CN104419642B - 一种细胞生理信息检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于平面膜片钳技术及机器人化探针操控技术的细胞生理信息检测装置和方法。一种细胞生理信息检测系统，包括平面膜片钳模块与纳米操作机器人模块连接;平面膜片钳模块：用于实现细胞的吸附、封接和破膜；纳米操作机器人模块：用于实现对细胞进行纳米观测及纳米操作。一种细胞生理信息检测方法，通过控制宏微运动平台和Z向纳米扫描器带动探针实现纳米级位移；由光电传感器检测激光偏转信号反馈至数据处理与人机交互界面，得到探针受到的接触力，并通过电极及信号放大器实现离子电流的同步检测。本发明能够利用扫描探针在细胞表面施加皮牛顿级到纳牛顿级的超微机械力刺激，同时利用平面膜片钳实现对细胞的机械门控离子通道电流的检测。

Description

一种细胞生理信息检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种多参数活体细胞生理信息检测技术，具体地说是一套多参数活体细胞生理信息检测系统及其检测方法，主要用于生命科学领域。

技术背景

目前，基于细胞水平的多学科交叉研究正成为新的技术发展动力。运用活体细胞生理状态下的微观测与微操控理论方法，提取反映机体状态与反映的细胞水平的生物标志信息，无疑将成为生命科学领域新技术发展的关键技术。

目前基于细胞水平的科学研究主要依赖于以下两个方面：

基于生物电流检测原理的膜片钳技术。运用微管道与微信号处理技术，实现活体细胞的离子通道检测，已成为生物医学基础研究和药物筛选的重要方法。但是目前市场上此类商业化产品只能实现电压门控离子通道检测，无法实现机械门控离子通道检测。

基于细胞活性状态的物理特征检测技术。运用微纳米观测操控技术，探索细胞机械特性（硬度、振动等），用以表征细胞的活性及其健康水平，建立细胞生理状态的特征描述，近年来已成为微纳米与生物学结合发展的重要方向，这对促进生物学研究进展，探索重大疾病的早期诊断方法具有极其重要的意义。目前，市场上生物型原子力显微镜是对进行细胞进行微纳米观测与操控的有效手段，遗憾的是目前此类产品缺乏对细胞离子通道电流的检测能力。

本发明将结合平面膜片钳技术和机器人化探针操控技术，建立一套细胞生理信息检测系统和检测方法。该系统除了具有平面膜片钳的离子通道检测功能和原子力显微镜的活体细胞高分辨率表征、活体细胞物理量检测、分子力检测等功能外，依靠本方法还可实现细胞超微机械刺激与电生理信号的同步施加和检测、人为干预的机器人化纳米操作及细胞电生理信号检测等功能。本发明为开展生命科学领域中跨膜信号转导、机械门控离子通道、细胞生物特征检测、生物分子相互识别与靶标测试等重要科学实验研究提供系统支撑和技术手段。

发明内容

针对活体细胞研究中对高分辨率表征、纳米操作、离子通道检测、物理量检测及分子力检测等多种参数检测的功能需求，本发明目的在于提供一种同时满足上述功能需求的活体细胞生理信息检测系统及其检测方法。

本发明的技术方案如下：

一种细胞生理信息检测系统，包括：平面膜片钳模块与纳米操作机器人模块连接;平面膜片钳模块：用于实现细胞的吸附、封接和破膜、以及离子通道电流检测；纳米操作机器人模块：用于实现对细胞进行纳米观测及纳米操作。

所述平面膜片钳模块包括平面膜片钳电极、与其连接的膜片钳信号放大器和微压力控制系统、以及与膜片钳信号放大器连接的数据采集卡；微压力控制系统与纳米操作机器人模块连接。

