CN101038284B - 一种提高电阻抗检测装置的电阻抗检测灵敏度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高电阻抗检测装置的电阻抗检测灵敏度的方法。该方法是在常规检测方法的基础上选用电极单元总长度和单条电极单元面积的乘积尽可能小的电阻抗传感器件检测生物样品的电阻抗；所述电极单元的总长度等于单条电极单元的总长度乘以电极单元的条数，所述单条电极单元的总长度为所述单条电极单元长度的2倍；所述单条电极单元的面积等于所述单条电极单元的长度乘以所述单条电极单元的宽度。该方法还可用于检测生物样品的电阻抗。

Description

一种提高电阻抗检测装置的电阻抗检测灵敏度的方法

技术领域

本发明涉及一种提高电阻抗检测装置的电阻抗检测灵敏度的方法，特别涉及一种提高包括电阻抗传感器件和电信号发生模块在内的电阻抗检测装置的电阻抗检测灵敏度的方法，以及检测生物样品的电阻抗的方法。

背景技术

细胞由细胞内部的原生质和包围在细胞外部的细胞膜构成。在电场中，细胞会对电场的传播产生一定的阻碍作用，而这种阻碍作用反映了细胞的一些生理特性，因而针对监测细胞对电场的阻碍作用所形成的细胞阻抗而间接对细胞生理特性进行检测成为了对细胞等生物样品进行检测一个重要方法(A.Sapper，B.Reiss，A.Janshoff and J.Wegener，Langmuir，2006，22，676-680.)。

细胞电阻抗主要由器件上电极与溶液界面以及溶液中的离子环境决定，同时也由细胞在电极上的贴附状态决定，例如当细胞在电极上伸展的时候，与电极的接触面积增大，这时阻抗值便会上升；反之，当细胞死亡的时候阻抗则会降低。当细胞的状态，例如细胞的形态、繁殖能力、贴附状态等发生变化的时候，阻抗值也会相应的发生变化，已经有实验证明阻抗测量的方法比一些常用的生化方法更为灵敏。

在进行细胞阻抗检测时，需要在进行细胞培养的腔体中实现加工用以施加电场的电极，然后在器件中进行细胞培养，在培养过程中用专用的仪器设备通过电极施加微弱的交流电信号，并检测器件阻抗的变化，以期达到检测细胞生理状况的目的。细胞等生物样品所产生的对电流的阻碍作用往往是非常微弱的，因而如何提高器件和检测仪器的灵敏度，以期提高整个检测系统的检测灵敏度成为一个非常重要的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高包括电阻抗传感器件和电信号发生模块在内的电阻抗检测装置的电阻抗检测灵敏度的方法，以及检测生物样品的电阻抗的方法。

本发明所提供的提高包括电阻抗传感器件和电信号发生模块在内的电阻抗检测装置的电阻抗检测灵敏度的方法，是在常规检测方法的基础上选用电极单元总长度和单条电极单元面积的乘积尽可能小的电阻抗传感器件检测生物样品的电阻抗；所述电极单元的总长度等于单条电极单元的总长度乘以电极单元的条数，所述单条电极单元的总长度为所述单条电极单元长度的2倍；所述单条电极单元的面积等于所述单条电极单元的长度乘以所述单条电极单元的宽度。

本发明所提供的检测生物样品的电阻抗的方法，是利用包括电阻抗传感器件和电信号发生模块在内的电阻抗检测装置检测生物样品的电阻抗，其中，选用电极单元总长度和单条电极单元面积的乘积尽可能小的电阻抗传感器件检测生物样品的电阻抗；所述电极单元的总长度等于单条电极单元的总长度乘以电极单元的条数，所述单条电极单元的总长度为所述单条电极单元长度的2倍；所述单条电极单元的面积等于所述单条电极单元的长度乘以所述单条电极单元的宽度。

实验证明，电阻抗传感器件的灵敏度与电极单元总长度和单条电极单元面积的乘积成反比，所以，为了提高电阻抗检测的灵敏度，应选用电极单元总长度和单条电极单元面积的乘积尽可能小的电阻抗传感器件来检测生物样品的电阻抗。

为了获得更高的电阻抗检测灵敏度，所述方法中，还选用电信号频率为10-40kHz的电信号发生模块检测生物样品的电阻抗。

实验证明，电信号发生模块的电信号频率为10-40kHz时，电阻抗传感器件的灵敏度最高。

所述电阻抗传感器件可为插指类型的电阻抗传感器件。所述插指类型的电阻抗传感器件包含两个或两个以上的电极，每个电极包含一个或一个以上的单条电极单元(插指单元)，形成阵列。

