CN107389534B - 一种基于一维纳米结构探针的单细胞光电检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于一维纳米结构探针的单细胞光电检测系统，包括：固定装置、微操作系统、电信号检测装置、超长物距显微系统、照明装置、第一光激发装置、第一成像探测装置、共聚焦扫描系统、第二光激发装置、第二成像探测装置、光谱探测装置和控制装置。本发明单细胞光电检测系统通过构建超长物距正置显微镜和倒置共聚焦扫描联用技术，建立正置倒置光路的准值，利用超长物距正置显微镜的超长工作距离实现一维纳米结构探针移动的观察和电信号的检测，利用倒置激光扫描共聚焦显微镜实现一维纳米结构探针和细胞观察的同时进行荧光定位检测。
Description
技术领域
本发明涉及光电检测领域。更具体地，涉及一种基于一维纳米结构探针的单细胞光电检测系统。
背景技术
研究细胞层次、甚至亚细胞层次的生物过程对深层次认识细胞活动具有重要意义，特别是亚细胞层次的病变过程、细胞组织的生长过程、细胞物质和信息的产生和传递过程等的深入认识，一方面可以很好地理解和检验分子生物学的研究结果，另一方面也是从根本上理解组织生物学的一个重要窗口。为了研究细胞的生理活动，人们发展了诸如近场扫描(1986年诺贝尔奖)、膜片钳(1991年诺贝尔奖)、荧光标记(2008年诺贝尔奖)、共聚焦等多种技术。然而，目前所采用的这些技术只能被动的表征细胞结构。因此，急需发展亚细胞层次的主动探针技术，实现对细胞生物活动的主动观察与研究。
纳米技术的蓬勃发展，为实现这一目标提供了新的机遇。尤其是一维纳米结构与细胞尺度相当，可以通过插入细胞实现对细胞的主动检测。然而，目前在这个层次上的细胞生物学研究多采用生物标记技术、核剔除技术、切片技术或细胞染色技术等，这些技术很难实现主动地研究细胞的特定区域而不伤害细胞的其它组织的正常发展。而以膜片钳技术为代表的细胞操纵、测量技术，现已广泛用于研究细胞膜表面的离子通道以及离子的穿透过程动力学等，成为亚细胞层次上细胞膜研究的重要手段。然而，仍缺乏有效的技术手段和装备深入有效研究细胞内特定区域的生物活动过程、亚细胞层次的结构和生物过程、DNA复制与突变在亚细胞层次上的表现等。随着共聚焦系统的不断发展，共聚焦能够检测到细胞的微小变化。商业的共聚焦荧光系统中没有探针操作系统以及光电检测系统，而商品化的探针装置也不是专门为操纵一维纳米结构探针所设计的。例如，原子力显微镜的探针操纵、近场光学的探针控制、甚至微加工中的某些微操作技术，这些都是为相应的特定目标而设计的，无法满足一维纳米结构探针的精细多维度操纵。
因此，需要提出了一种用于一维纳米结构探针的单细胞光电检测系统，用于实现单根一维纳米结构探针电信号采集的同时在单根一维纳米结构探针检测单细胞过程中完成荧光信号的逐层扫描和高分辨光谱成像。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于一维纳米结构探针的单细胞光电检测系统，该系统用于实现单根一维纳米结构探针电信号采集的同时完成了在单根一维纳米结构探针检测单细胞过程中荧光信号的逐层扫描和检测，实现了荧光成像和光谱成像。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明提供了一种用于一维纳米结构探针的单细胞光电检测系统，包括：微操作系统、固定装置、电信号检测装置、超长物距显微系统、照明装置、第一光激发装置、第一成像探测装置、共聚焦扫描系统、第二光激发装置、第二成像探测装置、光谱探测装置和控制装置；
其中，
固定装置，用于固定一维纳米结构探针以及接收一维纳米结构探针上的电信号并传送给电信号检测装置；
微操作系统，与固定装置连接，通过操纵固定装置控制一维纳米结构探针的移动；
电信号检测装置，用于检测固定装置接收的一维纳米结构探针的电信号，并发送给控制装置；
超长物距显微系统，用于观察细胞和一维纳米结构探针及其移动或用于细胞和一维纳米结构探针的荧光信号的检测，并将荧光信号传送给光谱探测装置；
照明装置，用于为超长物距显微系统提供照明，完成明场成像；
第一光激发装置，用于超长物距显微系统进行荧光信号检测时激发光；