所述纳米操作机器人模块包括：宏微运动平台控制器与上面固定有XY向纳米扫描器的宏微运动平台连接，纳米操作与观测控制器与XY向纳米扫描器、数据处理与人机交互界面、连接有探针的Z向纳米扫描器连接，数据处理与人机交互界面与数据采集卡、光学显微镜、宏微运动平台控制器、微压力控制系统连接，光电传感器与纳米操作与观测控制器连接，激光器与直角棱镜、光学显微镜固定于XY向纳米扫描器上方；XY向纳米扫描器上面固定有平面膜片钳电极。

所述纳米操作机器人模块还包括与数据处理与人机交互界面连接的3D力反馈操作器。

所述平面膜片钳电极包括两个微电极、与平面膜片钳芯片连接的微流控腔体、细胞外液腔体；一个微电极一端接入由细胞外液腔体形成的细胞外液腔，另一端与膜片钳信号放大器连接；另一个微电极一端接入微流控腔体内的细胞内液腔，另一端与膜片钳信号放大器连接；微流控腔体通过入液微管道和出液微管道与微压力控制系统连接。

所述细胞外液腔体固定于平面膜片钳芯片上，细胞外液腔体中心带有圆孔，用于放置和吸附细胞。

一种细胞生理信息检测方法，包括以下步骤：

1）通过数据处理与人机交互界面控制微压力控制系统，使平面膜片钳电极内形成负压，实现细胞在平面膜片钳芯片上的吸附及吉欧封接；

2）通过控制宏微运动平台实现细胞和探针的微米级粗定位；

3）通过控制Z向纳米扫描器带动探针向细胞接近实现纳米级位移，探针与细胞表面的接触时，探针悬臂梁在细胞表面的作用力下发生偏转，由光电传感器检测激光的偏转信号后，通过纳米操作与观测控制器发送给数据处理与人机交互界面；

4）数据处理与人机交互界面根据偏转信号得到探针所受到的接触力，利用纳米操作与观测控制器调节Z向纳米扫描器的位移，直到接触力达到设定值为止；

5）细胞经过探针的机械力刺激后产生离子电流，通过电极及信号放大器实现离子电流的同步检测；

6）信号放大器检测的离子电流信号，经过数据采集卡转换成数字信号后传输给数据处理与人机交互界面，并进行数据及图形显示。

所述数据处理与人机交互界面根据偏转信号得到探针所受到的接触力通过以下公式实现：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_n=\frac{(A+B)-(C+D)}{A+B+C+D}\\ S_l=\frac{(A+C)-(B+D)}{A+B+C+D}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，F_x、F_y、F_z为作用在针尖的三维接触力,l为悬臂梁的长度，h为针尖高度；S_l和Sn是光电传感器的水平和垂直偏差信号，为针尖运动方向与X坐标轴夹角，k_l为悬臂梁的扭转系数，k为悬臂梁的弹性系数，A，B，C，D为光电传感器四个象限输出的电信号。

一种细胞生理信息检测方法，包括以下步骤：

1-1）通过数据处理与人机交互界面控制微压力控制系统使平面膜片钳电极内形成负压，实现细胞在平面膜片钳芯片上的吸附及吉欧封接；

1-2）通过控制宏微运动平台实现细胞和探针的微米级粗定位；

1-3）操作者手动操作3D力反馈操作器，操作手柄的位置信息经过数据处理与人机交互界面进行坐标变换得到探针的位置数字信息后，传递给纳米操作与观测控制器；

1-4）纳米操作与观测控制器把得到的探针位置数字信息变换成相应的控制电压,控制XY向纳米扫描器及Z向扫描器来产生水平和垂直位移，使探针跟随3D力反馈操作器向细胞进行实时运动；

