專利名稱：一種細(xì)胞傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及傳感器，更具體地說(shuō)，本實(shí)用新型涉及利用生物功能的仿生傳感器中的細(xì)胞傳感器。
背景技術(shù)：
在當(dāng)今社會(huì)，幾乎沒(méi)有任何一種科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用能夠離得開傳感器和信號(hào)探測(cè)技術(shù)的支持。作用原理不同，功能各異的探測(cè)器作為信息感知、捕獲和探測(cè)的窗口，在信號(hào)探測(cè)與信息處理系統(tǒng)中起著極為重要的作用。在應(yīng)對(duì)越來(lái)越多且復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)需求時(shí)，傳感器在形式和內(nèi)涵上也正發(fā)生著新的變化。迄今，像光纖傳感器、電荷耦合傳感器(charge couple devices CCD)、紅外傳感器、遙控傳感器、微波傳感器、超導(dǎo)體傳感器、液晶傳感器以及仿生傳感器等許多新型傳感器已應(yīng)運(yùn)而生，而它們的出現(xiàn)反過(guò)來(lái)又極大地推動(dòng)著信息技術(shù)的更快速發(fā)展。特別是，對(duì)生物功能的模擬近年來(lái)已引起人們的廣泛重視。其中仿生傳感器就是其中的體現(xiàn)之一。
目前的仿生傳感器，主要采用固定化的細(xì)胞、酶或者其他生物活性物質(zhì)與換能器相配合而組成傳感器。該類傳感器是近年來(lái)生物醫(yī)學(xué)和電子學(xué)、工程學(xué)相互滲透而發(fā)展起來(lái)的一種新型的信息技術(shù)。其特點(diǎn)是性能好、壽命長(zhǎng)。在仿生傳感器中，比較常用的是生體模擬的傳感器。按照使用的介質(zhì)可以分為酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、?xì)胞傳感器、組織傳感器等。通常情況下一個(gè)仿生傳感器只能用來(lái)探測(cè)一種物理量，但在許多應(yīng)用領(lǐng)域中，為了能夠完美而準(zhǔn)確地反映客觀事物和環(huán)境，往往需要同時(shí)測(cè)量大量的物理量，多功能傳感器無(wú)疑是當(dāng)前傳感器技術(shù)發(fā)展中一個(gè)全新的研究方向。
然而迄今為止多功能細(xì)胞傳感器還沒(méi)有得到廣泛的重視和應(yīng)用，事實(shí)上生物細(xì)胞的細(xì)胞膜具有復(fù)雜的細(xì)微結(jié)構(gòu)和各種獨(dú)特的功能。除作為生物細(xì)胞的機(jī)械性和化學(xué)性屏障外，還具有一系列重要的功能諸如生物細(xì)胞內(nèi)外的物質(zhì)交換、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞識(shí)別以及細(xì)胞的生長(zhǎng)調(diào)控、免疫決定和各種表面受體形成等。細(xì)胞膜一個(gè)很重要的特征就是充當(dāng)接受外界信號(hào)的傳感器，使細(xì)胞能對(duì)環(huán)境變化產(chǎn)生適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)(宋今丹主編，醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)，北京人民衛(wèi)生出版社，1997)。外界的信號(hào)可以是熱、力、電、磁、光、聲、射線等，細(xì)胞膜對(duì)這些信號(hào)都異常敏感。
