一种用于测量细胞S参数的检测平台及其检测方法

一种用于测量细胞s参数的检测平台及其检测方法
技术领域
1.本发明涉及微流控和电学测量领域，具体涉及细胞溶液的微量输送、检查区域的细胞观察和检测细胞的s参数。提出的测试平台能够实现细胞的输送，观察与s参数的测量。


背景技术：

2.许多药物研发大多需要对特定的细胞进行检测，如有效地实现特定细胞的检查一直是科研人员关注的问题。利用细胞的生化特性进行检测的方法已经大量普及并且成熟可靠，如抗原抗体反应，聚合酶链式反应(pcr)，荧光标记等。但是生化检测法需要专业的试剂和设备，洁净的检测环境，漫长的处理过程和生化处理方面的专业知识。如何高效快速地完成细胞的检测具有重要的意义。近些年研究表明，细胞除了生化特性外还具有机械特性和电学特性。在电学特性上，如同种细胞的活性差异导致细胞膜的通透性改变进而导致细胞整体的介电常数的差异，此外，细胞液的浓度差异也会导致细胞整体的介常数差异。在理论和实验中验证了利用细胞的电学特性检测细胞的可行性。并且细胞的电学特性测量不需要额外的生化操作，也不需要特殊的生化试剂，从而简化了细胞检测的流程和检测成本。因此基于细胞的电学特性的细胞检测方法具有巨大的应用潜力。基于细胞的电学特性，本专利提出一种用于测量细胞s参数的测试平台及其检测方法，实现细胞的观察和s参数获取。s参数通过特定的电学公式转换得到细胞的电学特性。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种能够测量细胞s参数的检测平台。这样的平台能够观察和记录细胞的图像和s参数。
4.本发明一种用于测量细胞s参数的检测平台，包括微流控模块、探针台模块、成像模块和计算机单元。微流控模块包括细胞捕获检测传感器、输出导管和溶液收集器。细胞捕获检测传感器用于实现细胞的捕获，释放以及s参数检测，其上设置有用于细胞捕获的微流道，以及用于s参数检测的波导电极。微流道上设置有输入口，输出口、控制端口和细胞捕获通道。细胞捕获通道能够捕获输入口中输入的细胞溶液中的细胞。所述微流道的输出口与溶液收集器之间通过输出导管连接。
5.所述的成像模块设置在微流道的细胞捕获通道的正上方，用于细胞捕获通道中的细胞的显微拍摄。所述的细胞捕获检测传感器包括共面波导基板、流道基板。共面波导基板包括玻璃基底和波导电极，其中波导电极包括相互平行的三条铜导线。三条铜导线依次为第一地线、源线和第二地线。流道基板设置在共面波导基板上。微流道设置在流道基板上；微流道的细胞捕获通道中的检测区域位于第一地线与源线之间。所述的细胞捕获检测传感器安装在探针台模块上。源线和地线通过探针台模块上的探针引出至网络分析仪。
6.作为优选，所述的注射器采用1ml的医用注射器。
7.作为优选，所述的微流控模块还包括注射器、微流注射泵和输入导管。注射器安装在微流注射泵上，用于存储和输出含有细胞样本的溶液。注射器的注射口与细胞捕获检测
传感器的输入口通过输入导管连接。微流注射泵和计算机之间通过串口线连接。
8.作为优选，所述微流道的控制端口通过控制导管引出，控制导管能够向微流道的控制端口充压。
9.作为优选，所述的成像模块包括五倍的物镜、光路匹配器和显微镜摄像头，显微镜摄像头的信号输出接口与计算机连接。
10.作为优选，所述的探针台模块包括探针台、第一探针、第一同轴线、第二探针、第二同轴线和网络分析仪。第一探针和第二探针安装在探针台上；网络分析仪的第一接线端口和第一探针通过第一同轴线连接，网络分析仪的第二接线端口和第二探针通过第二同轴线连接。第一探针、第二探针与细胞捕获检测传感器上的波导电极的两端分别连接。
11.作为优选，网络分析仪与计算机通过网线连接。
12.作为优选，所述的共面波导基板上设置有第一定位点；所述的流道基板上设置有第二定位点；共面波导基板与流道基板通过第一定位点与第二定位点进行定位并键合。
13.作为优选，三条铜导线厚度均为1μm。源线的宽度为60μm；源线与第一地线、第二地线的间距均为30μm。
