯片上生長一段時間(通常不超過24小時)后，傳感芯片不再適合細胞生長，需要人工更換傳感芯片內(nèi)的細胞培養(yǎng)液。另一種方案是基于流動培養(yǎng)的傳感芯片，即不斷更新傳感芯片內(nèi)的細胞培養(yǎng)液，實時補充細胞消耗掉的營養(yǎng)和排出細胞代謝廢物，使細胞能夠在傳感芯片上長時間生長，能夠滿足長時間細胞檢測的需要。
[0005]基于靜態(tài)培養(yǎng)的傳感芯片的單次培養(yǎng)周期通常小于24小時。但細胞響應藥物刺激通常需要24小時以上的時間。因此，這種傳感芯片不適合長時間的SPR細胞檢測?；诹鲃优囵B(yǎng)的傳感芯片雖然能夠進行長時間的細胞培養(yǎng)，但由于細胞培養(yǎng)液更新速率通常過快，對細胞產(chǎn)生較大的剪切力，影響細胞的正常生長，導致檢測結(jié)果不能真實地反映細胞在人體內(nèi)的狀態(tài)。
[0006]由此，需要一種能夠克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的至少一個缺點的表面等離子體共振傳感芯片。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的一個技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種用于長時間細胞檢測的SPR傳感芯片，其能夠長時間維持細胞的正常生理狀態(tài)，從而能夠在相當長的時間段內(nèi)檢測細胞對外界刺激的響應。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種表面等離子體共振傳感芯片，包括:灌流室，灌流室具有培養(yǎng)液流入口和培養(yǎng)液流出口 ；位于灌流室下部的培養(yǎng)室，灌流室和培養(yǎng)室通過隔層隔開并通過隔層流體連通；以及位于培養(yǎng)室下部并與培養(yǎng)室緊密封接的棱鏡，棱鏡與培養(yǎng)室接合的表面上鍍有貴金屬膜。
[0009]優(yōu)選地，上述隔層可以是多孔膜。
[0010]優(yōu)選地，上述多孔膜可以具有多個開孔并且多孔膜的開孔率在I %至5%之間。
[0011]優(yōu)選地，灌流室的內(nèi)腔體可以是等高腔體，等高腔體的水平截面由一個三角形、一個正方形和一個半圓形拼接而成，其中培養(yǎng)液流入口位于三角形的頂角處，培養(yǎng)液流出口位于半圓形的頂點處，以及培養(yǎng)室位于正方形的下部。
[0012]優(yōu)選地，培養(yǎng)室的內(nèi)腔可以是圓柱體，并且圓柱體的直徑和高度之比在3:1至5:1之間。
[0013]優(yōu)選地，培養(yǎng)室可以具有細胞注入口和細胞排出口，細胞注入口和細胞排出口在培養(yǎng)液流經(jīng)灌流室時封閉。
[0014]優(yōu)選地，上述傳感芯片的灌流室、培養(yǎng)室以及隔層(例如，多孔膜)通過注塑一次成型。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種細胞響應檢測系統(tǒng)，包括:如上所述的表面等離子體共振傳感芯片;光學組件，用于發(fā)射并調(diào)制用于射入表面等離子體共振傳感芯片中的棱鏡的入射光；以及數(shù)據(jù)采集和處理組件，用于接收來自光學組件的入射光的數(shù)據(jù)以及來自棱鏡的反射光的數(shù)據(jù)并對采集的數(shù)據(jù)進行處理以獲取細胞響應的檢測結(jié)果。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的再一個方面，提供了一種細胞響應檢測方法，包括:將細胞注入如上所述的表面等離子體共振傳感芯片的培養(yǎng)室，其中細胞在棱鏡上表面的貴金屬膜上生長；使培養(yǎng)液持續(xù)流過傳感芯片的灌流室，其中培養(yǎng)室通過隔層進行培養(yǎng)液交換;使入射光通過棱鏡入射至棱鏡的上表面；以及采集入射和反射光數(shù)據(jù)并加以處理以獲取細胞響應的檢測結(jié)果。
[0017]這樣，通過將用于培養(yǎng)液流入流出的灌流室與用于細胞生長的培養(yǎng)室隔開，就能夠在實現(xiàn)培養(yǎng)室內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)交換的同時避免培養(yǎng)液快速流動對細胞生長產(chǎn)生的不利影響，由此長時間地正確模擬細胞在體內(nèi)的生長環(huán)境，從而提高傳感芯片細胞檢測的準確性。
【附圖說明】
[0018]通過結(jié)合附圖對本公開示例性實施方式進行更詳細的描述，本公開的上述以及其它目的、特征和優(yōu)勢將變得更加明顯，其中，在本公開示例性實施方式中，相同的參考標號通常代表相同部件。
[0019]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的SPR傳感檢測系統(tǒng)的示意圖。