因此，需要有一種細(xì)胞傳感器，能夠利用細(xì)胞膜對(duì)多種外界信號(hào)的敏感性，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種物理量的檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的細(xì)胞傳感器只能進(jìn)行單一物理量測(cè)量的缺點(diǎn)和不足，提供一種細(xì)胞傳感器，該細(xì)胞傳感器可方便地設(shè)置多個(gè)或多種電極，以便利用細(xì)胞膜對(duì)多種外界信號(hào)的敏感性實(shí)現(xiàn)多種物理量的檢測(cè)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的細(xì)胞傳感器包括一細(xì)胞膜，該細(xì)胞膜的內(nèi)表面限定了一第一腔體；多個(gè)設(shè)于第一腔體內(nèi)用于支撐所述細(xì)胞膜的支架；包圍所述細(xì)胞膜設(shè)置的外殼，該外殼與細(xì)胞膜之間限定一第二腔體；用于檢測(cè)物理量的探測(cè)元件，布置在所述第一腔體和/或第二腔體內(nèi)；一空心管路，該空心管路將第一腔體與外殼的外部相連通。
所述探測(cè)元件包括布置在第一腔體內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)膜內(nèi)測(cè)量電極，所述膜內(nèi)測(cè)量電極的電極引線通過(guò)所述空心管路引出至外殼的外部；布置在第二腔體內(nèi)和膜內(nèi)測(cè)量電極配合使用的一個(gè)或多個(gè)膜外測(cè)量電極，所述膜外測(cè)量電極的電極引線通過(guò)所述空心管路引出至外殼的外部。每個(gè)膜內(nèi)測(cè)量電極分別包埋在一個(gè)支架內(nèi)，其一端暴露于支架的端部并緊貼所述細(xì)胞膜。
所述探測(cè)元件包括布置在用于檢測(cè)溶液中氧濃度的鉑陰極和銀陽(yáng)極，所述鉑陰極和銀陽(yáng)極的電極引線通過(guò)所述空心管路引出至外殼的外部。所述鉑陰極包埋在支架內(nèi)，其一端暴露于支架的端部并緊貼所述細(xì)胞膜，所述銀陽(yáng)極纏繞在該支架外表面。
所述探測(cè)元件包括布置在第一腔體內(nèi)的光纖束，該光纖束的受光面正對(duì)所述細(xì)胞膜；所述光纖束包括混合在一起的發(fā)射光纖束和接受光纖束；所述光纖束的一端通過(guò)所述空心管路引出至外殼的外部。所述光纖束包埋在一個(gè)支架內(nèi)，該光纖束的受光面暴露于該支架的端部。
本實(shí)用新型的細(xì)胞傳感器還包括一個(gè)用于向所述第一腔體內(nèi)注入和排出溶液的進(jìn)/排液管，該進(jìn)/排液管位于所述空心管路內(nèi)部；還包括一個(gè)用于向所述第二腔體內(nèi)注入和排出溶液的進(jìn)出口，第二腔體通過(guò)該進(jìn)出口與所述外殼的外部相連通。
所述細(xì)胞膜為人工細(xì)胞膜或天然細(xì)胞膜。所述細(xì)胞膜帶有多個(gè)褶皺結(jié)構(gòu)的延伸表面。
本實(shí)用新型的細(xì)胞傳感器只使用一個(gè)細(xì)胞膜，其結(jié)構(gòu)適于設(shè)置多個(gè)或多種探測(cè)元件，利用細(xì)胞膜對(duì)多種外界信號(hào)的敏感性實(shí)現(xiàn)多種物理量的測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)傳感器的多種功能。例如在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，它可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、電場(chǎng)強(qiáng)度、氧及各種離子濃度的測(cè)量。本實(shí)用新型的細(xì)胞傳感器能達(dá)到高效、快速的測(cè)量，而且可靠性高、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。


圖1是本實(shí)用新型提供的細(xì)胞傳感器帶部分剖面的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1所示細(xì)胞傳感器的A-A剖面圖；圖3是圖1所示細(xì)胞傳感器的B-B剖面圖；圖4是本實(shí)用新型的細(xì)胞傳感器的另一個(gè)實(shí)施例的帶部分剖面的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖面說(shuō)明空心管路1 細(xì)胞膜2 測(cè)電場(chǎng)電極3 測(cè)溫電極4銀陽(yáng)極5 鉑陰極6 光纖束7 膜外測(cè)量電極8支架10 備用電極11 測(cè)離子濃度電極12電極引線14接收光纖束15發(fā)射光纖束16延伸表面17 第一腔體18進(jìn)/排液管19 外殼20 第二腔體21 進(jìn)出口2具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