所述单条电极单元的宽度越小越好，如可为10μm至100μm。

所述电阻抗检测装置包括一个或一个以上的细胞培养腔体以及外围测量电路。如，所述包括电阻抗传感器件和电信号发生模块在内的电阻抗检测装置，由电阻抗测量仪器和电阻抗检测器件组成；所述电阻抗测量仪器包含所述电信号发生模块、限流电阻、数据采集模块和数字控制模块，所述电阻抗检测器件包括生物样品检测溶液体系和所述电阻抗传感器件。

该方法，可用于提高各种生物样品的电阻抗检测灵敏度，如细胞和生物分子(如核酸、蛋白质、多糖等)。

所述电阻抗检测的细胞生理行为包括细胞增殖，细胞凋亡，细胞分化，细胞迁移，细胞微运动以及细胞贴附等。

本发明通过对电阻抗传感器件的电极结构的合理设计和对测量仪器的测量频率的合理选择来提高电阻抗传感测量的灵敏度。

本发明为实现对化学和包括细胞在内的生物样品进行检测，针对器件，主要是通过对电阻抗传感器件的结构参数的合理配置，对于测量仪器主要是针对其发出的电信号的信号频率的合理选择，来提高检测系统的灵敏度。本发明首先利用等效电路模型对细胞电阻抗传感器件进行模型化，通过等效电路模型计算合理配置器件结构参数来提高其检测灵敏度；在检测过程中需要仪器对器件施加一定的交流电信号，本发明通过对所施加的电信号的频率进行适当的选择，来提高系统整体检测灵敏度。

本发明包括了一种通过对细胞电阻抗传感器件的电极结构进行参数优化来提高器件测量灵敏度的方法，该方法包括了一种对该器件建立等效电路模型的方法，该模型包含有(和无)细胞贴附在器件表面时的等效电路部分，该方法的特点在于利用该模型进行了对灵敏度特性进行了充分的描述和分析，并且得出了能够被实验验证的规律和结论。利用此方法，可以设计出更为灵敏的传感器器件。

本发明还包括了一种根据器件的频率特性来对测量仪器所产生的交流电信号的频率进行合理选择，以优化仪器的测量灵敏度的方法，经过实验验证，对于插指电极类型的传感器件，最为适合的传感频率的范围为10kHz到40kHz。

附图说明

图1为包括电阻抗传感器件和电信号发生模块在内的电阻抗测量装置的示意图

图2为没有细胞贴附生长的电阻抗传感器件的等效电路模型

图3A是当细胞在电阻抗传感器件表面培养时，在测量频率下都适用的等效电路模型

图3B是当细胞在电阻抗传感器件表面培养时，在较低频率下的等效电路图

图3C是当细胞在电阻抗传感器件表面培养时在较高频率下的等效电路图

图4为插指阵列类型的电阻抗传感器件的结构示意图

图5A和图5B为具有不同宽度的电极的两个传感器件的示意图

图6中展示的是具有不同电极单元总长度的两个器件的示意图

图7为验证电极单元的条数N对器件灵敏度影响的实验结果

图8为验证两个相邻单条电极单元之间的距离D对电阻抗传感器件145灵敏度影响的实验结果。

图9为验证单条电极单元的宽度W对电阻抗传感器件灵敏度影响的实验结果。

图10为在实际细胞培养过程中，细胞和单条电极单元位置关系的四种情况示意图

图11为实验测量的电阻抗传感器件灵敏度与有效单条电极单元宽度成反比的实验结果

图12为进行归一化后的阻抗数据随着细胞增殖其阻抗值的变化曲线

图13为测量系统灵敏度频率特性的曲线

图14为设计细胞阻抗传感器器件的流程图

图15为利用专利中所提及的方法测量器件阻抗的流程图

具体实施方式

下面仅以提高细胞电阻抗检测灵敏度的方法为例，对本发明进行详细叙述，对于提高化学样品电阻抗检测灵敏度的方法，与提高细胞电阻抗检测灵敏度的方法相同。

用于测量细胞和/或生物分子的电阻抗测量装置，包括基底上有电阻抗传感器件的细胞培养腔体和用以施加交流电信号的控制电路。细胞培养腔体中的电阻抗传感器件浸没在细胞培养腔体中的细胞培养基中。在细胞培养腔体中的电阻抗传感器件连接了测量电路中的限流电阻，并被施加一个微弱的交流电信号。

在一个具体的例子中，包括电阻抗传感器件和电信号发生模块在内的电阻抗测量装置的示意图如图1所示，在图中，虚线之内是电阻抗测量仪器110的简图，用以检测由于细胞的生理状况改变带来的对电阻抗的变化；虚线之外是电阻抗检测器件105的示意图，器件包括了进行细胞培养和进行电检测的单元，例如进行电检测的电极阵列。

