專利名稱：一種利用超聲脈沖動電研究細胞介電特性的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于生物細胞基礎理論研究領域，是一種利用超聲脈沖動電研究細胞介電 特性的方法，該方法以超聲脈沖作為聲探針根據懸浮細胞動電理論模型從電荷層級上研究 細胞介電特性，可用于對細胞膜表面帶電特性方面的研究，尤其對超聲作用下實時研究細 胞超聲生物效應方面具有獨特的優(yōu)越性。
背景技術：
一定劑量的超聲輻照，在不同水平的生物系統(tǒng)中能造成多種的生物效應。到目前 為止，在許多種情況下，超聲生物效應的物理機制仍然很不清楚，更沒有一種合適的方法能 實時研究超聲生物效應的過程。目前，針對細胞介電特性的研究方法主要有細胞電泳法、電 化學阻抗法、膜片鉗技術等方法。細胞電泳法是在外加電場作用下，細胞依照其表面電荷、 大小、形狀的不同作特有的移動，根據細胞的電泳淌度等電動特性方面的信息來檢測細胞 膜電特性的方法，它主要存在操作較繁、所需較長時間、重復性和靈敏度較差等缺點。電化 學阻抗法是一種以小振幅的電脈動作為擾動信號的電化學阻抗測量方法；另外，它也可以 以測量范圍很寬的阻抗譜來研究電極系統(tǒng)，從而得到細胞電動力學信息，并以此來研究細 胞膜電荷特性的方法，這種方法同樣存在操作復雜、重復性和精度差等缺點。膜片鉗技術是 從一小片(約幾平方微米)膜獲取電子學方面信息的技術，即保持跨膜電壓恒定-電壓鉗 位，從而測量通過細胞膜離子電流大小的技術，這種方法雖然精度很高，但是設備昂貴、操 作復雜。另外，以上所有方法都不能在超聲作用下實時研究細胞的超聲生物效應。當一個高頻的超聲波(交變壓力場)通過一個膠體系統(tǒng)，其中膠狀顆粒的密度不 同于四周媒質的密度，懸液的振動造成的慣性力導致帶電顆粒跟隨其運動，從而造成膠粒 表面的雙電層產生變形。膠粒表面雙電層中固定層與擴散層發(fā)生相對移動，表現(xiàn)出來的ζ 電位的改變將能被外部電極檢測到，這個變化的電位叫做膠體振動電位(CVP)；同時，如果 外部電路閉合，由于超聲的通過，系統(tǒng)中將產生一個交變的電流，這個交變的電流被稱為膠 體振動電流(CVI)。同樣的電聲現(xiàn)象也會出現(xiàn)在電解質溶液中。由于溶液中陰離子和陽離 子的基團相互不同，因此在超聲的作用下它們將會產生周期性錯位，從而出現(xiàn)振動電流。這 個電流被稱為離子振動電流(IVI)。雖然對這種電聲現(xiàn)象的第一次報道是由德拜在1933年 預測提出，但是直到上世紀90年代奧·布萊恩才闡述了他的理論，從而使這種電聲技術有 了飛躍性的發(fā)展并被應用在商業(yè)設備中。動電測量方法最主要的優(yōu)點是它能測量原始不用 稀釋的濃溶液，甚至能測量容積率達到50%的溶液，這一點使它非常適合許多濃的生物系 統(tǒng)。并且在這種測量系統(tǒng)中，膠粒的大小范圍可以從IOOnm到10 μ m，這使它非常適合大小 大概為6 μ m到9 μ m的人血紅細胞。這種技術最有前途的用途就是醫(yī)用的早期診斷和實時 細胞超聲生物效應的研究，并可進一步用于單細胞特性研究的超聲成像等方面的研究。到目前為止，膠體動電理論方法的研究和應用主要在化工領域，基本上都是對膠 體懸浮顆粒ζ電位的測量，這些顆粒主要都是表面光滑的聚合物硬顆粒，然而細胞卻是 表面覆蓋著離子可通透高分子聚合物的軟顆粒。另外，在以往的膠體動電理論模型中，都是應用連續(xù)的超聲波作為振動源，不適合對生物細胞進行研究，因為在聲強大約為lOmw/cm2 時，在超聲波作用下，細胞已經開始產生超聲生物效應，造成檢測結果不準確；并且低的聲 強作用在細胞懸液中，不至于使細胞雙電層變形或變形非常弱，使檢測變得異常困難。