圖1是本實(shí)用新型提供的細(xì)胞傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。用作傳感器敏感元件的細(xì)胞膜2呈球殼狀，該細(xì)胞膜2包圍了一個(gè)第一腔體18，細(xì)胞膜2可以選用由乙基乙烯和環(huán)氧乙烷制得的人工細(xì)胞膜，也可以選擇其他類型的人工薄膜如聚四氟乙烯透氣膜，還可以是真實(shí)的細(xì)胞膜，例如雞蛋膜等。外殼20為比細(xì)胞膜直徑稍大的球狀殼體，是由塑料或橡膠等彈性材料制成的空腔殼體或多孔殼體。細(xì)胞膜2和外殼20之間限定了一個(gè)第二腔體21。圖1所示的傳感器的直徑可以從幾個(gè)微米到幾個(gè)厘米，其中的細(xì)胞膜2的厚度可在1μm～1cm之間。細(xì)胞膜2和外殼20之間的位置關(guān)系在本具體實(shí)施方式
中是通過(guò)細(xì)胞膜2和外殼20分別連接到空心管路1來(lái)確定的，這將在后文中詳細(xì)說(shuō)明，但是應(yīng)該理解，細(xì)胞膜2和外殼20之間的位置可以通過(guò)其它任何適合的方式來(lái)確定。
雖然在圖1中細(xì)胞膜2和外殼20都采用的球狀空腔體，但是其他例如空腔長(zhǎng)方體、空腔圓柱體或者其他規(guī)則和不規(guī)則形狀的空腔體也是適用于本實(shí)用新型的。
在圖1中，多個(gè)對(duì)稱分布的支架10設(shè)于細(xì)胞膜2內(nèi)部，用于支撐細(xì)胞膜2并將細(xì)胞膜2的形狀固定為球形。但是在實(shí)際應(yīng)用中，多個(gè)支架10的個(gè)數(shù)和分布均可根據(jù)需要靈活設(shè)置，也可根據(jù)需要將細(xì)胞膜2固定為圓柱、長(zhǎng)方體或其他所需要的形狀。支架10由絕緣材料例如塑料、橡膠和合成材料等制作。
本實(shí)用新型的細(xì)胞傳感器利用細(xì)胞膜2對(duì)外界信號(hào)的敏感性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的探測(cè)，用于探測(cè)物理量的探測(cè)元件根據(jù)需要布置在第一腔體18或第二腔體21內(nèi)，或者同時(shí)在第一腔體18和第二腔體21布置所需要的探測(cè)元件。
在圖1和圖2中，本實(shí)用新型的傳感器包括多種探測(cè)元件，這些探測(cè)元件包括布置在細(xì)胞膜2內(nèi)的第一腔體18內(nèi)的膜內(nèi)測(cè)量電極用于檢測(cè)溫度測(cè)溫電極4、用于檢測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)電場(chǎng)電極3、用于檢測(cè)溶液中離子濃度的測(cè)離子濃度電極12。為了和前述的膜內(nèi)測(cè)量電極3、4和12配合使用，在細(xì)胞膜2外還相應(yīng)設(shè)有膜外測(cè)量電極8。膜外測(cè)量電極8可只有一個(gè)，也可設(shè)多個(gè)以便同時(shí)和多個(gè)膜內(nèi)測(cè)量電極配合使用。如圖1和圖2所示，膜內(nèi)測(cè)量電極3、4和12可以分別包埋在不同的支架10內(nèi)，電極的一端從支架10的端部露出并緊貼著細(xì)胞膜2。
應(yīng)當(dāng)理解，這里雖然將膜內(nèi)測(cè)量電極按照其用途分為測(cè)溫電極4、測(cè)電場(chǎng)電極3和離子濃度電極12，但是這些電極的結(jié)構(gòu)都是相同的，它們的用途是可以互換的，甚至這些電極也可用于同一種用途。也就是說(shuō)，一個(gè)膜內(nèi)測(cè)量電極可用來(lái)測(cè)量一個(gè)物理量，也可以利用一個(gè)電極同時(shí)測(cè)量幾個(gè)物理量，例如測(cè)溫電極4和測(cè)離子濃度電極12可以共用一個(gè)電極，還利用幾個(gè)膜內(nèi)測(cè)量電極同時(shí)測(cè)量同一個(gè)物理量，以提高可靠性，也可以取多點(diǎn)的平均值作為最后測(cè)量值。膜內(nèi)測(cè)量電極3、4、12和膜外測(cè)量電極8可采用銀電極、鉑電極或者銅電極。