电阻抗测量仪器110包含了一个电信号发生模块115(例如商品化的LCR meter阻抗分析仪器)，限流电阻120(例如精密电阻)、一个数据采集模块125(例如计算机配合数据采集卡)以及一个数字控制模块130(例如电子计算机)。电信号发生模块115可以产生不同频率的交流电信号155用以细胞电阻抗传感，数据采集模块125用以采集细胞电阻抗传感器件两端的电压信号以及该细胞电阻抗传感器件与限流电阻120串联电路两端的电压信号之用。数字控制模块130可以用以改变信号发生模块115所产生的交流信号的频率和电压，数据采集模块125的采样频率，控制自动化数据采集的时序，存储采集的数据，数据实时显示以及进一步分析处理等。

电阻抗检测器件105包括了细胞培养基底(即腔体的底壁)135，细胞培养溶液体系140和电极阵列(即电阻抗传感器件)145。电极阵列145浸泡在细胞培养溶液体系140中，电极阵列145常常采用插指电极阵列的形式，在进行传感测量的时候，在电极阵列上面会施加以一定的交流电信号。在进行细胞培养的时候，细胞150会在电极阵列145上面生长，繁殖。这些细胞包括HeLa，HepG2，NIH—3T3，VERO等哺乳动物细胞。电阻抗检测器件105的腔体部分可以用生物相容性好的物质，例如玻璃、塑料以及高分子聚合物等来制造，细胞培养溶液体系140中包含有细胞生长所需要的蛋白质、氨基酸、糖、无机盐等物质。可以被检测的细胞生理行为包括细胞增殖，细胞凋亡，细胞分化，细胞迁移，细胞微运动以及细胞贴附等等。其中，电阻抗传感器件145的输出端口与数据采集模块125相连。

在对电阻抗传感器件145进行理论分析之前，需要对其进行模型化，图2便展示了没有细胞贴附生长的电阻抗传感器件145的等效电路模型，是一个界面电容C_I205与溶液电阻R_s210串连的模型，其阻抗为Z_{cell-free-total}(f)。电阻抗传感器件145的阻抗将主要由界面电容和溶液电阻组成。

在电阻抗检测器件105中有细胞培养的情况下，器件的阻抗不仅和器件本身的阻抗有关，还体现了细胞的阻抗成分，包括容性成分和阻性成分两部分。容性成分包含了细胞本身阻碍电流流动的容抗以及细胞与基质之间的容抗；阻性成分包括细胞之间溶液的阻抗以及细胞与基质之间的阻抗。图3A-C展示了当细胞在电阻抗传感器件145表面培养时，电阻抗传感器件145的等效电路，其中图3A是在测量频率下都适用的等效电路模型，图3B是在较低频率下的等效电路图，图3C是在较高频率下的等效电路图。细胞具有绝缘特性的细胞膜结构，其容性由电容参数C_cell320表示，细胞之间填充着有着一定电导率的细胞培养基，形成的阻抗由电阻参数R_cell310表示，细胞与电阻抗传感器件145的基质之间有着一定的间隙，其中填充着溶液，其电阻成分由R_gap305来表示，其电容成分由参数C_gap315来表示。在较低频率下，电容成分的阻抗将会占有主导地位，因而其等效电路可以由如图3B所示的简化，以利于模型简化；相似，在高频下，电阻成分会占有主导地位，因而其等效电路可以简化为图3C。

在细胞增殖过程中，电阻抗传感器件145的阻抗信号会逐渐增长，由细胞没有贴附生长时的Z_{cell-free-total}(f)变化为细胞生长到饱和期时阻抗的最大值Z_{cell-covered-total}(f)，在这个过程中，器件阻抗的变化为Z_{cell-covered-total}(f)-Z_{cell-free-total}(f)，细胞密度的变化为Q_cell。器件的灵敏度可以定义为单位细胞密度变化下，器件阻抗的变化，即如公式1所示：

$\mathrm{Sensitivity}\left(f\right)=\frac{\left|Z_{\mathrm{cell}-\mathrm{cov\; ered}-\mathrm{total}}\left(f\right)\right|-\left|Z_{\mathrm{cell}-\mathrm{free}-\mathrm{total}}\left(f\right)\right|}{Q_{\mathrm{cell}}}---\left(1\right)$

