用于測量細胞活性的具有光電導層的二維傳感器和用于同樣目的的測量系統技術方案

二維傳感器包括：光照射的光斑處電導率增大的光電導層、在光電導層正面形成的絕緣層、在光電導層背面形成的效應電極以及附在絕緣層表面的裝細胞、培養基和參照電極的細胞支撐器。傳感器放恒溫箱內，效應電極與參照電極間加偏置電壓。當激光束在傳感器背面照射出光斑時，從效應電極獲得信號。該信號大體相當于激光照射光斑處細胞活性造成的電位變化并用計算機處理。使激光束聚焦和移動而易于改變相當于測量電極大小和位置的光束光斑的大小和位置。（*該技術在2016年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及一種二維傳感器及使用該種傳感器測量細胞活性用的測量系統。該種傳感器檢測細胞活性造成的電位變化。人們正在廣泛地進行對于神經細胞的醫學研究及關于利用神經細胞作為電器件的可能性的研究。當神經細胞被刺激時，就會產生某種電位。首先，由于陰離子透明度的變化，細胞內側與外側的陰離子密度發生變化，然后，細胞膜的電位發生變化。因此，測量細胞膜電位的二維分布，對于觀察樣品細胞或機體是有用的。測量電位的二維分布提供了一種確定活性部分及活性水平的方法。本專利技術人研制出一種作為二維傳感器的集成組合電極，不必將玻璃探針或其他刺激探針插入細胞，即可同時在多個點上測量細胞的電位。這種集成組合電極包括許多排成矩陣的微電極，及其利用導電物質在玻璃板上形成的引線圖案，在其上可對樣品細胞或機體進行培養。這種集成組合電極使以比玻璃電極或其他普通手段更小的間距，對多個點上的電位變化的測量成為可能。另外，這種集成組合電極還使得對在該集成組合電極上培養的樣品細胞或機體進行長期觀察成為可能。但是，這種集成組合電極不適合廣泛應用，因為測量電極的尺寸和間距都是固定的。換句話說，很難用一個集成組合電極測量不同的樣品。事實上，過去是通過調整電極的尺寸及間距，制造不同的集成組合電極，來適應不同的樣品?，F介紹一種二維傳感器及使用該種傳感器的測量系統，它通過改進上述集成組合電極，使電極尺寸和間距可變，從而適宜于廣泛地用來測量不同樣品的細胞活性。按本專利技術的二維傳感器是一種板狀傳感器。該傳感器具有在光照射的光斑上電導率增大的光電導層、在光電導層正面上形成的絕緣層，以及在光電導層背面上形成的效應電極。在絕緣層的表面上，附著一個用來支撐樣品細胞、培養基及參照電極的細胞支撐器。當電位由于細胞活性而變化時，從效應電極得到的信號基本上與光束所照射的光斑上電位的變化相對應。光電導層可以用硒、CdS、Ge-Si等一類半導體或本征半導體制成。作為另一方案，光電導層可以用光導電聚合物制成。諸如蒽的稠合多環芳烴、諸如咔唑的芳香雜環化合物，或者芳氨可用作聚合物側鏈或主鏈上包括的光電導功能團。作為另一方案，可以采用蒸鍍的酞箐薄膜或用作紫蘇染料的Me-PTC(亞甲基-紫蘇基-羧酸)等一類有機薄膜。利用本專利技術的二維傳感器及光電導層的照射光斑，即可檢測出與細胞的一部分的電位變化相對應的信號。這一部分與光電導層的上述光斑相接觸。因為光電導層的電導只在激光束的照射光斑處增大，所以檢測出的信號基本上與和傳感器激光照射光斑接觸的細胞部分的電位變化相對應。所以，移動激光束，即可改變相當于測量電極的激光照射光斑的位置。通過對激光的聚焦，即可改變光斑的尺寸(亦即電極的尺寸)。因為絕緣層存在于光電導層與細胞之間，所以細胞電位本身難以檢測。但是，電位的變化，亦即電位的交流分量或脈沖分量卻可以檢測。所以，通過改變電位，即可測量細胞的活性。按本專利技術的測量系統包括上述二維傳感器、以激光束在二維傳感器背面上照射出光斑用的激光束光源、在二維傳感器背面上的效應電極與二維傳感器正面細胞支撐器內的參照電極之間提供直流偏置電壓用的直流電源，以及處理在該兩電極之間獲得的信號用的裝置。最好利用激光束來照射傳感器的光斑，因為激光束能夠容易地聚焦在小的光斑上。測量系統最好包括維持傳感器上細胞支撐器內樣品細胞培養環境的裝置。該培養裝置使對樣品的長期觀測成為可能。該系統最好還包括使激光束光源發出的激光束在二維傳感器背面預定的面積上高速掃描的裝置。這樣，在多個光斑上的細胞活性基本上是同時測量的?？梢圆挥靡粋€激光束，而用包括排成矩陣的多個激光元件的激光矩陣。通過用分時的方法驅動多個激光元件，可以進行速度更快的掃描?？