如圖1和圖2所示，膜內(nèi)測(cè)量電極3、4、12優(yōu)選分別被包埋在支架10內(nèi)，這些電極在支架10與細(xì)胞膜2連接的地方露出來(lái)以便和細(xì)胞膜2接觸。
在圖1和圖2中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)溶液中氧濃度的測(cè)量，本實(shí)用新型的傳感器還特別提供了銀陽(yáng)極5和鉑陰極6作為探測(cè)元件。鉑陰極6采用與膜內(nèi)測(cè)量電極3、4、12一樣的方式包埋在支架內(nèi)，而銀陽(yáng)極5則纏繞在鉑陰極6所在支架的外表面。此時(shí)，外殼20應(yīng)為多孔殼體，以利于氧氣滲透而被檢測(cè)到。
在圖1和圖2中，為了實(shí)現(xiàn)壓力的測(cè)量，本實(shí)用新型的傳感器進(jìn)一步提供光纖束7作為探測(cè)元件。光纖束7也包埋在一個(gè)支架10內(nèi)，光纖束7的受光面正對(duì)并緊貼細(xì)胞膜2。光纖束7由接收光纖束15和發(fā)射光纖束16組成，這一點(diǎn)在圖3中看得更清楚。
如圖1和圖2所示，為了將傳感器內(nèi)的各種探測(cè)元件與傳感器外部的信號(hào)接收和測(cè)量設(shè)備(圖中未示出)相連接，在本實(shí)用新型的傳感器提供了一個(gè)空心管路1，該管路1穿過(guò)外殼20和細(xì)胞膜2延伸到第一腔體18內(nèi)。如圖3所示，測(cè)溫電極4、測(cè)電場(chǎng)電極3、測(cè)離子濃度電極12、銀陽(yáng)極5、鉑陰極6和膜外測(cè)量電極8的電極引線14通過(guò)空心管路1延伸至傳感器外部，以便和傳感器外部的電學(xué)設(shè)備(未示出)連接。接收光纖束15和發(fā)射光纖束16也通過(guò)空心管路1延伸至傳感器外部，分別與光探測(cè)器(未示出)和輸入光源(未示出)連接。另外，細(xì)胞膜2和外殼20的相對(duì)位置也可通過(guò)空心管路1固定，可以調(diào)節(jié)空心管路1使細(xì)胞膜2和外殼20為同心球體，空心管路1與細(xì)胞膜2和外殼20分別在它們連接的地方粘接固定。
本實(shí)用新型的傳感器在進(jìn)行一些物理量的測(cè)量時(shí)，需要在第一腔體18和第二腔體21內(nèi)注入不同的溶液，以構(gòu)成細(xì)胞膜2兩側(cè)不同的環(huán)境。如圖1所示，外殼20上設(shè)有一溶液的進(jìn)出口22，以便向第二腔體21內(nèi)注入溶液，一般來(lái)說(shuō)該溶液為被測(cè)溶液。在圖3中可看出，在空心管路1還設(shè)有一個(gè)與其同方向延伸的進(jìn)/排液管19，以便向第一腔體18內(nèi)注入溶液，一般來(lái)說(shuō)該溶液為參比溶液，例如0.5Mol/L的KCl溶液，也可以是其他電解溶液，還可以選擇正常細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)。
如圖4所示，為了增加細(xì)胞膜2的比表面積，可在其表面設(shè)置多個(gè)褶皺結(jié)構(gòu)的延伸表面17，以提高傳感器的靈敏度和響應(yīng)速度。這些褶皺結(jié)構(gòu)的功能類似傳熱器中肋片的作用。延伸表面17選用與細(xì)胞膜2相同的材料制成，可以選擇規(guī)則的圓柱體或者長(zhǎng)方體也可以選擇不規(guī)則的形狀，并與細(xì)胞膜2一體成形。
此外，本實(shí)用新型的傳感器還提供備用電極11，以便進(jìn)行根據(jù)細(xì)胞膜2的其他性質(zhì)進(jìn)行其他物理量的測(cè)量，擴(kuò)展傳感器的功能。
本實(shí)用新型的細(xì)胞傳感器可采用如下步驟加工(1)先截取6～100根銀或者鉑或者銅絲作為各種膜內(nèi)測(cè)量電極。
(2)在銀或者鉑或者銅絲外面澆注塑料、橡膠或者合成材料制成多個(gè)支架10，其中一個(gè)支架10內(nèi)的電極為鉑作為鉑陰極6，其中另一個(gè)支架內(nèi)按照一定規(guī)律包埋光纖作為接收光纖束15和發(fā)射光纖束16。
(3)在埋有鉑陰極6的支架外面纏繞銀絲作為銀陽(yáng)極5。
(4)在引線孔1中間放入進(jìn)/排液管19。