插指阵列类型的电阻抗传感器件是相似器件中最为常用的一种，因而这里分析的主要是这种类型的传感器件，其典型的结构示意图如图4所示。传感器400由两个测量电极403和405构成，两个电极组成了插指阵列的组成结构410。对电极的局部放大420所示，每一个插指单元(即单条电极单元)415相互交叉并与两个电极403或405相连接。单条电极单元(即插指单元)415的宽度是W425，相邻两个单条电极单元(即插指单元)415之间的距离为D430，电极单元的总面积为A_totall，电极单元的总面积为A_total等于单条电极单元的面积乘以电极单元的条数N，单条电极单元的面积等于单条电极单元的长度(L)乘以单条电极单元的宽度W。电极单元的总长度为L_total，电极单元的总长度L_total等于单条电极单元(即插指单元)415的总长度2L(因单条电极单元的宽度(W)相对于单条电极单元的长度(L)可以忽略不计，所以将单条电极单元的周长计为2L)乘以电极单元的条数N。单条电极单元宽度的范围在10μm到100μm之间，例如20μm，40μm，和80μm。电极结构参数的优化以利于器件灵敏度的提高主要是指，基于这些参数与灵敏度之间的关系，对电极参数W、D和L_total的优化。

根据以上分析和等效电路模型，由细胞没有贴附生长时的器件阻抗Z_{cell-free-total}如公式2所示，而细胞在器件上生长后阻抗Z_{cell-covered-total}如公式3所示。

$Z_{\mathrm{cell}-\mathrm{free}-\mathrm{total}}\left(f\right)=\frac{2R_S+2{\left(j2\mathrm{\πf}{C}_I\right)}^{-1}}{N}=\frac{2R_S+2{\left(j2\mathrm{\πf}{C}_I\right)}^{-1}}{L_{\mathrm{total}}/2L}---\left(2\right)$

$Z_{\mathrm{cell}-\mathrm{covered}-\mathrm{total}}\left(f\right)=\frac{2R_S+2{\left(j2\mathrm{\πf}{C}_I\right)}^{-1}+2(\frac{R_{\mathrm{cell}}\×{\left(j2\mathrm{\πf}{C}_{\mathrm{cell}}\right)}^{-1}}{R_{\mathrm{cell}}+{\left(j2\mathrm{\πf}{C}_{\mathrm{cell}}\right)}^{-1}}+\frac{R_{\mathrm{gap}}\×{\left(j2\mathrm{\πf}{C}_{\mathrm{gap}}\right)}^{-1}}{R_{\mathrm{gapl}}+{\left(j2\mathrm{\πf}{C}_{\mathrm{gap}}\right)}^{-1}})}{N}$

$=\frac{2R_S+2{\left(j2\mathrm{\πf}{C}_I\right)}^{-1}+2(\frac{R_{\mathrm{cell}}\×{\left(j2\mathrm{\πf}{C}_{\mathrm{cell}}\right)}^{-1}}{R_{\mathrm{cell}}+{\left(j2\mathrm{\πf}{C}_{\mathrm{cell}}\right)}^{-1}}+\frac{R_{\mathrm{gap}}\×{\left(j2\mathrm{\πf}{C}_{\mathrm{gap}}\right)}^{-1}}{R_{\mathrm{gapl}}+{\left(j2\mathrm{\πf}{C}_{\mathrm{gap}}\right)}^{-1}})}{L_{\mathrm{total}}/2L}---\left(3\right)$

在等效电路模型公式中，界面电容C_I205由自由介电常数ε₀、有效介电常数ε_ρ、单个电极单元的面积A以及界面双电层的厚度d_dl决定，如公式4所示；溶液电阻R_s210由溶液电导率p、单个电极单元的面积A决定，如公式5所示，其中K为比例系数。j是虚数单位，f是交流电信号的频率。

$C_I=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ρ}}A}{d_{\mathrm{dl}}}---\left(4\right)$

$R_S=\frac{\mathrm{\ρK}}{\mathrm{\πA}}---\left(5\right)$

其他的电路参数与电极参数的关系如公式6所示，其中比例系数K₁，K₂，K₃，和K₄是一些经验参数，可以由实验测定，例如对于下文的实验中所使用的HeLa细胞和测量器件，所测得的K₁和K₂约为85ohm.mm2和48ohm.mm2，K₃和K₄约为60nF/mm2和6nF/mm2。

R_cell＝K₁A^-1；R_gap＝K_zA^-1；C_cell＝K₃A；C_gap＝K₄A     (6)

因而，Z_{cell-free-total}和Z_{cell-covered-total}可以分别表示为公式7和公式8，L_total和L、N的关系如图9所示。

$Z_{\mathrm{cell}-\mathrm{free}-\mathrm{total}}\left(f\right)=\frac{2(\frac{\mathrm{\ρK}}{\mathrm{\π}}+{\left(\mathrm{j\πf}\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ρ}}}{d_{\mathrm{dl}}}\right)}^{-1})}{A.N}=\frac{2(\frac{\mathrm{\ρK}}{\mathrm{\π}}+{\left(\mathrm{j\πf}\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ρ}}}{d_{\mathrm{dl}}}\right)}^{-1})}{A.L_{\mathrm{total}}/2L}---\left(7\right)$