第一成像探测装置，用于对超长物距显微系统观察到的一维纳米结构探针和细胞进行明场成像或用于对超长物距显微系统检测到的细胞和一维纳米结构探针的荧光信号进行荧光成像，并将成像信号发送给控制装置；
共聚焦扫描系统，用于细胞和一维纳米结构探针的荧光信号的逐层扫描和检测，并传送给第二成像探测装置和光谱探测装置；
第二光激发装置，用于共聚焦扫描系统进行荧光信号检测时激发光；
第二成像探测装置，用于接收共聚焦扫描系统传出的荧光信号，并完成荧光成像，并将成像信号传入控制装置；
光谱探测装置，用于接收共聚焦扫描系统或超长物距显微系统传出的荧光信号，完成光谱信号的采集，并将光谱信号传入控制装置；
控制装置，用于电信号检测装置检测过程中扫描速度、电流强度、电压等的控制；用于第二成像探测装置进行荧光成像过程中的激光强度、光电倍增管电压、扫描步长、局部放大区域、激光切换、三维重构等的控制；用于光谱探测装置进行光谱信号的采集时光栅的更换、光谱范围的选择、扫描速度、接谱等的控制；用于光激发装置进行激发光时不同激光的切换、激光功率的选择。
本发明中一维纳米探针固定可以采用电泳技术或微针注射技术或表面修饰技术。
进一步，所述微操作系统为x、y、z、θ四维微操作，用于操纵一维纳米结构探针在x、y、z、θ四个维度上的移动，该装置对一维纳米结构探针操作精度优于100纳米。
进一步，所述电信号检测装置为电化学工作站，能够检测到微操作系统传输的pA量级电流以及具有微伏电压(电位)精度的电信号。
进一步，所述超长物距显微系统为工作距离为17mm以上的超长物距正置显微镜，足够长的工作距离有利于提供微操作系统对一维纳米结构探针的操作空间。
进一步，所述照明装置为卤素灯。
进一步，所述共聚焦扫描系统包括二维移动台和倒置激光扫描共聚焦显微镜；
所述二维移动台一方面实现细胞的移动，另一方面可以与微操作系统结合，实现对一维纳米结构探针的操纵；进一步配合倒置激光扫描共聚焦显微镜完成细胞和一维纳米结构探针的荧光信号的逐层扫描；
所述倒置激光扫描共聚焦显微镜的镜头与超长物距正置显微镜的镜头相对设置，两个显微镜的镜头出来的光是完全重合的，可以从超长物距正置显微镜和倒置激光扫描共聚焦显微镜同时看到细胞和一维纳米结构探针。
所述第一光激发装置包括汞灯和氦镉激光器，所述氦镉激光器的激光波长为325nm、442nm；
所述第二光激发装置包括固体激光器和多线氩离子激光器；所述固体激光器可激发光的波长为405nm、561nm、640nm，所述多线氩离子激光器可激发光的波长为457nm、488nm、514nm。选择合适波长的激发光，一方面能够提高信号强度，另一方面降低噪音。
进一步，所述第一成像探测装置和第二成像探测装置均为CCD，具有较好的动态响应范围以及高的灵敏度。
进一步，所述光谱探测装置为分辨率大于0.05nm的光谱仪。
进一步，所述的控制装置包括计算机、连接系统和数据处理及成像系统。由于系统由多部分组成，通过计算机将整个系统联系起来，同时，一方面提高检测的精度、以及仪器设备的可操控性，另一方面提高检测效率。所述控制装置可以采用可视化的Labview软件，通过合适的数据采集和控制接口实现数据和控制指令的传输。
在本发明中，可利用一维纳米结构探针进行荧光信号的检测，也可以作为微电极，进行电信号的传输。
本发明的单细胞光电检测系统使用方法包括：
1)当进行电信号检测时，一维纳米结构探针作为微电极，在超长物距正置显微镜的观察下，通过固定装置将微电极固定，并通过x、y、z、θ四维微操作移动微电极并定位到细胞内部，利用卤素灯照明，第一成像探测装置进行微电极和细胞的明场成像，并发送给控制装置。通过电信号检测装置检测固定装置接收到的微电极表面电信号的变化，并将该电信号传递到控制装置。通过控制装置可以调节电信号检测装置的扫描速度、电流强度、电压等等。
2)当进行荧光信号检测时，利用汞灯作为激发光源，通过超长物距正置显微镜，利用第一成像探测装置进行细胞和一维纳米结构探针的荧光成像，并将成像信号导入控制装置。为了得到细胞和一维纳米结构探针的三维荧光图像和一维纳米结构探针在细胞内部的定点荧光图像，用固体激光器和多线氩离子激光器作为激发光源，利用共聚焦扫描系统进行荧光信号的逐层扫描和检测，荧光信号传入第二成像探测装置进行荧光成像，荧光信号传入光谱探测装置，进行光谱采集，并将光谱信号和成像信号传入控制装置。通过控制装置可以调节光谱探测装置的光栅的更换、光谱范围的选择、扫描速度、接谱等的控制；调节第二成像探测装置的激光强度、光电倍增管电压、扫描步长、局部放大区域、激光切换、三维重构等的控制；调节固体激光器和多线氩离子激光器不同激光的切换、激光功率的选择。
