阅读说明：本技术 一种用于细胞代谢热检测的开放式微纳量热计系统 (Open micro-nano calorimeter system for cell metabolism heat detection ) 是由 王舒禹 吕鑫 于 2021-07-01 设计创作，主要内容包括：一种用于细胞代谢热检测的开放式微纳量热计系统,包括热电堆传感器、样品滴定仪器、PCB电路板、数字源表及计算机；热电堆传感器内部腔室作为样品反应室,样品反应室下方为硅基板,硅基板上部设有薄膜,薄膜中心用于承放样品,样品周向薄膜上均布设有若干热电堆,热电堆依次通过PCB电路板及数字源表与计算机进行通信连接；样品反应室上方热电堆传感器外壳上设有送样口,送样口上方盖有玻璃板,玻璃板中心设有送样孔,送样孔由甘油密封；样品滴定仪器通过送样孔将样品输送至薄膜上；PCB电路板为放大电路；数字源表通过BNC接头与PCB电路板进行通信连接；计算机通过GPIB-USB-HS数据线与数字源表进行通信连接；样品反应室通过热电堆传感器外壳送样口与空气直接接触。(An open micro-nano calorimeter system for detecting cell metabolism heat comprises a thermopile sensor, a sample titration instrument, a PCB (printed circuit board), a digital source meter and a computer; the inner cavity of the thermopile sensor is used as a sample reaction chamber, a silicon substrate is arranged below the sample reaction chamber, a thin film is arranged at the upper part of the silicon substrate, the center of the thin film is used for bearing a sample, a plurality of thermopiles are uniformly distributed on the thin film on the circumference of the sample, and the thermopiles are in communication connection with a computer through a PCB (printed circuit board) and a digital source meter in sequence; a sample feeding port is arranged on a shell of the thermopile sensor above the sample reaction chamber, a glass plate is covered above the sample feeding port, a sample feeding hole is arranged in the center of the glass plate, and the sample feeding hole is sealed by glycerol; the sample titration instrument conveys a sample to the film through the sample conveying hole; the PCB circuit board is an amplifying circuit; the digital source meter is in communication connection with the PCB through a BNC connector; the computer is in communication connection with the digital source meter through a GPIB-USB-HS data line; the sample reaction chamber is directly contacted with air through a sample feeding port of the shell of the thermopile sensor.)

一种用于细胞代谢热检测的开放式微纳量热计系统

技术领域

本发明属于量热计

技术领域

，特别是涉及一种用于细胞代谢热检测的开放式微纳量热计系统。

背景技术

在过去的几十年里，通过纳米制造技术已经成功将传统的大型量热计小型化，形成了具有响应速度快和分辨率高的微纳量热计，而微纳量热计的一个重要应用，就是对细胞或微生物的代谢过程进行非侵入式的表征，用以揭示细胞代谢的未知机制或活动。

现有的微纳量热计从结构上可分为两类，一类是封闭式微纳量热计，另一类是开放式微纳量热计。对于封闭式微纳量热计来说，其使用封闭的流体腔室去输送样品，并且为了获得更高的灵敏度，有时还会将真空引入量热计系统内，这就意味着量热计系统需要高度复杂的构造，反而限制了封闭式量热计系统的推广应用。对于开放式微纳量热计来说，其可以在不接触流体腔室的情况下完成样品输送，具有构造简单、易于液体处理的优势，但却存在体积比热功率分辨率较低的缺陷。

虽然灵敏度、信噪比、体积比热功率分辨率等性能属性与样本体积的选择密切相关，但是样本体积的优化却相当困难。当样本体积较小时，虽然可以获得较高的灵敏度，但其体积比热功率分辨率会降低，同时信噪比也会降低。当样本体积较大时，则会导致信号变差。因此，样本体积的变化所带来的性能改进总会被其他因素抵消。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于细胞代谢热检测的开放式微纳量热计系统，能够满足样本体积的优化，不仅可以在细胞代谢热检测过程中提供足够的信噪比，同时还可以满足灵敏度和体积比热功率分辨率的性能要求，有效提高了开放式微纳量热计系统的综合性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于细胞代谢热检测的开放式微纳量热计系统，包括热电堆传感器、样品滴定仪器、PCB电路板、数字源表及计算机；所述热电堆传感器的内部腔室作为样品反应室，样品反应室的下方为硅基板，在硅基板上部设有薄膜，薄膜的中心用于承放样品，在样品周向的薄膜上均布设有若干热电堆，热电堆依次通过PCB电路板及数字源表与计算机进行通信连接；在所述样品反应室上方的热电堆传感器外壳上开设有送样口，在送样口上方覆盖有玻璃板，在玻璃板的中心开设有送样孔；所述样品滴定仪器通过送样孔将样品输送至薄膜上。

所述PCB电路板为放大电路，用于接收放大热电堆传感器输出的电压信号。

所述数字源表通过BNC接头与PCB电路板进行通信连接，通过数字源表检测PCB电路板输出的电压信号。

所述计算机通过GPIB-USB-HS数据线与数字源表进行通信连接，通过计算机对采集到的信号数据进行记录。

当所述样品滴定仪器通过送样孔将样品输送至薄膜后，送样孔由甘油进行密封，用于对样品进行热保护。

所述样品反应室通过热电堆传感器外壳上的送样口与空气直接接触。

本发明的有益效果：

本发明的用于细胞代谢热检测的开放式微纳量热计系统，能够满足样本体积的优化，不仅可以在细胞代谢热检测过程中提供足够的信噪比，同时还可以满足灵敏度和体积比热功率分辨率的性能要求，有效提高了开放式微纳量热计系统的综合性能。