$Z_{\mathrm{cell}-\mathrm{covered}-\mathrm{total}}\left(f\right)=\frac{2(\frac{\mathrm{\ρK}}{\mathrm{\π}}+{\left(\mathrm{j\πf}\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ρ}}}{d_{\mathrm{dl}}}\right)}^{-1})+2(\frac{K_1\×{\left(j2\mathrm{\πf}{K}_3\right)}^{-1}}{K_1+{\left(j2\mathrm{\πf}{K}_3\right)}^{-1}}+\frac{K_2\×{\left(j2\mathrm{\πf}{K}_4\right)}^{-1}}{K_2+{\left(j2\mathrm{\πf}{K}_4\right)}^{-1}})}{A.N}$

$=\frac{2(\frac{\mathrm{\ρK}}{\mathrm{\π}}+{\left(\mathrm{j\πf}\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ρ}}}{d_{\mathrm{dl}}}\right)}^{-1})+2(\frac{K_1\×{\left(j2\mathrm{\πf}{K}_3\right)}^{-1}}{K_1+{\left(j2\mathrm{\πf}{K}_3\right)}^{-1}}+\frac{K_2\×{\left(j2\mathrm{\πf}{K}_4\right)}^{-1}}{K_2+{\left(j2\mathrm{\πf}{K}_4\right)}^{-1}})}{A.L_{\mathrm{total}}/2L}---\left(8\right)$

L_total＝2LN    (9)

从公式7和公式8中可以看出，Z_{cell-free-total}(f)和Z_{cell-covered-total}(f)都与电极单元总长度L_total以及单条电极单元面积A成反比，因而理论上器件的灵敏度应与电极单元总长度L_total(或电极单元条数N)以及单条电极单元面积A成反比，当电极单元总长度固定时，灵敏度与单条电极单元宽度成反比，与相邻的两个单条电极单元之间的距离D无关。

图5A和图5B展示了具有不同宽度的单条电极单元的两个传感器件的示意图，图5B中的器件单条电极单元宽度是5A中单条电极单元宽度的两倍。图5A中有两个电极，分别是505和510，图5B中是520和525，图5A和图5B的等效电路分别为515和530。在图5A和5B中，电阻为R_cell310和R_gap305之和，电容元素为C_cell320和C_gap315之和。图5A中有7个电阻电容组合电路的并联，因而总阻抗为单个并联电路的1/7；而图5B中有14个这样的电阻电容组合电路的并联，因而总阻抗为单个并联电路的1/14。从中可以看出，总的电阻抗传感器件阻抗随着单条电极单元宽度增加而成倍减小，同样，灵敏度也成倍减小，与上述公式吻合。

图6展示了另外一个例子，图6中展示的是具有不同电极单元总长度L_total的两个器件的示意图，在器件610中的电极单元条数是605中条数的两倍，图中电阻为R_cell310和R_gap305之和，电容元素为C_cell320和C_gap315之和。在图605中，电阻与电容并联总阻抗为单个电阻电容并联电路阻抗的1/6，而图610中则为单个电阻电容并联电路阻抗的1/12，因而总的器件阻抗随着电极总长度的增加而成倍减小，同样，灵敏度也成倍减小，与上述公式吻合。

为了证明上述结论的可靠性，进行了实验验证。

实施例1、电阻抗传感器件的灵敏度与L_total成正比

该实验采用的电阻抗测量装置的示意图如图1所示。其中，电阻抗测量仪器110(购自博奥生物有限公司)，由一个内置于计算机的信号发生卡作为产生电信号的模块115，该信号发生卡为HP4192A LCR meter(Hewlett Packard，Palo Alto，CA)；由精密电阻作为限流电阻120、由一个计算机配合数据采集卡作为数据采集模块125，由电子计算机作为数字控制模块130。其中，产生电信号的模块115的频率为全频率，即0-250kHZ。

电阻抗检测器件105由玻璃作为细胞培养基底135，由DMEM高糖+10％胎牛血清作为细胞培养溶液体系140，和由电极阵列(购自博奥生物有限公司)作为电阻抗传感器件145。电阻抗检测器件105的腔体部分用玻璃制造。选择的电极阵列的单条电极单元宽度W和相邻的两条单条电极单元之间的距离D均为20μm，而电极单元的条数N(N分别为40，80或160)。W、D和N的具体组合方式如图7所示。