1-5）探针与细胞表面接触时，探针悬臂梁在细胞表面的作用力下发生偏转，由光电传感器检测激光的偏转信号后，通过纳米操作与观测控制器发送给数据处理与人机交互界面；

1-6）数据处理与人机交互界面根据激光的偏转信号得到探针所受到的接触力，并进行放大后传递给力反馈操作器；

1-7）细胞经过探针的机械力刺激后产生离子电流，通过微电极及信号放大器可实现离子电流的同步检测；

1-8）数据采集卡将信号放大器检测的离子电流信号转换成数字信号后传输给数据处理与人机交互界面，并进行数据及图形显示。

所述数据处理与人机交互界面根据偏转信号得到探针所受到的接触力通过以下公式实现：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_n=\frac{(A+B)-(C+D)}{A+B+C+D}\\ S_l=\frac{(A+C)-(B+D)}{A+B+C+D}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，F_x、F_y、F_z为作用在针尖的三维接触力,l为悬臂梁的长度，h为针尖高度；S_l和Sn是光电传感器的水平和垂直偏差信号，为针尖运动方向与X坐标轴夹角，k_l为悬臂梁的扭转系数，k为悬臂梁的弹性系数，A，B，C，D为对光电传感器四个象限输出的电信号。

本发明具有如下优点：

1.本系统具有平面膜片钳离子通道检测功能；具有原子力显微镜的纳米观测、细胞表面力学特性检测等功能；利用纳米操作机器人技术实现了对细胞的纳米操控功能。

2.本发明实现了平面膜片钳技术和机器人化探针操控技术的融合，既能够利用平面膜片钳实现离子通道检测，又能够通过扫描探针实现活体细胞的高分辨率表征及纳米操作。既实现了细胞超微机械刺激与电生理信号的同步施加和检测。

3.本发明弥补了平面膜片钳技术和扫描探针技术作为单项技术在细胞生理信息检测功能上的不足，实现了多项技术在结构上和功能上的有效集成，为活体细胞特性更丰富的研究提供了新的研究手段。

4.本发明能够利用扫描探针在细胞表面施加皮牛顿级到纳牛顿级的超微机械力刺激，同时利用平面膜片钳实现对细胞的机械门控离子通道电流的检测；另外，在对细胞实现机械力刺激的同时也能够通过膜片钳的微电极对细胞进行电信号刺激，对细胞实现机械力与电信号的同步刺激及离子通道电流的同步检测。

附图说明

图1为本发明的组成示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为平面膜片钳电极结构原理图；

图4为探针形变检测方法示意图；

图5为探针受力模型示意图；

图6为纳米操作机器人结构原理图；

图7为具有人为干预的机器人化纳米操作及细胞电生理信号检测方法流程图；

图8为细胞超微机械刺激与电生理信号的同步施加和检测方法流程图；

其中，1为宏微运动平台控制器，2为宏微运动平台，3为XY向纳米扫描器，4为纳米操作与观测控制器，5为光电传感器，6为激光器，7为光学显微镜，8为直角棱镜，9为Z向纳米扫描器，10为探针，11为数据采集卡，12为数据处理与人机交互界面，13为3D力反馈操作器，14为平面膜片钳电极，15为信号放大器，16为微压力控制系统，17为防震工作台，18为细胞外液腔体，19为激光，20为一个微电极，21为细胞，22为细胞外液腔，23为另一个微电极，24为细胞内液腔，25为O型密封圈，26为平面膜片钳芯片，27为入液微管道，28为出液微管道，29为微流控腔体。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。

细胞生理信息检测系统由平面膜片钳模块、纳米操作机器人模块构成，其系统结构如图1、图2和图3所示。

其中平面膜片钳模块由平面膜片钳电极14、信号放大器15、微压力控制系统16和数据采集卡11构成，主要用于实现细胞的吸附、封接和破膜、离子通道电流检测、全细胞记录等功能；纳米操作机器人模块由宏微运动平台2及宏微运动平台控制器1、XY向纳米扫描器3、Z向扫描器9、扫描探针10、纳米操作与观测控制器4、激光器6、直角棱镜8、光电传感器5、光学显微镜7、3D力反馈操作器13、数据处理与人机交互界面12构成，纳米操作机器人模块用于实现细胞表面形貌纳米观测、纳米操控、可控机械力施加、细胞表面力学特性检测等功能。通过平面膜片钳模块、纳米操作机器人模块的结合可实现细胞超微机械刺激与电生理信号的同步施加和检测、人为干预的机器人化纳米操作及细胞电生理信号检测。