梢圆灰苿蛹す馐苿佣S傳感器，以改變傳感器的激光束照射光斑。在這種情況下，該系統可以包括X-Y平臺，控制二維傳感器的水平位置。附圖說明圖1是利用本專利技術二維傳感器的細胞活性測量系統的框圖。圖2A和2B表示圖1測量系統用的二維傳感器的截面圖和平面視圖。圖3表示與待檢測的細胞活性相對應的瞬變電流的波形實例。圖4是有關圖1測量系統的瞬變電流流過的電路的示意圖。圖1表示本專利技術測量細胞活性用的測量系統的最佳實施例。樣品細胞2及其培養基放在二維傳感器1上。包括樣品2及培養基的二維傳感器1放置在恒溫箱3內。如圖2A及2B所示，二維傳感器包括作為光電導層的本征硅制襯底、在襯底背面(Si面)上形成的作為效應電極的金銻薄膜1a、以及在襯底正面作為絕緣層形成的SiO2層。SiO2層上，附著一個柵欄，用來盛樣品細胞、培養基及參照電極。圖2A表示垂直方向上放大的截面圖。例如，傳感器襯底的總厚度是200微米。本征硅襯底兩面精細拋光。用蒸鍍法在背面形成的金銻薄膜1a，在500℃下變成合金，以便形成歐姆接觸。用來盛細胞和其他樣品的柵欄1b，呈圓柱形，用聚碳酸脂制成，其內徑為例如，26毫米，粘在襯底的絕緣層上。為了便于處理，該二維傳感器上安裝鋁框。在圖1中，恒溫箱部分3具有雙壁結構，保證其內部免受外部細菌的感染。溫度控制單元4根據溫度傳感器的輸出，控制加熱器和風扇單元5，使得恒溫箱部分3的樣品室3a保持恒定溫度，例如，37±0.5℃。由95％空氣和5％CO2組成的混合氣體引入樣品室?；旌蠚怏w的管道上裝有流量計6和電磁閥7。該系統具有驅動閥門用的驅動電路7a以及控制驅動電路7a的定時器7b。恒溫箱部分3、溫度控制單元4及其他部分構成培養裝置。該系統包括用于在傳感器柵欄內的參照電極(RE)與傳感器背面上的效應電極之間施加偏置電壓的穩壓器8。上述兩電極之間的電流信號送入運算放大器9，將信號放大，并把它送到作為處理裝置的計算機。計算機包括一個16位A/D轉換器。在傳感器的柵欄內有一個對應電極(CE)；CE和參照電極(RE)都連接到穩壓器8上。CE用來刺激傳感器的柵欄中的樣品，以測量樣品產生的感應電位。為此目的，將脈沖電壓加在CE與RE之間。這個刺激電壓(脈沖電壓)是按照計算機10來的指令由穩壓器8產生的。該系統還可以在不加任何刺激電壓的情況下，測量自產生的電位。圖1說明激光束光源11及其驅動器12。激光束光源11用激光束照射出二維傳感器背面的光斑。由激光束光源11發射的激光束被包括反射鏡和透鏡(采用倒置的顯微鏡的目鏡)的光學系統聚焦。該光束可以聚焦成直徑只有微米數量級的光斑。該系統還包括作為改變激光照射的光斑在傳感器背面上的位置的裝置X-Y平臺13，X-Y平臺13在水平方向移動恒溫箱3內所裝的二維傳感器。該X-Y平臺具有由計算機控制的步進馬達，可以以1微米的步距改變X-Y平面上照射光斑的位置。在上述實施例中，二維傳感器1的位置可以移動，而激光束的位置卻是固定的。但是，最好不移動二維傳感器1，而讓激光束進行掃描?？梢栽诠鈱W系統中，采用X-Y檢流計式反射鏡來掃描激光束。一個替代的方案是，采用由許多布置成矩陣的激光元件的激光矩陣。采用這個辦法時，每個激光元件發射一個與傳感器背面垂直的激光束，而激光元件以分時的方法驅動。如上所述，二維傳感器1的激光照射光斑產生空穴與電子對。這樣參照電極與效應電極之間的偏壓迫使光電流流動。因為在二維傳感器的表面上形成有絕緣層(SiO2)，因此直流無法流動，但脈沖電流卻可以流動。因此，細胞活性自然產生的電位變化，可以作為脈本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種測量細胞活性用的二維傳感器，其特征在于傳感器包括：當光照射時導電率增大的光電導層，在光電導層正面形成的絕緣層，在光電導層背面形成的效應電極，以及安置在接近絕緣層的裝細胞、培養基和參照電極用的細胞支撐器，其中，當光束照射在 效應電極上產生光斑時，從效應電極獲得信號，該信號大體對應于光束照射出的光斑處的電位變化。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：杉原宏和，竹谷誠，龜井明仁，巖崎裕，
申請(專利權)人：松下電器產業株式會社，
類型：發明
國別省市：JP[日本]