[发明专利]基于三维石墨烯界面电极的细胞动态特性监测系统及方法

说明书

本发明提供了一种基于三维石墨烯界面电极的细胞动态特性监测系统及方法，具体涉及微流控芯片、PCB板、阻抗仪、注射系统、电流放大器、带有CCD的倒置显微镜等部分。通过对单个细胞/两个细胞在整个生命周期(捕获、黏附、迁移、增殖分化)内细胞阻抗变化的实时采集和细胞表面形貌的实时监测，探究单个癌细胞以及两个癌细胞之间的相互作用在癌变不同阶段的细胞内部状态和表面形貌对应的生理特征，为探究细胞生物学提供了新思路和新研究技术。与传统的金电极相比，本发明系统所采用的石墨烯电极的单细胞传感性能平均提高100％,双细胞传感性能平均提高50％。

技术领域

本发明属于微流控细胞研究领域，具体涉及一种基于三维石墨烯界面电极的细胞动态特性监测系统及方法。

背景技术

细胞是生物体基本的结构和功能单位，细胞是最基本的生命系统。传统的细胞研究通常以大量细胞样本为对象，期望获得同类细胞的普遍性质。然而，同一类型的细胞之间也或多或少存在差异，由于细胞与细胞之间具有相互作用。这种分析实际上仅能提供细胞整体样本的平均响应，而忽略了单个细胞的详细信息。因此，设计一种微流控芯片，应用于对单个细胞传感性能的研究是至关重要的。

微流控芯片技术是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械学科交叉的崭新研究领域。近些年发展起来的微流控技术为细胞操控及分析提供了新的发展思路。基于微尺度下不同的物理化学原理，科学家已发展出具有各种功能和不同应用的微流控细胞芯片。目前，用于芯片上细胞分离和捕获的手段涉及光、电、声、磁、流体力学、机械加工以及化学方法等众多领域，主要分为接触式和非接触式两种。例如，光学手段是激光光镊技术与芯片技术的结合，它可实现单细胞捕获和操控，但其涉及仪器复杂，操控单一，捕获效率低。电学方法是与微流控芯片最成功的结合手段，有多种作用方式，如电渗、电泳、介电电泳等方式。

微流控芯片在研究细胞生物特性领域有独特的优势，尤其是研究单个细胞的生物学问题，可以避免细胞与细胞之间的相互作用，排除其他因素对细胞的影响。在制造微流控芯片的整个过程中，芯片的微结构设计至关重要。不同形状的捕获结构，使得检测信号的大小有天壤之别。目前大多数微流控芯片的传感电极都是经典的是平面二维金电极结构，此电极与细胞的接触面积小，获取的细胞信号微弱，而且不能反应细胞在竖直方向上的微运动和迁移，因此不利于研究细胞生物学特性，尤其是单细胞。我们根据石墨烯薄膜天然的电导性和表面粗糙纹理特性等优势提出一种集成三维石墨烯界面的微流控芯片，本微流控芯片可用于高效率的单细胞捕获和超灵敏的单细胞电信号的检测，对癌细胞的研究和诊断有一定的指导意义。尤其在在医学上，对于癌细胞的检测和研究越来越精准和升入。不但要求区分不同的癌细胞，更加要求区别同一细胞的不同癌变阶段，甚至是同一癌变阶段细胞的各种不同的生理行为，来对癌症的病理和诊断治疗有指导作用。而且对于单细胞检测来说，此微流控芯片摒弃了传统的芯片需要复杂的化学修饰和化学标记等过程对细胞的活性有很大的影响，而且操作复杂，条件苛刻。

将微流控芯片与PCB板、阻抗仪、注射系统、电流放大器、带有CCD的倒置显微镜等部分相结合构成一套系统，实现对单个或者两个癌细胞电阻抗信号和细胞膜表面形貌的实时定量采集和记录，研究癌细胞的病理和细胞学。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于三维石墨烯界面电极的细胞动态特性监测系统及方法，用于癌细胞的捕获及传感和形貌实时监测。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于三维石墨烯界面电极的细胞动态特性监测系统，该系统包括：微流控芯片、阻抗仪、注入系统、带有CCD的倒置显微镜。所述微流控芯片包括由两个储液槽和位于两个储液槽之间的测试流道构成H形PDMS流道，以及布置在测试流道中的子芯片；

两个储液槽和测试流道分别具有盖板，储液槽的槽壁或密封该储液槽的盖板具有开孔，其中一开孔与所述注入系统相连；