CN105910560A - 一种生物细胞超声原子力显微检测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种生理环境下生物细胞超声原子力显微检测系统和方法，由探测器、压电换能器、探针控制模块、锁相放大器、超声波测距模块等组成。将探测器置于生理环境中扫描生物细胞，同时压电换能器以超声波频率振动，超声波信号穿过生物细胞产生不同的信号响应，系统采集该响应信号得到生物细胞形貌和内部图谱，超声波测距模块记录并处理的回波时延信号，定量表征垂直方向的声程以重构生物细胞深度图谱。本发明可对生物细胞实现纳米尺度的超微内部结构解析，精确定位引导探针为癌细胞注入纳米载药粒子，并观察其形貌、内部结构的应激变化，可用于生理环境下活细胞纳米尺度的无损测量，对纳米生物技术和纳米医学具有指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物细胞超声原子力显微检测系统和方法，特别是适用于生理环境下纳米尺度的细胞内部结构的非破坏性测量。
背景技术
随着纳米技术的发展，原子力显微镜(AFM)已经成为非常重要的纳米技术之一，由于其工作范围较宽，其应用前景极为广泛，尤其在生物医学领域具有重要的研究价值。
在纳米尺度下，生物样品及材料的性质和行为不仅与其表面结构有关，更与其内部结构有关。现今技术中，透射电子显微镜(transmission electron microscope，TEM)是对内部结构成像的主要测量技术。在测量时，TEM需要将样品切至电子可穿透的厚度，一般只有几十纳米，因此细胞需要切片处理，同样会破坏细胞。2009年，美国南加州大学De Jonge等人用扫描透射电子显微技术(scanning transmission electron microscopy，STEM)成功的在液相环境中对COS7成纤维细胞亚显微结构成像，但由于细胞表面镀有金属层，属于破坏性测量。2009年，同济大学张波、程茜等人利用原子力显微镜与自制变频声学激励台相结合，研究大鼠主动脉平滑肌细胞的声学像特点，但该实验在气相下进行，未能完整反映活细胞声学特性。
由于细胞刚性较低，且在生理环境下对生物活细胞进行纳米尺度无损检测又存在一定难度，特别是内部结构检测成像，至今仍缺乏有效的研究手段来实现纳米尺度的超微内部结构解析方法。与上述技术相比，生物细胞超声原子力显微检测系统和方法能对生物细胞结构进行精确测量，不用着色或涂导电层，就可以获得在纳米尺度内部结构点阵图像，同时还可以根据测量超声波回波信号绘制探测的位置深度图谱，进而用引导探针精确定位癌细胞注入纳米载药粒子的靶标位置，并对注入纳米载药粒子的单个细胞重新扫描，得到形貌、内部结构的应激变化图谱。在生理环境下对细胞超声显微成像系统和方法为生命科学领域提供了直接在细胞表面、细胞内部或分子水平研究生命现象的技术及工具，可以用来更好的了解生物过程，为癌细胞的诊断及治疗提供可参考的科学理论依据。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种生理环境下生物细胞超声原子力显微检测系统和方法，通过对生物细胞纳米尺度下的非破坏性检测来实现细胞形貌、内部结构和位置深度的获得，进而研究癌细胞的形态、内部结构、物理特性、动态过程、以及药物刺激下癌细胞在迁移、进化中的物理特性，为生物医学研究领域提供直接在细胞、亚细胞以及分子水平用于癌症诊断、检测和治疗的技术和工具。
将生物细胞置于特制的液体池中，探测器在生物细胞表面扫描，同时压电换能器以超声波频率振动，超声波信号穿过生物细胞产生不同的信号响应，该响应经由探针被探针位移检测模块探测到，系统采集该响应信号得到生物细胞形貌和内部图谱，系统记录超声波测距模块中处理的回波脉冲信号定量表征探测的垂直深度以重构生物细胞内部各界面距表面的位置深度图谱。本发明可对生物细胞实现纳米尺度的超微内部结构解析，用探针精确定位癌细胞注入纳米载药粒子的靶标位置，并检测癌细胞注入纳米载药粒子后的形貌、内部结构的应激变化，可用于生理环境下活细胞纳米尺度的无损测量，对纳米生物技术和纳米医学具有指导意义。