(5)按照設(shè)計(jì)的傳感器形狀粘接固定各個(gè)支架10，使他們的頂端包絡(luò)面成為球形，并將各個(gè)電極的引線14以及接收光纖束15和發(fā)射光纖束16按照一定的空間分布穿入引線孔1。
(6)包絡(luò)面上布置比較密集的電極，然后浸入水中凍結(jié)形成冰塊。修剪冰塊使之形成球體狀，冰球的半徑小于支架10的長(zhǎng)度，以保證細(xì)胞膜2形成后各個(gè)支架10膜內(nèi)測(cè)量電極能緊帖細(xì)胞膜2的內(nèi)表面。將由乙基乙烯和環(huán)氧乙烷制得的聚合物涂覆在冰球上，并將其浸在糖溶液中，然后迅速改變包絡(luò)面上電極電流方向，使帶微量電荷的聚合物分子向離開包絡(luò)面上電極的方向形成雙分子層，最終與冰球斷開形成細(xì)胞膜2。冰球融化后抽出預(yù)先布置在包絡(luò)面上的電極即可。如果需要制作延伸表面17可以在細(xì)胞膜2的外側(cè)布置相同的電極利用同樣的原理制作延伸表面17，如不需要延伸表面17也可以，制作的材料也可以選擇其他化合物。
(7)在球形傳感器形成以后，在外壁面上粘接1～100個(gè)膜外電極8，電極材料可選擇銀或者鉑或者銅絲，推薦抗腐蝕的金屬材料。
(8)利用塑料、橡膠等非金屬材料制成空腔球殼、空腔長(zhǎng)方體或者其他規(guī)則和不規(guī)則形狀的外殼20。
(9)如果需要制成微傳感器陣列，可利用MEMS技術(shù)把多個(gè)傳感器封裝在同一芯片上，這樣的微傳感器陣列可用于測(cè)量各個(gè)物理量的空間分布。
本實(shí)用新型的細(xì)胞傳感器可利用細(xì)胞膜2在不同激勵(lì)條件下表現(xiàn)出的不同特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種物理量的測(cè)量。本實(shí)用新型所實(shí)現(xiàn)的測(cè)量物理量也不僅限于對(duì)溫度、壓力、電場(chǎng)強(qiáng)度、氧及各種離子濃度的測(cè)量，為簡(jiǎn)單起見，如下僅以測(cè)量上述物理量為例闡述本實(shí)用新型的細(xì)胞傳感器的測(cè)量原理。
1)溫度測(cè)量溫度測(cè)量利用細(xì)胞膜2的電阻對(duì)溫度的依賴關(guān)系，將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電量，用測(cè)溫電極4和膜外測(cè)量電極8檢測(cè)細(xì)胞膜2的電阻，用以檢測(cè)表征細(xì)胞膜2周圍介質(zhì)的溫度。例如可采用的最簡(jiǎn)單的電阻隨溫度變化的關(guān)系式為R＝R0+αT其中，R0為細(xì)胞膜2在某一特定溫度下的的電阻，T為溫度，α為溫度系數(shù)。實(shí)際的細(xì)胞膜2電阻R隨溫度變化的關(guān)系可能比上式要復(fù)雜的多，而且針對(duì)不同的細(xì)胞膜，其電阻隨溫度變化的關(guān)系式也不一樣，但可以根據(jù)具體的細(xì)胞膜預(yù)先標(biāo)定。
2)壓力測(cè)量當(dāng)細(xì)胞膜2受壓力作用后，它的光散射特性發(fā)生變化。利用光纖束7承擔(dān)傳入、傳出光線的作用，發(fā)射光纖束16將入射光傳遞到細(xì)胞膜2的內(nèi)表面，接收光纖束15將細(xì)胞膜2內(nèi)表面的光線傳輸至傳感器外部的探測(cè)器。若輸入光源功率一定，細(xì)胞膜2受壓力作用后使得反射光的光通量改變，也就是說(shuō)，壓力的大小由反射光的強(qiáng)弱來(lái)代表，因此反射光的不同量值反映不同的受力程度。使用光探測(cè)器接受反射光并再進(jìn)行一次換能，即可得到相對(duì)應(yīng)的電壓或電流輸出。
3)電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量是用測(cè)電場(chǎng)電極3和膜外測(cè)量電極8測(cè)量細(xì)胞膜2兩側(cè)的電勢(shì)來(lái)計(jì)算其周圍電場(chǎng)的強(qiáng)度。電磁場(chǎng)入射到組織細(xì)胞時(shí)細(xì)胞膜扮演了很重要的角色，已經(jīng)有很多的文獻(xiàn)對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了研究，并給出了細(xì)胞膜上的電勢(shì)峰值Vm精確的理論解Vm=1.5Er01+(ωδ)2]]>式中，δ是時(shí)間常數(shù)，表述為δ=r0Cm(ρ4+12ρ2)]]>這里，r0是細(xì)胞的半徑；ρ2為周圍物質(zhì)的電阻率；ρ4為細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的電阻率；Cm為細(xì)胞膜單位平方厘米上的電容，E為被測(cè)電場(chǎng)。