在平面膜片钳模块中，平面膜片钳电极包括细胞外液腔体18、平面膜片钳芯片26、微流控腔体29、微电极20和23探头，用于装载细胞、细胞内液、细胞外液以及电流检测等；微压力控制系统16用于在平面膜片钳电极14内实现一定的负压，实现细胞在膜片钳芯片26上的吸附；信号放大器15用于把电流信号转换成电压信号；平面膜片钳模块中的数据采集卡11用于把膜片钳信号放大器15的电压信号转换成数字信号，并由计算机进行数据处理，并由人机交互界面进行数据图形显示。

如图3所示，该图为平面膜片钳电极结构图及细胞超微机械刺激与电生理信号的同步施加和检测原理图，其中平面膜片钳电极由细胞外液腔体18、平面膜片钳芯片26、微流控腔体29、Ag-AgCl微电极探头20和23、O型密封圈25构成。

平面膜片钳芯片26为一个中间有倒金字塔状微孔的石英玻璃片，如图3所示，石英玻璃片为方形，尺寸为5mm×5mm，倒金字塔状微孔在玻璃片反面的开口直径大概为700-900μm，倒金字塔状微孔在玻璃片正面的开口直径大概为1-1.5μm，石英玻璃片的厚度为400μm左右。平面膜片钳芯片26的下表面通过O型密封圈与微流控腔体29密封连接，上表面则直接与细胞外液腔体18连接。

所述的微流控腔体29是利用聚碳酸脂材料加工出的腔体，用于装载细胞内液；平面膜片钳芯片26与微流控腔体29依靠密封圈实现密封连接。

所述细胞外液腔体18也是利用聚碳酸脂材料加工出的腔体，能够装载细胞外液。

微流控腔体29由入液微流管道27、出液微流管道28、细胞内液腔24构成，实现细胞内液的输灌及排出。

平面膜片钳芯片26与微流控腔体29依靠O型密封圈25实现密封连接，在平面膜片钳小孔的上下两侧各有一个Ag-AgCl微电极探头20和23实现电流信号检测。

信号放大器15与Ag-AgCl微电极探头（20和23）连接用于检测电流信号，并转换成适合范围的电压输出；数据采集卡11用于采集信号放大器的输出电压信号；数据处理与人机交互界面12用于实现人机交换以及电流和电压信号的图形显示。

微压力控制系统16用于在膜片钳电极14内的细胞内液腔24产生一定的负压，以实现膜片钳芯片26与细胞膜的吸附，进而实现吉欧封接。

纳米操作机器人模块具备实时力/位置反馈功能，能够快速、灵活的控制扫描探针进行纳米操作与观测，同时可以配合平面膜片钳系统对细胞实现位置、力大小可控的纳牛级机械力刺激，以观测细胞的机械门控离子通道的电流变化，从而为细胞生物特性的研究提供有效的技术手段。

在纳米操作机器人模块中，基本技术思想是采用原子力显微镜技术原理和机器人化扫描探针操控技术实现纳米观测成像和操作。具体实现方法为：宏微运动平台2及控制器1用于实现样品毫米到微米的位移；XY向纳米扫描器3用于实现样品的X\Y向二维纳米级运动；Z向纳米扫描器9用于实现对样品表面相貌的Z向跟踪调节；光电传感器用于检测激光的偏移量，即扫描探针10的偏转量，也即样品表面的起伏程度；扫描探针作为末端执行器；数据处理与人机交互界面12用于把计算机采集到的数字信号数据进行处理，把光电传感器5信号根据探针受力模型转换成三维力反馈数据，传递给3D力反馈操作器13，并把3D力反馈操作器13的空间位置经过坐标变换后传递给末端执行器扫描探针10，实现扫描探针的位置控制。