为实现上述目的，本发明系统包括一种生物细胞超声原子力显微检测系统，包括：探测器(1)、压电换能器(2)、探针位移检测模块(3)、三维位移平台(4)、液体池(5)、光学显微镜(6)、锁相放大电路(7)、探针控制模块(8)、信号发生器(9)、超声波测距模块(10)及显示模块(11)；被测生物细胞置于装有培养液的液体池(5)中，液体池(5)放置在压电换能器(2)上，压电换能器(2)与信号发生器(9)相连接用于发射超声波信号，压电换能器(2)下面装有三维位移平台(4)，将探测器(1)置于液体池(5)中液面以下生物细胞以上，探测器(1)由探针(12)和超声波传感器(13)组成，探针(12)的基座(14)和超声波传感器(13)安装在固定件上，探针(12)的基座(14)上面装有玻璃视窗(15)，超声波传感器(13)与超声波测距模块(10)相连接，光学显微镜(6)位于探测器(1)上方，探针位移检测模块(3)置于光学显微镜(6)一侧，实时检测探测器(1)在扫描时产生的位移和振动信号，探针位移检测模块(3)连接于探针控制模块(8)，用于实时检测和处理探针(12)位移信号，锁相放大器(7)与探针控制模块(8)相连，负责采集和处理探测器(1)的振动信号，超声波测距模块(10)接收并处理超声波传感器(13)的回波时延信号，输出测量结果至显示模块(11)，在纳米尺度同时获得细胞形貌、声学点阵图像和细胞结构的深度图谱；
在生理环境下，生物细胞完全浸入到装有培养液的液体池(5)中，将探测器(1)置于液体池(5)中液面以下生物细胞上方，探测器(1)对生物细胞进行扫描，同时信号发生器(9)加载超声波激励信号，使生物细胞下方的压电换能器(2)以超声波频率振动，该超声波振动信号穿过生物细胞，使探针(12)产生超声响应振动，探针位移检测模块(3)实时检测探针(12)扫描时的位移和超声响应信号，然后将位移信号转换为电压信号传递至探针控制模块(8)以控制三维位移平台(4)运动，锁相放大电路(7)对超声响应信号进行锁相放大和幅值提取，进而与位移电压信号一同输出至显示模块(11)成像，在纳米尺度同时获得内部结构和形貌点阵图像，同时超声波传感器(13)接收的回波信号，由超声波测距模块(10)进行超声波信号与电压的转换，并对转换后的电压进行放大、滤波、整形、检波处理，根据检波后波形的第一峰值位置确定超声信号的传播时延，从而获得垂直方向上生物细胞内部图像深度数据，并送至显示模块(11)输出。
所述探测器(1)为一种独立、绝缘、开放式探测器，包括探针(12)和超声波传感器(13)；探针(12)由基座(14)固定，基座(14)和玻璃视窗(15)一起被固定在同一个探测器上，玻璃视窗(15)作为气液隔离窗口可减少液面波动对数据可靠性的影响，探针(12)基座(14)上的超声波传感器(13)用于采集压电换能器(2)的回波时延信号。
所述探针(12)谐振频率为40-300kHz，弹性系数为0.01-0.5N/m。
所述探测器(1)扫描频率设置为探测器(1)的共振频率，该共振频率适用于生物细胞样品，范围为20kHz-40kHz的超声波频率。
一种生物细胞超声原子力显微检测方法，实现步骤如下：
(1)在生理环境下，生物细胞样品完全浸入到装有培养液的液体池中，利用光学显微镜观察生物细胞状态，移动探针及三维位移平台，将探针定位到待测生物细胞上；
(2)启动探测器扫描，同时信号发生器加载超声波激励信号，驱动压电换能器以超声波频率振动；
(3)压电换能器产生的振动波穿过生物细胞，使探针产生超声响应振动；
(4)探针位移检测模块实时接收探针扫描时的位移和超声响应信号，并将位移信号转换为电压信号传递至探针控制模块，探针控制模块通过PID(Proportion IntegrationDifferentiation)反馈控制三维位移平台移动以调整针尖和生物细胞间距离，并输出细胞表面形貌信号；
(5)锁相放大电路对超声响应信号与参考信号对比，通过放大器、滤波器、乘法器处理，进行锁相放大与幅值提取，进而与形貌信号一同输出至显示模块分析成像，在纳米尺度同时获得内部结构和形貌点阵图像；