其中，细胞150选择HeLa细胞。所测得的细胞密度变化Q_cell为3×10⁵个/mL。

该实验设6次重复。实验结果如图7所示，在全频率(0-250kHZ)下，电阻抗传感器件145的测量灵敏度与N成反比，根据公式9，在单条电极单元长度不变的前提下，灵敏度与L_total成正比。

实施例2、电阻抗传感器件的灵敏度与相邻的两条单条电极单元之间的距离无关

为了验证电阻抗传感器件灵敏度与相邻的两条单条电极单元之间的距离无关，采用了单条电极单元宽度W相同，电极单元条数N相同，但是相邻的两条单条电极单元之间的距离D不同的电阻抗传感器件，检测这些电阻抗传感器件的灵敏度。除电极阵列外，该实验采用的电阻抗测量装置的其它组成元件同实施例1，其中的细胞150也选择HeLa细胞。选择的电极阵列的单条电极单元宽度W分别为20μm、40μm或80μm，相邻的两条单条电极单元之间的距离D分别为20μm、40μm或80μm，电极单元的条数N为30)，W、D和N的具体组合方式如图8所示。

该实验设6次重复。实验结果如图8所示，正如理论预测的那样，电阻抗传感器件的灵敏度与相邻的两条单条电极单元之间的距离D无关。

实施例3、电阻抗传感器件的灵敏度与单条电极单元宽度成反比

为了验证电阻抗传感器件灵敏度与单条电极单元宽度成反比，采用了电极单元条数N相同、相邻的两条单条电极单元之间的距离D相同、但单条电极单元宽度W不同的电阻抗传感器件，检测这些电阻抗传感器件的灵敏度。

除电极阵列外，该实验采用的电阻抗测量装置的其它组成元件同实施例1，其中的细胞150也选择HeLa细胞。电极阵列的W、D和N的具体组合方式如图9所示。

该实验设6次重复。在实验中，电极单元条数N和相邻的两条单条电极单元之间的距离D保持不变，改变单条电极单元宽度W，实验发现，随着W的减小，灵敏度有显著增加，但是由于电场的非均匀特性，两者并不是严格的反比例关系，对于这个原因的解释具体如下。

图10展示了在实际细胞培养过程中，细胞和单条电极单元位置关系的四种情况：细胞全部贴附于单条电极单元上，细胞全部处于单条电极单元外，细胞处在单条电极单元边缘并且有超过一半的面积在单条电极单元上，细胞处在单条电极单元边缘并且有小于一半的面积在单条电极单元上。由于电荷在单条电极单元边缘的积累，单条电极单元边缘的电场强度往往要高于单条电极单元中心，因而对于相同的细胞面积，位于单条电极单元边缘的细胞对电场的阻碍作用会强于处于电极中心的细胞，因而可以假设处于单条电极单元边缘并且有超过一半的面积在单条电极单元上的细胞对单条电极单元的阻碍作用和全部贴附在单条电极单元上的细胞相同，而处在单条电极单元边缘并且有小于一半的面积在单条电极单元上细胞与单条电极单元外的细胞一样，对电流毫无阻碍作用，因而，单条电极单元的有效宽度(W_eff)将会按照公式10所示的被扩展，其中r_cell为细胞的半径，单条电极单元的有效面积(A_eff)如公式11所示。

W_eff＝W+2r_cell     (10)

A_eff＝W_eff X L       (11)

对于上述结果，进行了实验验证，针对HeLa细胞，其细胞半径约为9.5μm，该实验采用的电极宽度分别为20μm，40μm和80μm的电极，其有效宽度分别为39μm(20+2*9.5)，59μm(40+2*9.5)和99μm(80+2*9.5)，依照上述关系，实验测量的电阻抗传感器件的灵敏度与有效电极宽度成反比，如图11所示。

因此，针对于非均匀电场的情况，在等效电路模型中应选择有效电极宽度(W_eff)代替电极宽度(W)，以获取正确的优化效果。

实施例4、电阻抗数据随着细胞增殖其阻抗值的变化曲线

利用实施例1的电阻抗测量装置进行检测。其中，选择的电极阵列的单条电极单元宽度W和相邻的两条单条电极单元之间的距离D均为20μm，电极单元的条数N为40。具体检测方法如下：清洗电极阵列，将电极阵列浸泡在细胞培养溶液体系中，测量没有细胞贴壁生长时的阻抗曲线，接种HeLa细胞，测量细胞生长34小时内每隔两个小时的阻抗数值，用测得的数值绘图。

图12展示了进行归一化后的电阻抗数据随着细胞增殖其阻抗值的变化曲线，表明在HeLa细胞接种后的22个小时以内，随着细胞的增殖，在各个频率下阻抗都在升高，而在22小时以后，由于培养基营养成分的逐渐耗尽，阻抗数值随时间而下降，这动态展示了细胞增殖和死亡的整个过程。