所以 本發(fā)明中使用超聲脈沖作為聲探針，可以將單個檢測超聲脈沖能量適當增大，從而使檢測 信號增大；但是使整個超聲波平均聲強減小，以使其不會對細胞生理特性產生影響。另外， 進一步也可以通過在輻照功能性連續(xù)超聲波之中插入檢測脈沖，從而達到實時研究細胞超 聲生物效應的功能。 前，國內外只是理論上提出了離子可通透軟膠粒的模型，但是沒有提出實際細 胞懸液動電理論的相關理論模型及其實現(xiàn)方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有細胞介電特性研究方法不能在超聲作用下實時研究 細胞超聲生物效應的不足，提供一種利用超聲脈沖動電研究細胞介電特性的方法，該方法 根據細胞懸液動電理論模型，通過連續(xù)調整超聲的功能狀態(tài)，從而實現(xiàn)對超聲作用下實時 超聲生物效應的研究。該方法不但實現(xiàn)設備簡單、操作容易，而且對細胞沒有任何損傷。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來解決的這種利用超聲脈沖動電研究細胞介電特性的方法，包括以下步驟1)建立細胞單元模型假設直徑為a，并且表面均勻分布著負電荷的細胞被厚度為d的離子可通透聚合 物電解質雙電層包裹著，將這個整體稱為一個細胞單元，該細胞單元被描述為一個內徑為 a，外徑為b = a+d的球狀軟膠粒；假設細胞單元模型是化合價為Z的固定電荷集合體，其外 層均勻分布著密度為N的雙電層；2)配置細胞懸液細胞懸液是由新鮮血漿經過離心處理后，與生理鹽水混合配制成細胞試驗需要濃 度的懸液；3)檢測細胞振動電流CVI使角頻率為ω的超聲脈沖分別作用在細胞懸液和生理鹽水上，檢測細胞懸液中 的電流總和TVI以及生理鹽水中的離子振動電流IVI ；根據下式計算細胞振動電流CVI TVI = IVI+CVI ；(1)4)分析細胞介電特性根據膠體動電理論，計算細胞的動態(tài)電泳遷移率μ (ω)，再根據動態(tài)電泳遷移率 μ (ω)與細胞雙電層電位之間的關系，得到細胞雙電層的Dorman電位ΨΜ以及細胞雙電 層和生理鹽水溶液交界邊沿的電位Ψ。，從而實現(xiàn)對細胞介電特性的研究。在本發(fā)明的步驟4)中，按照以下公式計算細胞的動態(tài)電泳遷移率μ (ω) JVJ _ zen m^-p^ τη_-ρον_Λχ 1V1 --1-------
P0 A義-(2)
CVI J^Pc-Po)^siPs-Po)] μ{ω)Μ)(3)
Po
公式(2)中，ζ是電解液中元素的化合價，e是單位電荷電量，η是生理鹽水中電解 質濃度，P ^是生理鹽水的濃度，m+，V+分別為生理鹽水中陽離子的質量和化合價，m_，V_分別 為生理鹽水中陰離子的質量和化合價，Δ P是生理鹽水的電導率；公式(3)中，外是細胞個 體的體積分數，外是細胞雙電層的體積分數，P。和Ps分別為細胞和雙電層的質量密度；公式⑵中正負離子的牽引系數λ +和λ _分別和相應的正負離子極限電導Λ 和 Λ 相關，根據下式計算
,NAe2z
A = —"5~
八土⑷公式(4)中Na是阿伏加德羅常數，根據以上公式得到細胞的動態(tài)電泳遷移率 μ (ω)。此外，在本發(fā)明的步驟4)中，按照以下公式計算細胞雙電層的Dorman電位ΨΤ。Ν以 及細胞雙電層和生理鹽水溶液交界邊沿的電位Ψ<> M^) = ^L .H「](1+矣)
3η l-i/b-(/ b /3)-Γ 2b