(6)超声波传感器接收的回波信号由超声波测距模块进行超声波信号与电压的转换，并对转换后的电压进行放大、滤波、整形、检波处理，根据检波后波形的第一峰值位置确定超声信号的传播时延，从而获得垂直方向上的深度数据，以重构生物细胞内部深度图谱，并送至显示模块输出。
所述超声波测距模块，处理超声波传感器的回波脉冲信号，将其转换成电压信号，并对转换后的电压信号进行放大、滤波、整形、检波处理，根据检波后波形的第一峰值位置确定超声信号的传播时延，获得垂直方向上位置深度数据以重构生物细胞内部各界面距表面的位置深度图谱。
本发明与现有技术相比的如下优点：
(1)本发明结合超声原子力显微系统测量生物细胞，使探针在受迫振动下扫描生物细胞，而不直接接触细胞表面，适合刚度较低的细胞进行非破坏性检测。
(2)本发明中采用开放式探测器和特制的液相单元与细胞体外培养环境相结合使用，可实现体外活细胞的全液相扫描成像，无需对细胞着色或涂导电层，避免对细胞造成破坏。
(3)本发明可对生物细胞实现纳米尺度的超微内部结构解析，同时检测生物细胞形貌结构，并可构建细胞内部位置深度图谱。
(4)本发明不再单纯测量生物细胞声学特性，还可以实现在癌细胞中利用探针精确定位注入纳米载药粒子的靶标位置，并观测注入纳米载药粒子后癌细胞的形貌、内部结构的应激变化，可用于生理环境下活细胞纳米尺度的无损测量，对纳米生物技术和纳米医学具有指导意义。
附图说明
图1为本发明生物细胞超声原子力显微检测系统结构示意图；
图2为本发明中开放式探测器结构示意图；
图3为生物细胞超声原子力显微检测方法流程图。
其中：1.探测器，2.压电换能器，3.探针位移检测模块，4.三维位移平台，5.液体池，6.光学显微镜，7.锁相放大电路，8.探针控制模块，9.信号发生器，10.超声波测距模块，11.显示模块，12.探针，13.超声波传感器，14.基座，15.玻璃视窗。
具体实施方式
如图1所示，本发明生物细胞超声原子力显微检测系统包括探测器1、压电换能器2、探针位移检测模块3、三维位移平台4、液体池5、光学显微镜6、锁相放大电路7、探针控制模块8、信号发生器9、超声波测距模块10及显示模块11；被测生物细胞置于装有培养液的液体池5中，液体池5放置在压电换能器2上，压电换能器2与信号发生器9相连接用于发射超声波信号，压电换能器2下面装有三维位移平台4，三维位移平台4可以在XYZ方向上移动，用于控制探针12扫描方向，将探测器1置于液体池5中液面以下生物细胞以上，探测器1与超声波测距模块10相连接，光学显微镜6位于探测器1上方，探针位移检测模块3置于光学显微镜6一侧，实时检测探测器1在扫描时产生的位移和振动信号，探针位移检测模块3连接于探针控制模块8，用于实时检测和处理探针12位移信号，锁相放大器7与探针控制模块8相连，负责采集和处理探测器1的振动信号，超声波测距模块10接收并处理超声波传感器13的回波时延信号，输出测量结果至显示模块11，在纳米尺度同时获得细胞形貌、声学点阵图像和细胞结构的深度图谱。
首先在生理环境下，生物细胞完全浸入到装有培养液的液体池5中，将探测器1置于液体池5中液面以下生物细胞上方，启动系统，驱动三维位移平台4在XY方向运动，使探测器1对生物细胞进行扫描，同时信号发生器9加载超声波激励信号，使生物细胞下方的压电换能器2以超声波频率振动，该超声波振动信号穿过生物细胞，使探针12产生超声响应振动，探针位移检测模块3实时检测探测器1扫描时的位移和超声响应信号，然后把位置偏移量转换为电压信号传递至探针控制模块8以控制三维位移平台4在Z方向运动，以调整探测器1和生物细胞间的距离，锁相放大电路7对超声响应信号进行锁相放大和幅值提取，进而与位移电压信号一同输出至显示模块11成像，在纳米尺度同时获得内部结构和形貌点阵图像，同时超声波传感器13接收压电换能器2的回波信号，并送超声波测距模块10处理，将超声波信号转换为电压信号，并对转换后的电压信号进行放大、滤波、整形、检波处理，根据检波后序列的第一峰值位置确定超声信号的传播时延，从而获得垂直方向上生物细胞内部图像深度数据，并送至显示模块11输出。