原子力显微镜技术它通过检测待测样品（本实施例为细胞）表面和扫描探针之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。扫描探针为一端固定，一端具有纳米尺度针尖的悬臂梁，针尖接近样品时，其相互作用力将使得悬臂梁发生形变。扫描样品时，利用光电传感器检测悬臂梁形变，就可以获得纳米级分辨率表面结构信息。

机器人化扫描探针操控技术，是指利用操作者可以手动操作3D力反馈操作器13，并把3D力反馈操作器13的空间位置经过坐标变换后实时传递给末端执行器扫描探针10，实现扫描探针10位置的随动控制；扫描探针10与样品的相互作用力可通过光电传感器5检测，并根据探针受力模型转换成三维力反馈数据传递给3D力反馈操作器，操作者就可以感受到探针对样品的作用力，并可以实时调节操作力的大小。

利用人手操作3D力反馈操作器可以把人手的空间位置通过坐标变换后传递给原子力显微镜扫描探针，实现扫描探针的空间运动；所述的力反馈，扫描探针与细胞间的作用力可以通过光电传感器检测出来，并通过所建立的探针受力模型及反馈力的解释与映射方法将操作力反馈给3D力操作器，使人手能够感受到探针与细胞间的相互作用力的大小。

机械门控离子电流检测，是指某些细胞在机械力刺激下可使细胞表面的某些离子通道打开，释放出离子电流，利用膜片钳技术可以对因机械刺激作用产生的离子电流进行检测，以研究细胞对机械刺激的反应行为。在本发明的系统中可以在液体环境中，利用扫描探针对活体细胞进行定点、定量的纳牛级作用力刺激，可以控制作用力的大小。

如图2所示，纳米操作机器人模块由宏微运动平台2及其控制器1、XY向纳米扫描器3、Z向纳米扫描器9、扫描探针10、纳米操作与观测控制器4、激光器6、直角棱镜8、光电传感器5、光学显微镜（CCD）7、3D力反馈操作器13、数据采集卡11、数据处理与人机交互界面12构成。另外，光学显微镜7也可采用倒置光学显微镜或倒置荧光显微镜以实现更多的功能应用。

数据处理与人机交互界面12即计算机，用于接收纳米操作及观测控制器4传输的Z向纳米扫描器9的位置信息并转化成图像数据信息；用于接收纳米操作及观测控制器4传输的光电传感器5信号，并根据力学模型计算出探针受到的三维接触力F_x、F_y和F_z，同时按一定比例放大后输出给力反馈操作器13；用于把力反馈操作器13手柄的位置信号转换成相应的数字信号传递给纳米操作及观测控制器4；并能够显示探针所受接触力、光电传感器信号等数据，以及对样品的表面形貌、离子电流曲线进行图形化显示。

宏微运动平台2用于实现样品毫米到微米的位移控制；XY向纳米扫描器3用于实现样品的XY向二维纳米级扫描运动；Z向扫描器9用于实现对样品表面相貌的Z向跟踪调节；光电传感器5用于检测激光的偏移量，即扫描探针的偏转量，也即样品表面的起伏程度；扫描探针9作为末端执行器；3D力反馈操作器13可采用SensAble公司的Phantom力/触觉设备或Omega公司生产的力反馈设备，用于提供扫描探针空间作业位置信息并以一定比例输出探针所受到的三维作用力。

激光器6和直角棱镜8位于光学显微镜7的物镜下方，激光器6的激光水平入射到直角棱镜8后向下反射到探针10上。探针10位于显微镜7物镜的焦距平面上。

纳米观测工作原理：如图4所示，采用传统的原子力扫描成像技术。扫描探针10为一端固定，一端具有纳米尺度针尖的悬臂梁，针尖接近样品时，其相互作用力将使得悬臂梁发生形变。一束激光经过探针悬臂梁反射后打在光电位移传感器上，扫描样品时，利用光电传感器检测悬臂梁形变，就可以获得纳米级分辨率表面结构信息。