附图说明

图1为本发明的用于细胞代谢热检测的开放式微纳量热计系统的结构原理图；

图2为实施例中基于数值模型的恒定功率下样品在不同体积时的温度变化曲线；

图3为实施例中基于数值模型的样品在不同体积时的热导和热功率灵敏度变化曲线；

图4为实施例中基于数值模型的样品在不同体积时的信噪比变化曲线；

图5为实施例中基于数值模型的样品在不同体积时的热功率分辨率和体积比热功率分辨率的变化曲线；

图中，1—热电堆传感器，2—样品滴定仪器，3—PCB电路板，4—数字源表，5—计算机，6—样品反应室，7—硅基板，8—薄膜，9—样品，10—热电堆，11—玻璃板，12—送样孔，13—送样口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种用于细胞代谢热检测的开放式微纳量热计系统，包括热电堆传感器1、样品滴定仪器2、PCB电路板3、数字源表4及计算机5；所述热电堆传感器1的内部腔室作为样品反应室6，样品反应室6的下方为硅基板7，在硅基板7上部设有薄膜8，薄膜8的中心用于承放样品9，在样品9周向的薄膜8上均布设有若干热电堆10，热电堆10依次通过PCB电路板3及数字源表4与计算机5进行通信连接；在所述样品反应室6上方的热电堆传感器1外壳上开设有送样口13，在送样口13上方覆盖有玻璃板11，在玻璃板11的中心开设有送样孔12；所述样品滴定仪器2通过送样孔12将样品9输送至薄膜8上。

本实施例中，热电堆传感器1由商用型号为S-25/Dexter Research的红外传感器改造而成，在薄膜8上均布有20个Bi/SB热电堆10，温度响应为3600μV/K，用于将样品9产生的热信号转换为电压信号。另外，样品反应室6的宽度为2mm，样品反应室6的深度为0.5mm。

所述PCB电路板3为放大电路，用于接收放大热电堆传感器1输出的电压信号。本实施例中，PCB电路板3采用型号为AD8628的零漂移直流斩波放大器，增益为1000倍，截至频率为1Hz。

所述数字源表4通过BNC接头与PCB电路板3进行通信连接，通过数字源表4检测PCB电路板3输出的电压信号。本实施例中，数字源表4的型号为Keithley2400。

所述计算机5通过GPIB-USB-HS数据线与数字源表4进行通信连接，通过计算机5对采集到的信号数据进行记录。本实施例中，计算机5内嵌装有LabVIEW程序，通过LabVIEW程序对电压信号进行记录。

当所述样品滴定仪器2通过送样孔12将样品9输送至薄膜8后，送样孔12由甘油进行密封，用于对样品9进行热保护。

所述样品反应室6通过热电堆传感器1外壳上的送样口与空气直接接触。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程：

为了揭示本发明的开放式微纳量热计系统在检测细胞代谢热的热功率缓慢变化过程中的性能参数信息，可使用Comsol 5.4软件建立微纳量热计的数值模型，具体将一个1μW的热功率阶跃信号应用于建立好的微纳量热计数值模型中，可以获得对应的热响应。具体的，如图2所示，为恒定功率下样品在不同体积时的温度变化曲线。再根据热响应结果，可以进一步得到微纳量热计的各性能参数与体积之间的关系，最终可以得到关于本次建立的微纳量热计数值模型的性能参数信息。具体的，如图3所示，为样品在不同体积时的热导和热功率灵敏度变化曲线。如图4所示，为样品在不同体积时的信噪比变化曲线。如图5所示，为样品在不同体积时的热功率分辨率和体积比热功率分辨率的变化曲线。

通过上述针对微纳量热计数值模型的模拟结果可知，随着样品体积的减少，信噪比和热功率分辨率也随之降低，但灵敏度和体积热功率分辨率会逐渐提高，因此可以根据模拟结果合理优化样品体积，以达到各性能参数的平衡，同时实现开放式微纳量热计系统综合性能的进一步提高。

以样品9为梨形四膜虫为例进行分析。当样品体积为50nL时，信噪比为1，体积比热功率为3.58mW/L，热功率分辨率为0.18nW，灵敏度为48.98V/W，时间常数为1.78s。当样品体积为240nL时，信噪比为3，体积比热功率为1.1mW/L，热功率分辨率为0.25nW，灵敏度为34V/W，时间常数为4.8s。

可以发现，当样品体积为50nL时，在信噪比为1的情况下，已经无法观察到信号了，并且在0.18nW的热功率分辨率下，无法有效检测到梨形四膜虫产生的代谢热。当牺牲一些灵敏度和时间常数后，即通过平衡各项性能参数后实现了性能参数的最佳组合，可以发现，即使在样品体积为240nL时，信噪比可以达到3，并且在0.25nW的热功率分辨率下足以检测到梨形四膜虫产生的代谢热为0.792nW。

因此，通过上述实施例可以看出，本发明的开放式微纳量热计系统在细胞代谢热检测方面具有良好的应用性。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。