14.作为优选，所述的微流通道包括输入口、输出口、控制端口、运输通道、捕获通道和阻塞结构。运输通道的两端与输入口、输出口分别连通。运输通道的中间位置与捕获通道的一端连通。捕获通道的另一端连接阻塞结构。阻塞结构包括阻塞通道检测区域和汇流通道。检测区域与捕获通道连接。汇流通道与检测区域间隔设置，并通过多条阻塞通道连接。检测区域大于被测细胞的直径。细胞无法通过阻塞通道。汇流通道与控制端口连通。
15.该用于测量细胞s参数的检测平台的检测过程如下：
16.步骤一、探针接入到细胞捕获检测传感器前完成标准的校准流程，包括网络分析仪的频率范围，步长，中频带宽和功率设置。探针调平。开路、短路、负载、直通校准。完成校准后再把探针接入到细胞捕获检测传感器。
17.步骤二、调整成像模块，使得能够清晰地观察到检测区域的图像。
18.步骤三、向微流道的输入口注入含有细胞的溶液。
19.步骤四、捕获阶段，将微流通道的控制端口悬空，进入到捕获通道的细胞被阻塞通道阻塞，细胞停留在检测区域中。当检测区域的细胞数量达到要求时，堵住控制端口，等待网络分析仪完成新的一次扫描后保存s参数。
20.步骤五、细胞释放阶段，对控制端口引出的导管施加压力，被捕获的细胞在压力作用下离开检测区域沿着微流通道朝向输出端口方向移动。
21.本发明的有益效果为：
22.1.本发明中的计算机单元实现了实时地显示和存储摄像头捕获的图像，远程控制网络分析仪，远程监视和控制微流注射泵的工作状态，减小系统的控制难度和测试人员的需求。
23.2.本发明同时具有图像捕获和s参数检测功能，两者的相互验证保证测试所得的数据的可靠性。
24.3.本发明中的细胞捕获检测传感器具有的捕获和释放的功能，实现了在不更换传感器的前提下检测多组细胞的s参数。降低了检测成本，也控制了操作上引入的误差，有利于后期的数据分析。
附图说明
25.图1为本发明的测试平台示意图；
26.图2为本发明中细胞捕获检测传感器的整体示意图；
27.图3为本发明中共面波导基板；
28.图4为本发明中流道基板的示意图；
29.图5为本发明中细胞捕获通道的示意图。
30.其中，1.输入端口，2.输出端口，3.控制端口，4.过滤阵列，5.运输通道，6.捕获通道，7.阻塞通道，8.检测区域，9.流道基板切割轮廓，10.第二定位点，11.第一地线，12.源线，13.第二地线，14.共面波导基板，15.第一定位点。16.为注射器，17.微流注射泵，18.输入导管，19.流道基板，20.共面波导基板，21.输出导管，22.溶液收集器，23.探针台，24.第一探针，25.第二探针，26.第一同轴线，27.第二同轴线，28.网络分析仪，29.物镜，30.光路匹配器，31.显微镜摄像头，32.usb3.0数据线，33.串口数据线，34.网线，35.计算机。
具体实施方式
31.下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步说明
32.如图1所示，一种用于测量细胞s参数的检测平台，包括微流控模块、探针台模块、成像模块和计算机单元35。微流控模块包括注射器16、微流注射泵17、输入导管18、细胞捕获检测传感器、输出导管21和溶液收集器22。注射器16采用1ml的医用注射器。细胞捕获检测传感器用于实现细胞的捕获，释放以及s参数检测，其上设置有用于细胞捕获的微流道，以及用于s参数检测的波导电极。微流道上设置有一个输入口1，一个输出口2、一个控制端口3、捕获通道6和阻塞结构。微流道能够将细胞限制在检测区域8。
33.注射器16中含有细胞样本的溶液，且安装在微流注射泵17(型号为lsp01-1b)上。注射器的注射口安装有23g的平口针头。23g平口针头与细胞捕获检测传感器的输入口1通过外内径为0.6mm
×
0.3mm的输入导管18连接。微流道的输出口2与溶液收集器之间通过外内径为0.6mm
×
0.3mm的输出导管21连接。微流道的控制端3通过外内径为0.9mm
×
0.6mm的控制导管引出至充压组件。充压组件采用另一个注射泵；其中，微流注射泵采用垂直放置，让注射器朝下设置。