液体池5与压电换能器2耦合放在三维位移平台4上方，以保证探测器1有效接收超声波信号，耦合剂可以用水、凡士林、甘油、硅脂，且液体池5中放置长有细胞的盖玻片，三维位移平台4在外加电压作用下可以控制生物细胞在X、Y、Z方向移动。
超声波测距模块10控制超声波传感器13与信号发生器9同步工作，把压电换能器2发射的超声波回波信号转换为电压，并对转换后的电压进行放大、滤波、整形、检波处理，检波后波形的第一峰值位置作为参考点以确定超声信号的传播时延，将时延信号以序列形式存储在超声波测距模块10中，并将序列中的值与参考点进行对比，从而获得垂直方向上生物细胞内部图像深度数据，并将重构后的深度图谱送至显示模块11输出。
如图2所示，探测器1为一种独立、绝缘、开放式探头，由探针12和超声波传感器13组成，探针12固定在基座14上，基座14和超声波传感器13安装在固定件上，探针12上面装有玻璃视窗15，玻璃视窗15作为气液隔离窗口可减少液面波动对数据可靠性的影响，超声波传感器13固定玻璃视窗15上方，用于接收压电换能器2发出的超声波的回波信号。
探针12的谐振频率40-300kHz，探针12谐振频率避开压电换能器2的谐振频率和扫描共振频率，保证测量结果受到压电换能器2的影响较小，探针12的弹性系数为0.01-0.5N/m，以保证探针12受到较小的作用力就可以检测形变量。
如图3所示，本发明的生物细胞超声原子力显微检测方法包括以下步骤：
(1)在生理环境下，生物细胞样品完全浸入到装有培养液的液体池中，利用光学显微镜观察生物细胞状态，移动探针及三维位移平台，将探针定位到待测生物细胞上；
(2)启动探测器扫描，三维位移平台在XY方向移动，同时信号发生器加载超声波激励信号，驱动压电换能器以超声波频率振动；
(3)压电换能器产生的振动波穿过生物细胞，使探针产生超声响应振动；
(4)探针位移检测模块实时接收探针扫描时的位移和超声响应信号，并将位移信号转换为电压信号传递至探针控制模块，探针控制模块通过PID反馈控制三维位移平台Z方向移动以调整针尖和生物细胞间距离，并输出细胞表面形貌信号；
(5)锁相放大电路对超声响应信号与参考信号对比，通过放大器、滤波器、乘法器处理，进行锁相放大与幅值提取，进而与形貌信号一同输出至显示模块分析成像，在纳米尺度同时获得内部结构和形貌点阵图像；
(6)超声波传感器接收压电换能器发出的回波信号，送至超声波测距模块进行处理，超声波测距模块进行超声波信号与电压的转换，并对转换后的电压进行放大、滤波、整形、检波处理，根据检波后波形的第一峰值位置确定超声信号的传播时延，并按序列顺序逐点处理时延数据，从而获得垂直方向上生物细胞内部图像深度数据以重构位置深度图谱，并送至显示模块输出。
该超声原子力显微测量方法测量生物细胞，生物细胞不需特殊处理就可以在生理环境中进行观测，保留活生物细胞形态特征，探测器在受迫振动下扫描生物细胞，而不直接接触细胞表面，适合刚度较低的细胞进行非破坏性检测。
本发明可用于生物细胞的纳米测量，能同时检测生物细胞形貌、内部结构和深度信息，使探针能够精确定位在癌细胞中注入纳米载药粒子的位置，进而分析癌细胞注入纳米载药粒子后形貌、内部结构的应激变化和生物学响应机制。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。
Claims (5)