r ,Λ^ Km+X^ DON 丨 β Λ4^--—Ζ^J
1/&+1/夕 r 1 - irb - (r2b2 / 3)(1 -α3/δ3) ZeN+[——-——-——^--]^ζ-(5)
l-irb-(r2b2/3)-Υ ηβ2J其中
lT) kT rZN (/ΖΝλ2 1ll/2lWdon =—Int7- ++1}]
ze Izn Izn(6)Ψ0=—(1η[-—+ {(-—)2+1}1/2]
ze Izn Izn
2zn ZN λ2 ” ι/2ι、+—-[1-{(^)2+1}1/2])
ZTV 2ζπ(γ)Km=K[l + Ar
(8)
O 2 2
_ 2zenV2K =(-—)
￡r￡okT(9)
3 _ 廣、1/2Λ - V-J
rI(10)r = +
V 2"(11)β = A l-(l)2
V 乂(12)
Γ=,眺-Ρθ) + Κ(Α-Ρθ)](13)
權利要求
1.一種利用超聲脈沖動電研究細胞介電特性的方法，其特征在于，包括以下步驟1)建立細胞單元模型假設直徑為a，并且表面均勻分布著負電荷的細胞被厚度為d的離子可通透聚合物電 解質雙電層包裹著，將這個整體稱為一個細胞單元，該細胞單元被描述為一個內徑為a，外 徑為b = a+d的球狀軟膠粒；假設細胞單元模型是化合價為Z的固定電荷集合體，其外層均 勻分布著密度為N的雙電層；2)配置細胞懸液將新鮮血漿經過離心處理后，與生理鹽水混合配制成細胞懸液；3)檢測細胞振動電流CVI使角頻率為ω的超聲脈沖分別作用在細胞懸液和生理鹽水上，檢測細胞懸液中的電 流總和TVI以及生理鹽水中的離子振動電流IVI ；根據下式計算細胞振動電流CVI TVI = IVI+CVI ；(1)4)分析細胞介電特性根據膠體動電理論，計算細胞的動態(tài)電泳遷移率μ (ω)，再根據動態(tài)電泳遷移率 μ (ω)與細胞雙電層電位之間的關系，得到細胞雙電層的Dorman電位ΨΜ以及細胞雙電 層和生理鹽水溶液交界邊沿的電位Ψ『
2.根據權利要求1所述的利用超聲脈沖動電研究細胞介電特性的方法，其特征在于， 步驟4)中，按照以下公式計算細胞的動態(tài)電泳遷移率μ (ω)
3.根據權利要求1或2所述的利用超聲脈沖動電研究細胞介電特性的方法，其特征在 于，步驟4)中，按照以下公式計算細胞雙電層的Dorman電位Ψ 以及細胞雙電層和生理 鹽水溶液交界邊沿的電位Ψ<>
4.根據權利要求1所述的利用超聲脈沖動電研究細胞介電特性的方法，其特征在于， 步驟3)中，根據下式
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用超聲脈沖動電研究細胞介電特性的方法，該方法首先建立細胞單元模型，再配置細胞懸液，然后檢測細胞振動電流CVI，在檢測細胞振動電流時，本發(fā)明使角頻率為ω的超聲脈沖分別作用在細胞懸液和生理鹽水上，檢測細胞懸液中的電流總和TVI以及生理鹽水中的離子振動電流；然后計算細胞振動電流，最后根據檢測結果分析細胞介電特性。本發(fā)明的利用超聲脈沖動電研究細胞介電特性的方法利用超聲對細胞的作用，實現(xiàn)對細胞介電特性進行研究，能夠精確檢測細胞的表面電荷變化，從而實現(xiàn)實時研究細胞的超聲生物效應的目的，并且實現(xiàn)本發(fā)明方法的裝置結構簡單，該方法重復性好，對細胞沒有任何損傷。
文檔編號G01R31/00GK102033173SQ201010284479
公開日2011年4月27日 申請日期2010年9月17日 優(yōu)先權日2010年9月17日
發(fā)明者張躍, 成林, 施毅周, 鐘力生 申請人:西安交通大學