实施例5、灵敏度最高的频率范围的确定

针对电阻抗测量仪器110，合理选取测量频率可以提高仪器的灵敏度，以提高整个系统的测量灵敏度，为此，根据前面所述的等效电路模型，绘制了灵敏度频率特性的示意图，如图13所示。当电阻抗测量仪器110的产生电信号的模块115所产生的交流信号的频率较低时，等效电路可以被简化为图3B，这个低通电路的截至频率f_cut-off-low为：

$f_{\mathrm{cut}-\mathrm{off}-\mathrm{low}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}(R_S+R_{\mathrm{cell}}+R_{\mathrm{gap}})C_I}---\left(12\right)$

当信号频率低于f_cut-off-low时，电阻抗传感器件的阻抗将主要由电阻抗传感器件的界面电容决定，因而灵敏度很低，为了获得可靠的灵敏度较低的测量频率，定义频率f_low＝f_cut-off-low/5，当频率小于f_low时，测量灵敏度非常低，因而是不适于测量的频率范围。f_low的表达式如下。

$f_{\mathrm{low}}=\frac{f_{\mathrm{cut}-\mathrm{off}-\mathrm{low}}}{5}---\left(13\right)$

$=\frac{1}{10\mathrm{\π}(R_S+R_{\mathrm{cell}}+R_{\mathrm{gap}})C_I}$

$=\frac{1}{10\mathrm{\π}(\frac{\mathrm{\ρK}}{\mathrm{\πA}}+K_1{A}^{-1}+K_2{A}^{-1})\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ρ}}A}{d_{\mathrm{dl}}}}$

$=\frac{1}{10\mathrm{\π}\left((\frac{\mathrm{\ρK}}{\mathrm{\π}}+K_1+K_2)\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ρ}}}{d_{\mathrm{dl}}}\right)}$

当电阻抗测量仪器110的产生电信号的模块115所产生的交流信号的频率较高时，等效电路可以被简化为图3C，这个低通电路的截至频率f_cut-off-high为：

$f_{\mathrm{cut}-\mathrm{off}-\mathrm{high}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}{R}_S(C_I^{-1}+C_{\mathrm{cell}}^{-1}+C_{\mathrm{gap}}^{-1})}---\left(14\right)$

当信号频率高于f_cut-off-high时，电阻抗传感器件的阻抗将主要由电阻抗传感器件的溶液电阻决定，因而电阻抗传感器件的灵敏度很低，为了获得可靠的灵敏度较低的测量频率，定义频率f_high＝f_cut-off-high/5，当测量频率大于f_high时，测量灵敏度非常低，因而是不适于测量的频率范围。f_high的表达式如下。

$f_{\mathrm{high}}=5\×f_{\mathrm{cut}-\mathrm{off}-\mathrm{high}}---\left(15\right)$

$=\frac{5}{2\mathrm{\π}{R}_S(C_I^{-1}+C_{\mathrm{cell}}^{-1}+C_{\mathrm{gap}}^{-1})}$

$=\frac{5}{2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\ρK}}{\mathrm{\πA}}{(\frac{d_{\mathrm{dl}}}{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ρ}}A}+\frac{1}{K_{3}A}+\frac{1}{K_{4}A})}^{-1}}$

$=\frac{1}{2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\ρK}}{\mathrm{\π}}{(\frac{d_{\mathrm{dl}}}{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ρ}}}+\frac{1}{K_3}+\frac{1}{K_4})}^{-1}}$

另外一个重要的频率是电阻抗传感器件的灵敏度最高时所需要施加的频率f_middle。对灵敏度的表达式——公式1求其一阶导数，并另其为0，所得到的频率便是其曲线的拐点，即灵敏度最高的频率，其隐函数表达式如公式16所示。

$\frac{d\left(\mathrm{Sensitivity}\left(f\right)\right)}{\mathrm{df}}=\frac{d(\left|Z_{\mathrm{cell}-\mathrm{covered}-\mathrm{total}}\left(f\right)\right|-\left|Z_{\mathrm{cell}-\mathrm{free}-\mathrm{total}}\left(f\right)\right|)}{\mathrm{df}}=0---\left(16\right)$

利用实施例1的电阻抗测量装置，在0-250kHz的频率范围内测量没有细胞贴壁生长和存在细胞贴壁生长时器件的阻抗，将测得的数值绘制成图13(a)，图13(a)中两条曲线做减法，得到图13(b)。其中，选择的电极阵列的单条电极单元宽度W和相邻的两条单条电极单元之间的距离D均为20μm，电极单元的条数N为40。具体检测方法如下：清洗电极阵列，将电极阵列浸泡在细胞培养溶液体系中，测量没有细胞贴壁生长时的阻抗曲线，接种HeLa细胞，测量细胞生长24小时后的在0-250kHz频率下的阻抗数值，用上述数值绘图。