[0020]圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的SPR傳感芯片的截面圖。
[0021 ]圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的SPR傳感芯片的俯視圖。
【具體實施方式】
[0022]下面將參照附圖更詳細地描述本公開的優(yōu)選實施方式。雖然附圖中顯示了本公開的優(yōu)選實施方式，然而應該理解，可以以各種形式實現(xiàn)本公開而不應被這里闡述的實施方式所限制。相反，提供這些實施方式是為了使本公開更加透徹和完整，并且能夠?qū)⒈竟_的范圍完整地傳達給本領域的技術(shù)人員。
[0023]由于現(xiàn)有的SPR傳感芯片無法為SPR細胞響應檢測提供長時間適于細胞生長的環(huán)境，本發(fā)明提出了一種結(jié)構(gòu)新穎的SPR傳感芯片。不同于現(xiàn)有技術(shù)中僅有一個培養(yǎng)室甚至只有流體通道而沒有配備培養(yǎng)室(例如，圖1中的流體通道111)的傳感芯片，本發(fā)明的SPR傳感芯片具有“兩室”結(jié)構(gòu)，其中位于上部的灌流室用于培養(yǎng)液的流入和流出，位于下部的培養(yǎng)室通過隔層實現(xiàn)培養(yǎng)液的液體交換，從而模擬細胞在體內(nèi)的生長環(huán)境，避免流體剪切力帶來的不利影響。
[0024]圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的SPR傳感芯片210的截面圖。該傳感芯片210可以包括灌流室201、隔層202、培養(yǎng)室203以及棱鏡204。
[0025]灌流室201具有培養(yǎng)液流入口 205和培養(yǎng)液流出口 206，用于培養(yǎng)液的流入和流出。雖然圖中將出入口設在灌流室頂部，但本領域技術(shù)人員可以理解的是，也可以基于實際應用將出入口 205和206設在灌流室201的任何部位，只要其能夠?qū)崿F(xiàn)培養(yǎng)液的流入和流出即可。
[0026]隔層202位于灌流室201和培養(yǎng)室203之間，在避免兩室直連的同時確保兩室彼此流體連通。這樣，培養(yǎng)液在進入灌流室201后，一部分透過隔層202擴散到下部的培養(yǎng)室203中，用于補充細胞消耗的營養(yǎng)和交換排出細胞代謝產(chǎn)生的廢物，其余直接從出口206排出。在使用傳感芯片進行細胞響應檢測的情況下，培養(yǎng)室203起到細胞生長室的作用。
[0027]在一個實施例中，隔層202可以是多孔膜。通過調(diào)整多孔膜上孔的數(shù)目、大小和分布，可以模擬體內(nèi)的營養(yǎng)交換速度，從而有助于營造近似于體內(nèi)的細胞生長環(huán)境，由此提供更為準確的檢測結(jié)果。在其他實施例中，隔層202可以具有其他結(jié)構(gòu)。例如，隔層202可以是帶縫膜、沒有物理開口的物質(zhì)交換膜，或是其他隔層結(jié)構(gòu)，只要其能夠?qū)崿F(xiàn)培養(yǎng)室203中培養(yǎng)液的合理速度的交換即可。
[0028]培養(yǎng)室203與棱鏡204緊密封接，并且棱鏡204在與培養(yǎng)室203接合的上表面上鍍有一層貴金屬膜。培養(yǎng)室與棱鏡的緊密封接使得棱鏡的上表面用作培養(yǎng)室的下表面。該面上的貴金屬膜可以是一層20-50nm厚的銀膜或是金膜，其上用于生物分子/細胞的生長。例如，在用于癌細胞的化療效果的測試中，可以使得目標癌細胞在金膜上生長，并且根據(jù)穿過棱鏡204的入射光和反射光的變化(以及相應的SPR角的變化)來推斷癌細胞的生長狀況，由此對化療效果給予準確的評估。
[0029]在一個實施例中，培養(yǎng)室203具有細胞注入口 207和細胞排出口 208。上述出入口207和208用于細胞的注入和排出(S卩，每次細胞培養(yǎng)開始前和結(jié)束后)，并在培養(yǎng)細胞時封閉，即，細胞注入口 207和細胞排出口 208在培養(yǎng)液流經(jīng)灌流室時封閉。出入口 207和208位于培養(yǎng)室203側(cè)壁上，圖2中虛線示出的表示這兩個口布置在與紙面垂直的方向上，S卩，出入口207和208的連線與出入口 205和205的連線垂直。雖然避免將灌流室201和培養(yǎng)室203的開口布置在同一個方向上有利于傳感芯片的加工，但本領域技術(shù)人員應該理解，可以任意布置出入口 207和208的位置，只要其能夠方便細胞的注入和排出即可。在另一個實施例中，也可以不設置細胞注入口 207和細胞排出口 208，而是在使用培養(yǎng)液流入口 205和培養(yǎng)液流出口206灌注培養(yǎng)液之前，通過灌注室的開口 205或206來實現(xiàn)細胞的注入，并在細胞培養(yǎng)結(jié)束之后在使用