一种利用超声脉冲动电研究细胞介电特性的方法

摘要

本发明公开了一种利用超声脉冲动电研究细胞介电特性的方法，该方法首先建立细胞单元模型，再配置细胞悬液，然后检测细胞振动电流CVI，在检测细胞振动电流时，本发明使角频率为ω的超声脉冲分别作用在细胞悬液和生理盐水上，检测细胞悬液中的电流总和TVI以及生理盐水中的离子振动电流；然后计算细胞振动电流，最后根据检测结果分析细胞介电特性。本发明的利用超声脉冲动电研究细胞介电特性的方法利用超声对细胞的作用，实现对细胞介电特性进行研究，能够精确检测细胞的表面电荷变化，从而实现实时研究细胞的超声生物效应的目的，并且实现本发明方法的装置结构简单，该方法重复性好，对细胞没有任何损伤。

主权项

1.一种利用超声脉冲动电研究细胞介电特性的方法，其特征在于，包括以下步骤：1）建立细胞单元模型假设直径为a，并且表面均匀分布着负电荷的细胞被厚度为d的离子可通透聚合物电解质双电层包裹着，将这个整体称为一个细胞单元，该细胞单元被描述为一个内径为a，外径为b=a+d的球状软胶粒；假设细胞单元模型是化合价为Z的固定电荷集合体，其外层均匀分布着密度为N的双电层；2）配置细胞悬液将新鲜血浆经过离心处理后，与生理盐水混合配制成细胞悬液；3）检测细胞振动电流CVI使角频率为ω的超声脉冲分别作用在细胞悬液和生理盐水上，检测细胞悬液中的电流总和TVI以及生理盐水中的离子振动电流IVI；根据下式计算细胞振动电流CVI：TVI=IVI+CVI；                              （1）4）分析细胞介电特性根据胶体动电理论，计算细胞的动态电泳迁移率μ(ω)，再根据动态电泳迁移率μ(ω)与细胞双电层电位之间的关系，得到细胞双电层的Donnan电位Ψ_DON以及细胞双电层和生理盐水溶液交界边沿的电位Ψ_O；按照以下公式计算细胞的动态电泳迁移率μ(ω)：$\mathrm{IVI}=\frac{\mathrm{zen}}{{\rho }_0}(\frac{m_{+}-{\rho }_0{V}_{+}}{{\lambda }_{+}}-\frac{m_{-}-{\rho }_0{V}_{-}}{{\lambda }_{-}})\mathrm{\Delta P}---\left(2\right)$公式（2）中，z是电解液中元素的化合价，e是单位电荷电量，n是生理盐水中电解质浓度，ρ₀是生理盐水的浓度，m₊,V₊分别为生理盐水中阳离子的质量和化合价，m_-,V_-分别为生理盐水中阴离子的质量和化合价，ΔP是生理盐水的电导率；公式（3）中，是细胞个体的体积分数，是细胞双电层的体积分数，ρ_c和ρ_s分别为细胞和双电层的质量密度；公式（2）中正负离子的牵引系数λ₊和λ_-分别和相应的正负离子极限电导和相关，根据下式计算：${\lambda }_{\pm }=\frac{N_A{e}^{2}z}{{\Lambda }_{\pm }^0}---\left(4\right)$公式（4）中N_A是阿伏加德罗常数，根据以上公式得到细胞的动态电泳迁移率μ(ω)；按照以下公式计算细胞双电层的Donnan电位Ψ_DON以及细胞双电层和生理盐水溶液交界边沿的电位Ψ₀：$\mu \left(\omega \right)=\frac{2{ϵ}_r{ϵ}_0}{3\eta }\left[\frac{1-\mathrm{i\gamma b}}{1-\mathrm{i\gamma b}-({\gamma }^2{b}^2/3)-\Gamma }\right](1+\frac{a^3}{2b^3})$$\times \left[\frac{{\Psi }_0/{\kappa }_m+{\Psi }_{\mathrm{DON}}/\beta }{1/{\kappa }_m+1/\beta }\right]$$+\left[\frac{1-\mathrm{i\gamma b}-({\gamma }^2{b}^2/3)(1-a^3/b^3)}{1-\mathrm{i\gamma b}-({\gamma }^2{b}^2/3)-\Gamma }\right]\frac{\mathrm{ZeN}}{\eta {\beta }^2}---\left(5\right)$其中：${\Psi }_{\mathrm{DON}}=\frac{\mathrm{kT}}{\mathrm{ze}}\ln [\frac{\mathrm{ZN}}{2\mathrm{zn}}+{\{{\left(\frac{\mathrm{ZN}}{2\mathrm{zn}}\right)}^2+1\}}^{1/2}]---\left(6\right)$${\Psi }_0=\frac{\mathrm{kT}}{\mathrm{ze}}\left(\ln \right[\frac{\mathrm{ZN}}{2\mathrm{zn}}+{\{{\left(\frac{\mathrm{ZN}}{2\mathrm{zn}}\right)}^2+1\}}^{1/2}]$$+\frac{2\mathrm{zn}}{\mathrm{ZN}}[1-{\{{\left(\frac{\mathrm{ZN}}{2\mathrm{zn}}\right)}^2+1\}}^{1/2}])---\left(7\right)$${\kappa }_m=\kappa {[1+{\left(\frac{\mathrm{ZN}}{2\mathrm{zn}}\right)}^2]}^{1/4}---\left(8\right)$$\kappa ={\left(\frac{2z^2{e}^{2}n}{{ϵ}_r{ϵ}_0\mathrm{kT}}\right)}^{1/2}---\left(9\right)$$\lambda ={\left(\frac{\upsilon }{\eta }\right)}^{1/2}---\left(10\right)$$\gamma =(1+i)\sqrt{\frac{\omega {\rho }_0}{2\eta }}---\left(11\right)$$\beta =\lambda \sqrt{1-{\left(\frac{\gamma }{\lambda }\right)}^2}---\left(12\right)$$\Gamma =\frac{{\gamma }^2[V_c({\rho }_c-{\rho }_0)+V_s({\rho }_s-{\rho }_0)]}{6\mathrm{\pi b}{\rho }_0}---\left(13\right)$$f_c={\left(\frac{a}{b}\right)}^3---\left(14\right)$$f_s=\frac{V_s}{4\pi b^3/3}---\left(15\right)$以上各公式中ε_r是生理盐水的相对介电常数，ε₀是真空介电常数，η是生理盐水的粘度，i是虚数单位，ω是检测超声波角频率，υ是细胞双电层与生理盐水之间的摩擦系数，n是生理盐水中电解质浓度，k是波尔兹曼常数，T是绝对温度，κ是Debye-Hückel参数，κ_m是细胞双电层的Debye-Hückel参数，V_c是细胞个体的体积，V_s是包裹着细胞双电层的细胞单元的整个体积。