一种定量测量细胞吞噬纳米颗粒的系统.pdf

本发明公开了一种定量测量细胞吞噬纳米颗粒的系统，包括：细胞培养装置，中部设置有凹槽，凹槽上安放有培养皿，细胞培养装置的上部固定有显微镜，细胞培养装置内还设置有CO2传感器、加热板、温湿度传感器和LCD显示屏；磁场发生装置，包括亥姆霍兹线圈和控制单元，用于产生直流磁场和交变磁场；GMR传感器及测量电路，所述GMR传感器用于检测细胞培养装置中磁性纳米粒子运动产生而导致的磁场变化；本发明能够实时展现细胞吞噬纳米粒子的过程，可以进一步给出促进细胞吞噬的指导方向，更好地发挥肿瘤治疗等效果；此本发明将GMR传感器和智能化的细胞培养装置创造性结合，能够同时实现细胞培养环境的控制和吞噬过程的观测，具有重要的实用价值。

1.  一种定量测量细胞吞噬纳米颗粒的系统，其特征在于，包括：
细胞培养装置，中部设置有凹槽，凹槽上安放有培养皿，细胞培养装置的上部固定有显微镜，细胞培养装置内还设置有CO₂传感器、加热板、温湿度传感器和LCD显示屏；
磁场发生装置，包括亥姆霍兹线圈和控制单元，用于产生直流磁场和交变磁场；
GMR传感器及测量电路，所述GMR传感器用于检测细胞培养装置中磁性纳米粒子运动产生而导致的磁场变化；所述测量电路包括信号初级放大电路、信号调制电路、滤波器、数模转换电路和显示电路；其中，所述信号初级放大电路采用AD8429，所述信号调制电路采用AD630，所述滤波器包括AD8599，所述数模转换电路采用AD7606；
所述培养皿中培养的细胞附着于固定层，培养皿中的纳米颗粒在交变磁场的作用下磁化，当细胞吞噬磁化的纳米粒子时，纳米粒子的运动产生磁信号，GMR检测该信号并将其转化为电信号，最后通过测量电路将信号提取、放大和去噪。

2.  如权利要求1所述的定量测量细胞吞噬纳米颗粒的系统，其特征在于，所述AD8429的增益范围为1至10000。

3.  如权利要求1所述的定量测量细胞吞噬纳米颗粒的系统，其特征在于，所述AD630包括两个前置放大器、一个精密比较器、一个作为多路选择开关以及输出积分放大器。

4.  如权利要求1所述的定量测量细胞吞噬纳米颗粒的系统，其特征在于，所述AD8599与带通滤波器连接。

5.  如权利要求1所述的定量测量细胞吞噬纳米颗粒的系统，其特征在于，所述AD7606包括模拟输入箝位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、16位电荷再分配逐次逼近型ADC、灵活的数字滤波器、2.5V基准电压源、基准电压缓冲以及高速串行和并行接口。

