[发明专利]一种利用电声脉冲法测量细胞悬液电特性的方法

说明书

一种利用电声脉冲法测量细胞悬液电特性的方法，利用传统的测量固体薄膜或电缆材料空间电荷的电声脉冲法（PEA）基本原理，检测细胞悬液的带电特性，包括如下步骤：1）“三层复合介质模型”的建立及使用条件；2）将从SD大鼠尾部获取的静脉血中分离出红细胞，稀释成合适的浓度；3）将红细胞悬液注入到测量腔体中；4）给试样施加直流偏压和脉冲电信号；5）通过压电传感器检测声波并将其转换成电信号，从而计算细胞悬液的带电特性。本发明快速简单、操作方便，能够实现无损伤测量各种细胞的带电特性，为电生理学的研究提供一种全新的测量手段。

技术领域

本发明涉及一种测量细胞悬液电特性的方法，具体涉及一种利用电声脉冲法测量细胞悬液电特性的方法。

背景技术

细胞膜是与环境进行物质、能量和信息交换的通路，是细胞最重要的细胞器。细胞膜电特性主要与细胞膜内、外离子浓度差有关，研究和了解细胞膜电特性具有重要意义，其关系到生命的生存与否，可以揭示生命的奥秘，促进生命科学、临床医学、农业、畜牧业等学科的发展。

目前，针对细胞膜电特性的研究主要有细胞电泳法、电化学阻抗法、膜片钳技术等方法。细胞电泳法是在一定PH值下细胞表面带有净的正或负电荷，能在外加电场的作用下发生涌动，根据细胞的电泳淌度来检测细胞膜电特性，它主要存在操作较繁琐、所需时间较长、重复性和灵敏度较差等缺点。荧光显微镜法是一种利用荧光染料在特定波长的激发下荧光强度的变化来表征细胞膜电位的变化，此方法荧光染料对温度和光照要求苛刻、操作过程复杂、重复性和精度差等缺点。膜片钳技术是一种利用微玻璃管电极接触细胞膜(1-3个离子通道、几个平方微米)以记录通过细胞膜离子通道的离子电流来反映细胞膜单一或多个离子通道分子活动的技术。这种方法虽然精度很高，但是设备昂贵、耗时耗力、无法获取细胞集群整体的电活动状态。

本发明提出的电声脉冲法是将细胞悬液置于脉冲电场电磁环境中，检测的声信号不会受到电磁场的干扰，经压电传感器转换后得到电信号，因此可以实时动态地监测细胞悬液的电特性。电声脉冲法(PulsedElectro-Acoustic Method，PEA)是一种目前在国际上应用较多的介质材料中空间电荷测量技术。PEA测量原理如图3所示，假定在厚度为d的平板试样中存在空间电荷ρ，如果在电极1与电极2之间施加一个脉宽为△T的电脉冲U，电脉冲作用在位于x处的空间电荷ρ(x)的小薄片△x上，产生的力为△f₃(t)。这个力作用于电荷ρ(x)使其轻微移动，这种运动会产生一个声脉冲△P₃(x，t)，沿电场方向传播通过试样与电极2到达压电传感器。通过压电传感器将声波P(t)转换为电信号V(t)。假定作用在样品内所有电荷上的力与周围介质和电极紧密耦合在一起，并且电脉冲是理想的陡脉冲，压电传感器和前置放大器也是理想的，则前置放大器的输出电压V_s(t)与空间电荷的分布ρ(t)呈线性关系。那么通过PEA方法测量得到V_s(t)就可以得到空间电荷分布。

到目前为止，PEA方法主要用于固体薄膜材料和电缆绝缘层中空间电荷分布的测量与研究。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种利用电声脉冲法测量细胞悬液电特性的方法，该方法提出了“三层复合介质模型”，将细胞悬液置于两层厚度为150-180μm的低密度聚乙烯(LDPE)固体薄膜之间，通过电极1和电极2给试样施加千伏级的偏置电压和纳秒级脉冲电信号，偏置电压要确保细胞膜不被击穿(细胞膜的击穿场强为10³kV)。在电极2处通过聚四氟乙烯(PVDF)压电传感器将检测到的声波信号转换成电信号，最后通过分析计算得到细胞膜电特性，该方法的基本原理是电介质材料中存在的空间电荷在外加脉冲电场的作用下会受力产生位移，形成机械波，通过压电传感器将含有空间电荷信息的声信号转化为电信号，即可以研究电介质材料中的空间电荷分布情况。而细胞与外界发生物质、能量和信息交换的过程均与细胞膜电特性有着密切关系。该方法不但实现设备简单、操作容易，而且对细胞没有任何损伤。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：