机器人化探针操控工作原理：如图6所示。操作者手动操作3D力反馈操作器13时，操作手柄的位置信息经过计算机进行坐标变换后通过控制XY向纳米扫描器3和Z向扫描器9来实时控制探针的位置，而探针与样品的作用力信息经过光电位置传感器5检测，计算机采集光电位置传感器信号后，根据探针受力模型转换成三维力反馈数据，实时传递给3D力反馈操作器13。

探针受力模型如图5所示，具体数学模型见公式（1）。F_x、F_y、F_z为作用在针尖的三维接触力,l为悬臂梁的长度，h为针尖高度(包括悬臂梁厚度)；S_l和Sn是光电传感器5的水平和垂直偏差信号，为针尖运动方向与X坐标轴夹角，k_l为悬臂梁的扭转系数，k为悬臂梁的弹性系数，A，B，C，D为对光电传感器5四个象限输出的电流信号进行检测和转换得到的电压信号。如图3所示探针形变检测的光电检测系统示意图。

$\left\{\begin{array}{c}{S}_n=\frac{(A+B)-(C+D)}{A+B+C+D}\\ S_l=\frac{(A+C)-(B+D)}{A+B+C+D}\end{array}\right.---\left(2\right)$

具有人为干预的机器人化纳米操作及细胞电生理信号检测方法，见图7所示：

1）通过微压力控制系统16控制平面膜片钳电极14内负压，实现细胞21在平面膜片钳芯片26上的吸附及吉欧封接；

2）通过控制宏微运动平台实现细胞21和探针10的微米级粗定位；

3）操作者手动操作3D力反馈操作器13时，操作手柄的位置信息（Px、Py、Pz）经过计算机进行坐标变换得到探针的位置数字信息（Ptx、Pty、Ptz）后，把数据传递给纳米操作与观测控制器4；

4）纳米操作与观测控制器4把得到的探针位置数字信息（Ptx、Pty、Ptz）变换成相应的控制电压（Vtx、Vty、Vtz）,以控制XY向纳米扫描器3及Z向扫描器9来产生相应的位移，以实现探针跟随3D力反馈操作器13运动的目的；

5）探针10与细胞21表面的接触时，探针悬臂梁在细胞表面的作用力下发生偏转，由光电传感器5检测激光的偏转信号S_l和Sn后，经过纳米操作与观测控制器4进行数据采集，然后把数据S_l和Sn发送给计算机12处理；

6）计算机12经过探针受力模型（公式（1））计算后，得到探针所受到的接触力（F_x、F_y、F_z）；

7）计算机12把探针所受到的接触力（F_x、F_y、F_z）信号放大后传递给力反馈操作器13，这样操作者就可以同时感受到探针10与细胞21的接触力，并根据感受力的大小手动调节力反馈操作器13，使探针10逼近细胞21并对细胞21进行机械力刺激；

8）细胞21经过探针10的机械力刺激后产生离子电流，通过Ag-AgCl电极20、23及信号放大器15可实现离子电流的同步检测；

9）信号放大器15检测的离子电流信号，经过数据采集卡11转换成数字信号后传输给计算机12，并依靠计算机12的数据处理与人机交互界面进行数据及图形显示。

细胞超微机械刺激与电生理信号的同步施加和检测，是指通过扫描探针对细胞局部施加作用力可控的超微机械力刺激，同时通过平面膜片钳微电极检测细胞表面离子通道电流的变化，如图2所示。由于本系统探针作用力是可控的，因此可以对细胞进行力大小可控的机械力刺激。

所述探针作用力可控，是指可以通过检测光电位置传感器的偏差信号并根据作用力模型，就可以得到探针在样品上施加的作用力大小，如果仅仅在垂直方向施加作用力，则光电位置传感器的水平偏差信号为零，则探针的作用力与光电位置传感器的垂直偏差信号成正比。