34.成像模块设置在微流道的细胞捕获通道的正上方，其包括一个五倍的物镜29，一个光路匹配器30，一个显微镜摄像头31(型号为e3ispm18000kpa)，显微镜摄像头的信号输出接口与计算机35通过usb3.0数据线32连接。
35.探针台模块包括探针台23、第一探针24、第一同轴线27、第二探针25、第二同轴线27和网络分析仪28。第一探针24和第二探针25安装在探针台23上；网络分析仪28的第一接线端口和第一探针24通过第一同轴线26连接，网络分析仪28的第二接线端口和第二探针25通过第二同轴线27连接。
36.计算机35外接一个1080p的显示器。微流注射泵17和计算机35之间通过串口线33连接。显微镜摄像头和计算机通过usb3.0数据线32连接。网络分析仪28与计算机35通过网线34连接。
37.细胞捕获检测传感器包括共面波导基板20和流道基板19。共面波导基板包括玻璃基底(b270)和波导电极，其中波导电极包括相互平行的三条铜导线和一个铜质的第一定位
点15；三条铜导线依次为第一地线11、源线12和第二地线13。三条铜导线厚度均为1μm。源线12的宽度为60μm；源线12与第一地线11、地线13的间距均为30μm。
38.流道基板19设置在共面波导基板20上。流道基板按照流道基板切割轮廓9被切割成凸字形。流道基板上设置有微流道和第二定位点10；微流道的深度为20μm。微流通道包括输入口1、输出口2、控制端口3、运输通道5、捕获通道6和阻塞结构。运输通道5的两端与输入口1、输出口2分别连通。运输通道5的中间位置与捕获通道6的一端连通。捕获通道6的另一端与细胞捕获通道连通。阻塞结构包括阻塞通道7、检测区域8和汇流通道。捕获通道8与检测区域6连接。汇流通道与检测区域8间隔设置，并通过多条阻塞通道7连接。检测区域8大于被测细胞的直径。阻塞通道7的宽度远小于细胞直径(本实施例中为4μm)；汇流通道与控制端口3连通。当细胞进入检测区域8时，由于其无法通过阻塞通道7，故其被限制在检测区域8与各阻塞通道7的连接处。当控制端口3充压时，压力通过阻塞通道7施加到检测区域8中，将检测区域8内的细胞经捕获通道6推出至运输通道5。输入口1和输出口2处均设置有过滤阵列4。
39.共面波导基板的材质为玻璃；流道基板的材质为pdms；当共面波导基板和流道基板键合在一起时，微流管道的检测区域8的端部位于第一地线11与源线12之间，同时共面波导基板的第一定位点15和流道基板的第二定位点10重合的。
40.细胞捕获检测传感器安装在针台23上。第一探针24的三个引脚与细胞捕获检测传感器上的波导电极三根铜导线的一端分别连接；第二探针25的三个引脚与细胞捕获检测传感器上的波导电极三根铜导线的另一端分别连接。
41.该用于测量细胞s参数的检测平台的检测过程如下：
42.步骤一、将探针接入到细胞捕获检测传感器前需要完成标准的校准流程，包括网络分析仪28的频率范围，步长，中频带宽和功率设置。探针调平。开路(open)，短路(short)，负载(load)，直通(thru)校准。完成校准后再把探针接入到细胞捕获检测传感器上的波导电极接口。
43.步骤二、调整成像模块，使得能够清晰地观察到检测区域8的图像。
44.步骤三、设置微流注射泵17的工作参数，将装有细胞溶液的注射器16装入到微流注射泵17。
45.步骤四、捕获阶段，将微流通道的控制端口3悬空，进入到检测区域的细胞被阻塞通道7阻塞，细胞停留在检测区域8中。当检测区域8的细胞数量达到要求时，堵住控制端引出的导管，等待网络分析仪完成新的一次扫描后保存s参数。
46.步骤五、细胞释放阶段，对控制端口3引出的导管施加压力，被捕获的细胞在压力作用下离开检测区域8沿着微流通道朝向输出端口2方向移动。至此，完成一个周期的细胞捕获，测量和释放。
47.以上所述仅是本发明的优选实施方案。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。