在图13中(a)中展示了没有细胞时器件的阻抗以及有细胞生长时的阻抗随频率变化的曲线，表明两条曲线随频率增加都在降低。在频率f_low以下和频率f_high以上，两条曲线都十分接近，因而灵敏度很低，而在频率f_middle附近，两条曲线相差的最远，因而灵敏度最高。三个频率将整个频率空间分为四个部分，在区域I和区域IV，灵敏度都非常低，而在区域II和区域III灵敏度都非常高。图13中(b)更好的展示了灵敏度曲线。在实验中，电阻抗传感器件的灵敏度最高的频率范围为10kHz到40kHz之间。图13中(a)和(b)的横坐标的10^-1、10⁰、10¹、10²、10³、10⁴的单位是kHz。

图14展示了设计细胞阻抗传感器器件的流程图。首先，通过实验确定细胞阻抗模型中的比例参数与电路参数R_gap，R_cell，C_gap和C_cell之间的关系，然后根据等效电路模型确定有(无)细胞在器件上生长时的器件阻抗，并计算灵敏度，以其为目标函数，以确定最优的器件灵敏度。

图15展示了利用专利中所提及的方法测量器件阻抗的流程图。首先，利用等效电路模型确定最优的测量频率，然后在器件上施加该频率范围的交流电信号并进行频率扫描，测量器件的阻抗。

Claims (16)

1.一种提高包括电阻抗传感器件和电信号发生模块在内的电阻抗检测装置的电阻抗检测灵敏度的方法，其特征在于：选用电极单元总长度和单条电极单元面积的乘积尽可能小的电阻抗传感器件检测生物样品的电阻抗；所述电极单元的总长度等于单条电极单元的总长度乘以电极单元的条数，所述单条电极单元的总长度为所述单条电极单元长度的2倍；所述单条电极单元的面积等于所述单条电极单元的长度乘以所述单条电极单元的宽度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法中，还选用电信号频率为10-40kHz的电信号发生模块检测生物样品的电阻抗。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述电阻抗传感器件为插指类型的电阻抗传感器件。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述插指类型的电阻抗传感器件包含两个以上的电极，每个电极包含一个以上的单条电极单元，形成阵列。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述单条电极单元的宽度为10μm至100μm。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述包括电阻抗传感器件和电信号发生模块在内的电阻抗检测装置，由电阻抗测量仪器和电阻抗检测器件组成；所述电阻抗测量仪器包含所述电信号发生模块、限流电阻、数据采集模块和数字控制模块，所述电阻抗检测器件包括生物样品检测溶液体系和所述电阻抗传感器件。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述生物样品检测溶液体系中的生物样品包括细胞和/或生物分子。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述电阻抗检测的细胞生理行为包括细胞增殖，细胞凋亡，细胞分化，细胞迁移，细胞微运动以及细胞贴附。

9.一种检测生物样品的电阻抗的方法，利用包括电阻抗传感器件和电信号发生模块在内的电阻抗检测装置检测生物样品的电阻抗，其特征在于：选用电极单元总长度和单条电极单元面积的乘积尽可能小的电阻抗传感器件检测生物样品的电阻抗；所述电极单元的总长度等于单条电极单元的总长度乘以电极单元的条数，所述单条电极单元的总长度为所述单条电极单元长度的2倍；所述单条电极单元的面积等于所述单条电极单元的长度乘以所述单条电极单元的宽度。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述方法中，还选用电信号频率为10-40kHz的电信号发生模块检测生物样品的电阻抗。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于：所述电阻抗传感器件为插指类型的电阻抗传感器件。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述插指类型的电阻抗传感器件包含两个以上的电极，每个电极包含一个以上的单条电极单元，形成阵列。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：所述单条电极单元的宽度为10μm至100μm。

14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述包括电阻抗传感器件和电信号发生模块在内的电阻抗检测装置，由电阻抗测量仪器和电阻抗检测器件组成；所述电阻抗测量仪器包含所述电信号发生模块、限流电阻、数据采集模块和数字控制模块，所述电阻抗检测器件包括生物样品检测溶液体系和所述电阻抗传感器件。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：所述生物样品检测溶液体系中的生物样品为细胞和/或生物分子。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：所述电阻抗检测的细胞生理行为包括细胞增殖，细胞凋亡，细胞分化，细胞迁移，细胞微运动以及细胞贴附。

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