细胞超微机械刺激与电生理信号的同步施加和检测具体实现方法与步骤，见图8所示：

1）通过微压力控制系统16控制平面膜片钳电极14内负压，实现细胞21在平面膜片钳芯片26上的吸附及吉欧封接；

2）通过控制宏微运动平台实现细胞21和探针10的微米级粗定位；

3）通过控制Z向纳米扫描器9带动探针实现纳米级位移，探针与细胞表面的接触时，探针悬臂梁在细胞表面的作用力下发生偏转，由光电传感器5检测激光的偏转信号S_l和Sn后，经过纳米操作与观测控制器4进行数据采集，然后把数据S_l和Sn发送给计算机12处理；

4）计算机12经过探针受力模型（公式（1））计算后，得到探针所受到的接触力；本实施例中以神经细胞Neuro-2a为例，探针所受接触力也即探针对细胞所施加的作用力大于200pN,就可以检测到细胞21产生的离子电流，因此根据接触力的设定值可以对Z向纳米扫描器9进行自动控制并对细胞进行自动检测；利用纳米操作与观测控制器4调节Z向纳米扫描器9的位移，就可以实现探针10对细胞21的超微机械力的可控施加；

5）细胞21经过探针10的机械力刺激后产生离子电流，通过Ag-AgCl电极20、23及信号放大器15可实现离子电流的同步检测；

6）信号放大器15检测的离子电流信号，经过数据采集卡11转换成数字信号后传输给计算机12，并依靠计算机12的数据处理与人机交互界面进行数据及图形显示。

Claims (4)

1.一种细胞生理信息检测系统，其特征在于包括：平面膜片钳模块与纳米操作机器人模块连接；平面膜片钳模块：用于实现细胞的吸附、封接和破膜、以及离子通道电流检测；纳米操作机器人模块：用于实现对细胞进行纳米观测及纳米操作；

所述平面膜片钳模块包括平面膜片钳电极(14)、与其连接的膜片钳信号放大器(15)和微压力控制系统(16)、以及与膜片钳信号放大器(15)连接的数据采集卡(11)；微压力控制系统(16)与纳米操作机器人模块连接；

所述平面膜片钳电极(14)包括两个微电极(20、23)、与平面膜片钳芯片(26)连接的微流控腔体(29)、细胞外液腔体(18)；一个微电极(20)一端接入由细胞外液腔体(18)形成的细胞外液腔(22)，另一端与膜片钳信号放大器(15)连接，用于检测机械力刺激后产生的离子电流；另一个微电极(23)一端接入微流控腔体(29)内的细胞内液腔(24)，另一端与膜片钳信号放大器(15)连接；微流控腔体(29)通过入液微管道(27)和出液微管道(28)与微压力控制系统(16)连接；

所述纳米操作机器人模块包括：宏微运动平台控制器(1)与上面固定有XY向纳米扫描器(3)的宏微运动平台(2)连接，纳米操作与观测控制器(4)与XY向纳米扫描器(3)、数据处理与人机交互界面(12)、连接有探针(10)的Z向纳米扫描器(9)连接，数据处理与人机交互界面(12)与数据采集卡(11)、光学显微镜(7)、宏微运动平台控制器(1)、微压力控制系统(16)连接，光电传感器(5)与纳米操作与观测控制器(4)连接，激光器(6)与直角棱镜(8)、光学显微镜(7)固定于XY向纳米扫描器(3)上方；XY向纳米扫描器(3)上面固定有平面膜片钳电极(14)；

所述纳米操作机器人模块还包括与数据处理与人机交互界面(12)连接的3D力反馈操作器(13)。

2.按权利要求1所述的细胞生理信息检测系统，其特征在于：所述细胞外液腔体(18)固定于平面膜片钳芯片(26)上，细胞外液腔体(18)中心带有圆孔，用于放置和吸附细胞。

3.按权利要求1所述的一种细胞生理信息检测系统的细胞生理信息检测方法，其特征在于包括以下步骤：

1)通过数据处理与人机交互界面(12)控制微压力控制系统(16)，使平面膜片钳电极(14)内形成负压，实现细胞(21)在平面膜片钳芯片(26)上的吸附及吉欧封接；

