[实用新型]基于复合介电泳的单细胞介电谱自动测试装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及单细胞介电谱测试装置及测试方法，尤其及电旋转的单细胞介电谱测试装置及测试方法。

背景技术

细胞是生物体的形态结构和生命活动的基本单元。人们要了解生命活动的规律，必须以研究细胞为基础，考察细胞的结构和功能，探索生命活动的规律。恶性肿瘤也叫癌症(cancer)是目前危害人类健康最严重的一类疾病。在美国，恶性肿瘤的死亡率仅次于心血管疾病而居第二位。据我国2006年卫生事业发展情况统计公报，城市地区居民死因第一位为恶性肿瘤，其次为脑血管病、心脏病。若能在单细胞水平发现癌细胞，及时进行早期治疗，将使癌症不再成为不治之症。事实上，癌症肿瘤形成前，病人血液中已存在少量的异常细胞。对一些疾病如白血病(leukemia)，血细胞的变化更是直接的指标。传统细胞研究主要是对细胞群体进行分析，然而细胞群体分析获得的统计平均结果，抹杀了单细胞之间的差异，使生物学及医学等多领域的发展受到限制，不利于癌症的早期诊断。因此，在单细胞尺度对单个活性细胞的多个参数进行实时分析很有必要。目前已建立的可适应单细胞检测的方法有形态学和非形态学方法两类。形态学方法有免疫细胞化学(immunocytochemistry)和免疫荧光技术(immunofluorescence technique)两种；非形态学方法有流式细胞术(flow cytometry)、逆转录-多聚酶链反应(RT-PCR)以及免疫-磁分离技术(immuno-magnetic separation)等。应用形态学方法和非形态学方法，其结果常显现相当大的差异，说明这些技术方法尚不标准和规范化，有待进一步完善。

传统单细胞分析技术存在以下不足：1)在细胞准备过程中引入许多不可控的人为因素，影响了细胞分析的精度；2)在分析过程中需要添加昂贵的生化试剂对目标细胞进行标定，破坏了细胞的微环境，不适合活性细胞分析；3)相关设备体积庞大且价格不菲，并对人员及测试环境要求较高，不适合野外使用或个人化、家用化。为解决上述传统单细胞分析技术的不足，微全分析系统的概念被引入了生物医学分析领域。基于微全分析系统概念的单细胞分析芯片以其微型化、集成化和便携化方面的巨大优势在高通量药物筛选，癌症早期诊断、快速检测等领域具有巨大的潜力，而缺乏行之有效的单细胞操控、表征及分离技术是制约其发展的技术瓶颈。在不损伤细胞活性、不改变细胞周围微环境的条件下实时监测单细胞的本征特性参数，并以此实现细胞表征、识别与分类，这是许多科技工作者孜孜以求的目标，而基于电旋转(electrorotation)的单细胞介电频谱测试技术可实现上述物理量的测量并基于细胞介电谱特性可实现细胞分离。

根据Maxwell-Wagnar界面极化理论可知，细胞在外加交流电场条件下将会被动的产生极化(polarization)，引起细胞的介电弛豫(dielectric dispersion)现象。在频域测量细胞的介电常数ε和电导率σ能够反映细胞的介电弛豫的特征和细胞频域被动特性(或称介电特性)。对细胞频域被动特性的研究已成为细胞电生理学和细胞生物物理学的研究热点内容之一。由于不同频域段的讯号反应细胞不同结构的信息，对频域电特性的研究有助于人们了解细胞极化的界面性质及细胞导电和绝缘特性，验证生物细胞的数学模型和物理模型的正确性，深入认识和了解细胞的结构和功能。影响细胞介电特性的因素很多，如：细胞的体积、细胞膜的面积、内质网，细胞核的大小，细胞质的离子浓度及迁移率，细胞膜表面电荷和细胞膜跨膜蛋白以及细胞外部环境等，细胞在形态学上的不同以及细胞内部的变化均导致其介电特性的变化，因此，细胞介电特性相当于细胞的“指纹”，可鉴别其类型，因此被称为“介电表征”。在一定频域范围内癌细胞与正常细胞的介电表征有非常大的差异。细胞在宽频域交流电场条件下，由低频到高频其介电常数ε有五个基本的介电弛豫特征构成了生物细胞的介电谱(dielectric spectrum)。其中，α色散和β色散较为重要。一般细胞表面带负电荷，电荷密度的大小取决于细胞的种类。由于细胞表面负电荷与溶液中正离子的切向力作用，产生了α色散。α色散出现在低频区，正常细胞与异常细胞表面荷电不同，导致了α色散差异性。因此，α色散可用于临床诊断。细胞膜的磷脂双分子层结构在电场中类似于一个电容器的性质，因此，出现β色散。β色散对于细胞分析的一个应用是肿瘤组织的识别和细胞生物量的分析。细胞数越大，β色散越大，这是因为死细胞对于β色散有很大贡献。β色散与细胞膜的完整性和活性有关。因此，β色散在细胞生物分析中有重要应用。