6.  如权利要求5所述的定量测量细胞吞噬纳米颗粒的系统，其特征在于，所述AD7606模块控制由FPGA完成，采用字节读取模式。

一种定量测量细胞吞噬纳米颗粒的系统
技术领域
本发明涉及医学检测领域，尤其是一种定量测量细胞吞噬纳米颗粒的系统。
背景技术
恶性肿瘤是危害人类的生命健康的主要的疾病之一，近些年来随着生活环境的污染、人口的老龄化和人们工作生活的压力越来越严重，恶性肿瘤的发病率有上升的趋势。转移侵袭性是恶性肿瘤最显著的特征之一，是导致癌症患者死亡的根本原因，因肿瘤转移致死的病例大约占恶性肿瘤患者的绝大多数。就目前的研究来看，很难完全解释肿瘤转移机制，且暂无有效的措施可以加以阻止，医学上对癌细胞的治疗也没有很强的目的性。因此医学上需要将肿瘤转移机制研究和肿瘤早期诊断和治疗相结合，才可能有助于缓解和应对当前恶性肿瘤致命性这一难题。在临床实践的过程中发现，提高肿瘤的早期诊断是提高患者5年生存率的关键所在。
分子生物检查诊断需要找出对早期诊断有重要意义的分子标志物，经研究发现MIM蛋白和肿瘤的转移有着密切的关系，可以在恶性肿瘤领域中作为早期诊断标记物进行开发。MIM蛋白是重要的膜调控蛋白，与细胞的运动性、伪足形成及吞噬有关。而细胞对磁性纳米颗粒的吞噬和细胞膜的形态和运动密切相关，纳米颗粒与细胞的相互作用具有重要的生物医学意义，而其中纳米颗粒与细胞膜的作用就是实验和模拟研究的热点之一。
发明内容
发明目的：一个目的是提供一种定量测量细胞吞噬纳米颗粒的系统，以解决现有技术存在的上述问题。
技术方案：一种定量测量细胞吞噬纳米颗粒的系统，包括：
细胞培养装置，中部设置有凹槽，凹槽上安放有培养皿，细胞培养装置的上部固定有显微镜，细胞培养装置内还设置有CO₂传感器、加热板、温湿度传感器和LCD显示屏；
磁场发生装置，包括亥姆霍兹线圈和控制单元，用于产生直流磁场和交变磁场；
GMR传感器及测量电路，所述GMR传感器用于检测细胞培养装置中磁性纳米粒子运动产生而导致的磁场变化；所述测量电路包括信号初级放大电路、信号调制电路、滤波器、数模转换电路和显示电路；其中，所述信号初级放大电路采用AD8429，所述信号调制电路采用AD630，所述滤波器包括AD8599，所述数模转换电路采用AD7606；
所述培养皿中培养的细胞附着于固定层，培养皿中的纳米颗粒在交变磁场的作用下磁化，当细胞吞噬磁化的纳米粒子时，纳米粒子的运动产生磁信号，GMR检测该信号并将其转化为电信号，最后通过测量电路将信号提取、放大和去噪。
在进一步的实施例中，所述AD8429的增益范围为1至10000。所述AD630包括两个前置放大器、一个精密比较器、一个作为多路选择开关以及输出积分放大器。所述AD8599与带通滤波器连接。所述AD7606包括模拟输入箝位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、16位电荷再分配逐次逼近型ADC、灵活的数字滤波器、2.5V基准电压源、基准电压缓冲以及高速串行和并行接口。所述AD7606模块控制由FPGA完成，采用字节读取模式。
有益效果：
1. 本发明可实现无损定量检测，通过GMR传感器的探头将磁信号转换为电信号，并且配合显微镜等观察装置可以实现动态监测。
2. 本发明首次将GMR传感器和小型细胞培养装置结合起来，用于细胞水平的检测。而且监测细胞吞噬磁性纳米颗粒的动态过程，可以用来分析细胞吞噬的机制，更可以进一步给出促进细胞吞噬的指导方向，促进细胞吞噬更多，更好地发挥肿瘤治疗等效果。
3. 本发明智能化的小型细胞培养系统，细胞培养的环境十分严格。其培养系统，则通过传感器对CO2和温湿度进行实时监控，并自动进行反馈调节，还有远程报警装置，实现多平台的通信，即时知异常情况。
4. 本发明作为一个无损定量检测的实验仪器，它可以为磁性纳米颗粒的细胞水平研究提供一个高效的检测平台。这对磁性纳米颗粒的医疗应用具有十分重要的意义，对肿瘤治疗、成像检测都具有指导意义。能够极大地提高细胞水平的磁性纳米颗粒检测效率，并将提供实时动态的吞噬数据。甚至更进一步，像研究雾霾这种空气污染物中纳米颗粒与细胞的作用，也有望通过本发明的实验仪器改进得到检测。故本发明在基础科研领域，以及医疗应用领域都有着重要的实用价值。
附图说明
图1是本发明定量测量细胞吞噬纳米颗粒的系统的结构示意图。
图2是本发明测量电路的结构框图。
图3是本发明的控制电路框图。
图4是本发明初级放大电路的结构示意图。
图5和图6分别是本发明带通滤波器和抗混叠滤波器的示意图。
图7是本发明信号调制电路的结构示意图。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，本发明的定量测量细胞吞噬纳米颗粒的系统，主要包括：
细胞培养装置1，中部设置有凹槽，凹槽上安放有培养皿，细胞培养装置的上部固定有显微镜12，细胞培养装置内还设置有CO₂传感器、加热板、温湿度传感器和LCD显示屏；
磁场发生装置，包括亥姆霍兹线圈和控制单元，用于产生直流磁场和交变磁场；