2)通过控制宏微运动平台(2)实现细胞(21)和探针(10)的微米级粗定位；

3)通过控制Z向纳米扫描器(9)带动探针(10)向细胞接近实现纳米级位移，探针(10)与细胞表面的接触时，探针(10)悬臂梁在细胞表面的作用力下发生偏转，由光电传感器(5)检测激光(19)的偏转信号后，通过纳米操作与观测控制器(4)发送给数据处理与人机交互界面(12)；

4)数据处理与人机交互界面(12)根据偏转信号得到探针(10)所受到的接触力，利用纳米操作与观测控制器(4)调节Z向纳米扫描器(9)的位移，直到接触力达到设定值为止；

5)细胞(21)经过探针(10)的机械力刺激后产生离子电流，通过电极(20、23)及信号放大器(15)实现离子电流的同步检测；

6)信号放大器(15)检测的离子电流信号，经过数据采集卡(11)转换成数字信号后传输给数据处理与人机交互界面(12)，并进行数据及图形显示；

所述数据处理与人机交互界面(12)根据偏转信号得到探针(10)所受到的接触力通过以下公式实现：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_n=\frac{(A+B)-(C+D)}{A+B+C+D}\\ S_l=\frac{(A+C)-(B+D)}{A+B+C+D}\end{array}\right.$

其中，F_x、F_y、F_z为作用在针尖的三维接触力,l为悬臂梁的长度，h为针尖高度；S_l和Sn是光电传感器的水平和垂直偏差信号，为针尖运动方向与X坐标轴夹角，k_l为悬臂梁的扭转系数，k为悬臂梁的弹性系数，A，B，C，D为光电传感器四个象限输出的电信号。

4.按权利要求1所述的一种细胞生理信息检测系统的细胞生理信息检测方法，其特征在于包括以下步骤：

1-1)通过数据处理与人机交互界面(12)控制微压力控制系统(16)使平面膜片钳电极(14)内形成负压，实现细胞(21)在平面膜片钳芯片(26)上的吸附及吉欧封接；

1-2)通过控制宏微运动平台(2)实现细胞(21)和探针(10)的微米级粗定位；

1-3)操作者手动操作3D力反馈操作器(13)，操作手柄的位置信息经过数据处理与人机交互界面(12)进行坐标变换得到探针(10)的位置数字信息后，传递给纳米操作与观测控制器(4)；

1-4)纳米操作与观测控制器(4)把得到的探针位置数字信息变换成相应的控制电压,控制XY向纳米扫描器(3)及Z向扫描器(9)来产生水平和垂直位移，使探针(10)跟随3D力反馈操作器(13)向细胞进行实时运动；

1-5)探针(10)与细胞(21)表面接触时，探针(10)悬臂梁在细胞表面的作用力下发生偏转，由光电传感器(5)检测激光(19)的偏转信号后，通过纳米操作与观测控制器(4)发送给数据处理与人机交互界面(12)；

1-6)数据处理与人机交互界面(12)根据激光的偏转信号得到探针所受到的接触力，并进行放大后传递给力反馈操作器(13)；

1-7)细胞(21)经过探针(10)的机械力刺激后产生离子电流，通过微电极(20、23)及信号放大器(15)可实现离子电流的同步检测；

1-8)数据采集卡(11)将信号放大器(15)检测的离子电流信号转换成数字信号后传输给数据处理与人机交互界面(12)，并进行数据及图形显示；

所述数据处理与人机交互界面(12)根据偏转信号得到探针(10)所受到的接触力通过以下公式实现：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_n=\frac{(A+B)-(C+D)}{A+B+C+D}\\ S_l=\frac{(A+C)-(B+D)}{A+B+C+D}\end{array}\right.$

其中，F_x、F_y、F_z为作用在针尖的三维接触力,l为悬臂梁的长度，h为针尖高度；S_l和Sn是光电传感器的水平和垂直偏差信号，为针尖运动方向与X坐标轴夹角，k_l为悬臂梁的扭转系数，k为悬臂梁的弹性系数，A，B，C，D为对光电传感器四个象限输出的电信号。