1.一种生物细胞超声原子力显微检测系统，其特征在于：包括探测器(1)、压电换能器(2)、探针位移检测模块(3)、三维位移平台(4)、液体池(5)、光学显微镜(6)、锁相放大电路(7)、探针控制模块(8)、信号发生器(9)、超声波测距模块(10)及显示模块(11)；被测生物细胞置于装有培养液的液体池(5)中，液体池(5)放置在压电换能器(2)上，压电换能器(2)与信号发生器(9)相连接用于发射超声波信号，压电换能器(2)下面装有三维位移平台(4)，将探测器(1)置于液体池(5)中液面以下生物细胞以上，探测器(1)由探针(12)和超声波传感器(13)组成，探针(12)的基座(14)和超声波传感器(13)安装在固定件上，探针(12)的基座(14)上面装有玻璃视窗(15)，超声波传感器(13)与超声波测距模块(10)相连接，光学显微镜(6)位于探测器(1)上方，探针位移检测模块(3)置于光学显微镜(6)一侧，实时检测探测器(1)在扫描时产生的位移和振动信号，探针位移检测模块(3)连接于探针控制模块(8)，用于实时检测和处理探针(12)位移信号，锁相放大器(7)与探针控制模块(8)相连，负责采集和处理探测器(1)的振动信号，超声波测距模块(10)接收并处理超声波传感器(13)的回波时延信号，输出测量结果至显示模块(11)，在纳米尺度同时获得细胞形貌、声学点阵图像和细胞结构的深度图谱；
在生理环境下，生物细胞完全浸入到装有培养液的液体池(5)中，将探测器(1)置于液体池(5)中液面以下生物细胞上方，探测器(1)对生物细胞进行扫描，同时信号发生器(9)加载超声波激励信号，使生物细胞下方的压电换能器(2)以超声波频率振动，该超声波振动信号穿过生物细胞，使探针(12)产生超声响应振动，探针位移检测模块(3)实时检测探针(12)扫描时的位移和超声响应信号，然后将位移信号转换为电压信号传递至探针控制模块(8)以控制三维位移平台(4)运动，锁相放大电路(7)对超声响应信号进行锁相放大和幅值提取，进而与位移电压信号一同输出至显示模块(11)成像，在纳米尺度同时获得内部结构和形貌点阵图像，同时超声波传感器(13)接收的回波信号，由超声波测距模块(10)进行超声波信号与电压的转换，并对转换后的电压进行放大、滤波、整形、检波处理，根据检波后波形的第一峰值位置确定超声信号的传播时延，从而获得垂直方向上生物细胞内部图像深度数据，并送至显示模块(11)输出。
2.根据权利要求1所述的生物细胞超声原子力显微检测系统，其特征在于：所述探测器(1)为一种独立、绝缘、开放式探测器，包括探针(12)和超声波传感器(13)；探针(12)由基座(14)固定，基座(14)和玻璃视窗(15)一起被固定在同一个探测器上，玻璃视窗(15)作为气液隔离窗口可减少液面波动对数据可靠性的影响，探针(12)基座(14)上的超声波传感器(13)用于采集压电换能器(2)的回波时延信号。
3.根据权利要求2所述的生物细胞超声原子力显微检测系统，其特征在于：所述探针(12)谐振频率为40-300kHz，弹性系数为0.01-0.5N/m。
4.根据权利要求1所述的生物细胞超声原子力显微检测系统，其特征在于：所述探测器(1)扫描频率设置为探测器(1)的共振频率，该共振频率适用于生物细胞样品，范围为20kHz-40kHz的超声波频率。
5.一种生物细胞超声原子力显微检测方法，其特征在于实现步骤如下：
(1)在生理环境下，生物细胞样品完全浸入到装有培养液的液体池中，利用光学显微镜观察生物细胞状态，移动探针及三维位移平台，将探针定位到待测生物细胞上；
(2)启动探测器扫描，同时信号发生器加载超声波激励信号，驱动压电换能器以超声波频率振动；
(3)压电换能器产生的振动波穿过生物细胞，使探针产生超声响应振动；
(4)探针位移检测模块实时接收探针扫描时的位移和超声响应信号，并将位移信号转换为电压信号传递至探针控制模块，探针控制模块通过PID反馈控制三维位移平台移动以调整针尖和生物细胞间距离，并输出细胞表面形貌信号；
(5)锁相放大电路对超声响应信号与参考信号对比，通过放大器、滤波器、乘法器处理，进行锁相放大与幅值提取，进而与形貌信号一同输出至显示模块分析成像，在纳米尺度同时获得内部结构和形貌点阵图像；
(6)超声波传感器接收的回波信号由超声波测距模块进行超声波信号与电压的转换，并对转换后的电压进行放大、滤波、整形、检波处理，根据检波后波形的第一峰值位置确定超声信号的传播时延，从而获得垂直方向上的深度数据，以重构生物细胞内部深度图谱，并送至显示模块输出。
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