GMR传感器及测量电路，所述GMR传感器用于检测细胞培养装置中磁性纳米粒子运动产生而导致的磁场变化；所述测量电路包括信号初级放大电路、信号调制电路、滤波器、数模转换电路和显示电路；其中，所述信号初级放大电路采用AD8429，所述信号调制电路采用AD630，所述滤波器包括AD8599，所述数模转换电路采用AD7606；
所述培养皿中培养的细胞102附着于固定层11，培养皿中的纳米颗粒在交变磁场的作用下磁化，当细胞吞噬磁化的纳米粒子时，纳米粒子101的运动产生磁信号，系统监测探头2上设置的GMR传感器21检测该信号并将其转化为电信号，最后通过测量电路将信号提取、放大和去噪，送入FPGA中进行处理。
如图4所示，信号的初级放大选用亚德诺公司的AD8429芯片。AD8429是一款超低噪声仪表放大器，设计用于在宽温度范围（?40°C至+125°C）内测量极小信号。AD8429擅长测量微小信号，可提供1 nV/√Hz的超低输入噪声性能。AD8429具有高共模抑制比(CMRR)，可防止干扰信号破坏数据采集。CMRR随着增益提高而提高，能够在最需要的时候提供高抑制性能。AD8429采用高性能引脚配置，在远高于典型仪表放大器的频率下，仍能够可靠地保持高CMRR性能。AD8429能够可靠地放大快速变化的信号，其电流反馈架构能够在高增益时提供高带宽，例如，G = 100时的带宽为1.2 MHz。设计中还包括用于改善大输入电压瞬变后的建立时间的电路。AD8429具有出色的失真性能，能够用在振动分析等要求苛刻的应用中。
AD8429的增益通过单个电阻设置，增益范围为1至10000。可以利用参考引脚使输出电压偏移，与单电源信号链接口时，可以利用这一特性转换输出电平。本次设计中，前置放大为10倍，根据数据手册提供的增益公式： ，选择 的电阻。
如图5和图6所示：考虑引入噪声最小，选用AD8599芯片来进行滤波器的设计。从自旋阀GMR传感器输出的信号中除了特定频率的有用信号外，还包含其它频率的噪声。尽管相关检测电路能很好的滤波，但是，在输入信号进入相关器之前，用一个带通滤波器对输入信号中幅值很大的高频和低频噪声成分滤除掉，能更好的避免相关器受到噪声冲击的干扰。本实施例中设计的带通滤波器的中心频率为1KHz，通频带宽为200Hz。
信号调制完成后需要输入到ADC中进行采样，这里需要使用一个低通滤波器，一方面是用于采样的抗混叠，另一方面则是对信号进行初步的滤波以求获得更好的相关滤波效果。该滤波器的截止频率设定为低于50Hz，可以有效地抑制工频干扰。
如图7所示，相关运算电路主要包括相关解调电路，实现待测信号与参考信号的相关运算，相当于乘法器的功能本次设计采用的是AD630芯片。其内部主要集成了两个前置放大器、一个精密比较器、一个作为多路选择开关以及输出积分放大器。前置放大器的AMP A和AMP B分别配置为同相放大和反相放大。精密比较器COMP驱动选择开关连接A端或者B端。A、B通道之间的隔离度超过100dB，分时进行工作。A、B两通道的增益为1:1的关系，因此AD630芯片很适合用于相关检测电路中。
AD7606是16位、8通道同步采样模数数据采集系统(DAS)。这些器件内置模拟输入箝位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、16位电荷再分配逐次逼近型ADC、灵活的数字滤波器、2.5V基准电压源、基准电压缓冲以及高速串行和并行接口。
AD7606采用5V单电源供电，可以处理±10V和±5V真双极性输入信号，同时所有通道均能以高达200 kSPS的吞吐速率采样。输入箝位保护电路可以耐受最高达±16.5V的电压。无论以何种采样频率工作，AD7606的模拟输入阻抗均为1 MΩ。它采用单电源工作方式，具有片内滤波和高输入阻抗，因此无需驱动运算放大器和外部双极性电源。AD7606抗混叠滤波器的3 dB截止频率为22 kHz；当采样速率为200 ksps时，它具有40 dB抗混叠抑制特性。灵活的数字滤波器采用引脚驱动，可以改善信噪比(SNR)，并降低3 dB带宽。
AD7606模块控制由FPGA完成，采用字节读取模式。项目初期采用的是制作好的AD7606模块，由FPGA控制8位并行字的方式读入数据。信号的解调模块利用了该型号FPGA所提供的乘法器IP核来完成，此处不再赘述。在之后的工作中，我们将会使用CORDIC算法进行重新编写来增强代码的可移植性。
总之，本发明采用的GMR传感器是一种较小的磁场也可以得到较大的电阻变化的材料。GMR传感器通常是将4个GMR构成恵斯登电桥结构，这种结构有助于避免外界对传感器的干扰。GMR可以检测到磁性纳米颗粒，可以通过电阻的变化来反应磁场的变化，从而定量的反应纳米颗粒的多少。磁性纳米粒子由于其超顺磁性、超小尺寸、大比表面积和体内载药动力学而在临床分子诊断、体内成像及疾病治疗等方面有越来越重要的应用，通过让磁性纳米材料携带药物到达靶细胞，从而让靶细胞吞噬磁性纳米材料，不仅可以早期的检测到癌细胞的存在，还可以有目的性的进行药物治疗。
本发明对已有GMR传感器进行改造，使其表面适合细胞生长并可以长期放置在培养细胞的实验环境中，利用GMR传感器实现对磁性纳米颗粒进入细胞过程的追踪。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。