在已知細(xì)胞膜2和周圍介質(zhì)的上述物性情況下，通過(guò)測(cè)電場(chǎng)電極3和膜外電極8測(cè)得細(xì)胞膜2上的電勢(shì)峰值Vm，就可得到被測(cè)電場(chǎng)EE=Vm1+(ωδ)21.5r0]]>如果被測(cè)電場(chǎng)是靜電場(chǎng)，則細(xì)胞膜2兩側(cè)的電勢(shì)精確的理論解簡(jiǎn)化為Vm＝1.5Er0被測(cè)電場(chǎng)E相應(yīng)的由下式求得E=Vm1.5r0]]>4)溶液中氧濃度測(cè)量隨著生命科學(xué)的發(fā)展，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)參與生理活動(dòng)的氧參數(shù)甚感興趣，希望實(shí)現(xiàn)對(duì)活體微區(qū)連續(xù)、跟蹤監(jiān)測(cè)。極譜隔膜式氧電極由于其物美價(jià)廉的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。它是將鉑電極與Ag/AgCl電極都放在參比液內(nèi)并用透氧膜與被測(cè)溶液隔開來(lái)構(gòu)成的。被測(cè)溶液中的氧通過(guò)透氧膜擴(kuò)散進(jìn)入膜內(nèi)電解質(zhì)薄層，然后再擴(kuò)散到鉑電極的表面上電解還原產(chǎn)生電流。在本實(shí)用新型的細(xì)胞傳感器中，在第一腔體18內(nèi)充滿例如0.5Mol/L的KCl電解液，在第二腔體21內(nèi)充滿被測(cè)溶液。在當(dāng)在銀陽(yáng)極5和鉑陰極6之間加一個(gè)極化電壓Ej時(shí)，被測(cè)溶液中的氧透過(guò)對(duì)氧敏感的細(xì)胞膜2，在鉑陰極6上電解還原產(chǎn)生電流，該電流的大小與氧氣濃度成正比，反應(yīng)過(guò)程為
鉑陰極6銀陽(yáng)極5通過(guò)通過(guò)銀陽(yáng)極5和鉑陰極6的電流，即可獲得被測(cè)溶液中的氧濃度。
5)溶液中離子濃度測(cè)量在在第一腔體18內(nèi)充滿參比溶液，在第二腔體21內(nèi)充滿被測(cè)溶液。當(dāng)作為相界面的細(xì)胞膜2上的交換和擴(kuò)散達(dá)到平衡時(shí)，細(xì)胞膜2的靜息膜電位可以表示為V0=RT*nFlnc1c2]]>式中，R為普適氣體常數(shù)(＝8.31J/mol.K)；T*為細(xì)胞膜2的絕對(duì)溫度(K)；n為離子化合價(jià)；F為法拉第常數(shù)(＝9.65×104C·mol-1)；c1和c2分別為細(xì)胞膜2兩側(cè)的參比溶液和被測(cè)溶液的離子濃度。本實(shí)用新型的細(xì)胞傳感器中的測(cè)離子濃度電極12和其中一個(gè)膜外電極8測(cè)量細(xì)胞膜兩側(cè)由于離子遷移而引起的電位變化，即可根據(jù)前述關(guān)系式獲得被測(cè)溶液中的離子濃度。
權(quán)利要求1.一種細(xì)胞傳感器，其特征在于，該傳感器包括一細(xì)胞膜，該細(xì)胞膜的內(nèi)表面限定了一第一腔體；多個(gè)設(shè)于第一腔體內(nèi)用于支撐所述細(xì)胞膜的支架；包圍所述細(xì)胞膜設(shè)置的外殼，該外殼與細(xì)胞膜之間限定一第二腔體；用于檢測(cè)物理量的探測(cè)元件，布置在所述第一腔體和/或第二腔體內(nèi)；一空心管路，該空心管路將第一腔體與外殼的外部相連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的細(xì)胞傳感器，其特征在于，所述探測(cè)元件包括布置在第一腔體內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)膜內(nèi)測(cè)量電極，所述膜內(nèi)測(cè)量電極的電極引線通過(guò)所述空心管路引出至外殼的外部；布置在第二腔體內(nèi)和膜內(nèi)測(cè)量電極配合使用的一個(gè)或多個(gè)膜外測(cè)量電極，所述膜外測(cè)量電極的電極引線通過(guò)所述空心管路引出至外殼的外部。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的細(xì)胞傳感器，其特征在于，每個(gè)膜內(nèi)測(cè)量電極分別包埋在一個(gè)支架內(nèi)，其一端暴露于支架的端部并緊貼所述細(xì)胞膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的細(xì)胞傳感器，其特征在于，所述探測(cè)元件包括布置在用于檢測(cè)溶液中氧濃度的鉑陰極和銀陽(yáng)極，所述鉑陰極和銀陽(yáng)極的電極引線通過(guò)所述空心管路引出至外殼的外部。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的細(xì)胞傳感器，其特征在于，所述鉑陰極包埋在支架內(nèi)，其一端暴露于支架的端部并緊貼所述細(xì)胞膜，所述銀陽(yáng)極纏繞在該支架外表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的細(xì)胞傳感器，其特征在于，所述探測(cè)元件包括布置在第一腔體內(nèi)的光纖束，該光纖束的受光面正對(duì)所述細(xì)胞膜；所述光纖束包括混合在一起的發(fā)射光纖束和接受光纖束；所述光纖束的一端通過(guò)所述空心管路引出至外殼的外部。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的細(xì)胞傳感器，其特征在于，所述光纖束包埋在一個(gè)支架內(nèi)，該光纖束的受光面暴露于該支架的端部。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的細(xì)胞傳感器，其特征在于，還包括一個(gè)用于向所述第一腔體內(nèi)注入和排出溶液的進(jìn)/排液管，該進(jìn)/排液管位于所述空心管路內(nèi)部；還包括一個(gè)用于向所述第二腔體內(nèi)注入和排出溶液的進(jìn)出口，第二腔體通過(guò)該進(jìn)出口與所述外殼的外部相連通。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的細(xì)胞傳感器，其特征在于，所述細(xì)胞膜為人工細(xì)胞膜或天然細(xì)胞膜。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的細(xì)胞傳感器，其特征在于，所述細(xì)胞膜帶有多個(gè)褶皺結(jié)構(gòu)的延伸表面。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種細(xì)胞傳感器，包括一細(xì)胞膜，該細(xì)胞膜的內(nèi)表面限定了一第一腔體；多個(gè)設(shè)于第一腔體內(nèi)用于支撐所述細(xì)胞膜的支架；包圍所述細(xì)胞膜設(shè)置的外殼，該外殼與細(xì)胞膜之間限定一第二腔體；用于檢測(cè)物理量的探測(cè)元件，布置在所述第一腔體和/或第二腔體內(nèi)；一空心管路，該空心管路將第一腔體與外殼的外部相連通。本實(shí)用新型的細(xì)胞傳感器只使用一個(gè)細(xì)胞膜，其結(jié)構(gòu)適于設(shè)置多個(gè)或多種探測(cè)元件，利用細(xì)胞膜對(duì)多種外界信號(hào)的敏感性實(shí)現(xiàn)多種物理量的測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)傳感器的多種功能。本實(shí)用新型的細(xì)胞傳感器能達(dá)到高效、快速的測(cè)量，而且可靠性高、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。
文檔編號(hào)G01N27/26GK2677926SQ200320130379
公開日2005年2月9日 申請(qǐng)日期2003年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月26日
發(fā)明者劉靜, 呂永鋼 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所