3)当进行荧光信号检测时，一维纳米结构探针需要用325nm或442nm的光激发时，由于共聚焦扫描系统不能被325nm、442nmnm波长的光激发，因此通过用氦镉激光器激代替汞灯，用于超长物距正置显微镜荧光的激发并完成细胞和一维纳米结构探针的荧光信号的检测，通过第一成像探测装置进行荧光成像，并将成像信号导入控制装置，或者直接将荧光信号导入光谱探测装置进行光谱采集。通过控制装置调节氦镉激光器不同激光的切换、激光功率的选择；调节光谱探测装置的光栅的更换、光谱范围的选择、扫描速度、接谱等的控制。
本发明的有益效果如下：
1.传统的共聚焦系统只能采集荧光成像、膜片钳只能用于电信号的采集，本系统采用正倒置相结合，利用超长物距正置显微镜，结合微操作系统，在完成单根一维纳米结构探针的可控移动的同时实现电信号的采集，同时利用倒置激光扫描共聚焦显微镜实现单根一维纳米结构探针在单细胞检测过程中荧光信号的逐层扫描和高分辨光谱成像；
2.传统的共聚焦荧光显微镜自带的光谱采集模式光谱分辨率低，不适合采集一维纳米结构探针在外界刺激下光谱的微弱移动，本系统采用了高分辨的光谱检测装置使其能够区分单根一维纳米结构探针的光谱移动；
3.传统的共聚焦荧光显微镜激光器的波长最短为405nm，不适合半导体一维纳米结构探针的检测，本系统引入了325nm的氦镉激光器，使其能用于激发波长更短的半导体一维纳米结构探针的荧光成像和光谱采集。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出一种基于一维纳米结构探针的单细胞光电检测系统结构示意图，
其中，1.汞灯，2.第一成像探测装置，3.超长物距显微系统，4.二维移动台，5.微操作系统，6.倒置激光扫描共聚焦显微镜，7.氦镉激光器，8.第二光激发装置，9.第二成像探测装置，10.光谱探测装置，11.电信号检测装置，12.控制装置，13.照明装置，14.固定装置。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
一种用于一维纳米结构探针的单细胞光电检测系统，包括：固定装置14、微操作系统5、电信号检测装置11、超长物距显微系统3、照明装置13、第一光激发装置、第一成像探测装置2、共聚焦扫描系统、第二光激发装置8、第二成像探测装置9、光谱探测装置10和控制装置12；
其中，
固定装置14，用于固定一维纳米结构探针以及接收一维纳米结构探针上的电信号并传送给电信号检测装置；
微操作系统5，为x、y、z、θ四维微操作，与固定装置14连接，通过控制固定装置14操纵一维纳米结构探针在x、y、z、θ四个维度上的移动，该装置对一维纳米结构探针操作精度优于100纳米；
电信号检测装置11，为电化学工作站，用于检测固定装置14接收的一维纳米结构探针的电信号，并发送给控制装置12；
超长物距显微系统3，为工作距离为17mm以上的超长物距正置显微镜，用于观察细胞和一维纳米结构探针及其移动或用于细胞和一维纳米结构探针的荧光信号的检测，并将荧光信号传送给光谱探测装置10；足够长的工作距离有利于提供微操作系统对一维纳米结构探针的操作空间。
照明装置13，为卤素灯，用于为超长物距显微系统3提供照明，完成明场成像；
第一光激发装置，包括汞灯1和氦镉激光器7，用于超长物距显微系统3进行荧光信号检测时激发光；所述氦镉激光器7的激光波长为325nm、442nm；
第一成像探测装置2，为CCD，用于对超长物距显微系统3观察到的一维纳米结构探针和细胞进行明场成像或用于对超长物距显微系统3检测到的细胞和一维纳米结构探针的荧光信号进行荧光成像，并将成像信号发送给控制装置12；
共聚焦扫描系统，包括二维移动台4和倒置激光扫描共聚焦显微镜6，用于细胞和一维纳米结构探针的荧光信号的逐层扫描和检测，并传送给第二成像探测装置9和光谱探测装置10；其中，所述二维移动台4一方面实现细胞的移动，另一方面可以与微操作系统5结合，实现对一维纳米结构探针的操纵；进一步配合倒置激光扫描共聚焦显微镜6完成细胞和一维纳米结构探针的荧光信号的逐层扫描；所述倒置激光扫描共聚焦显微镜6的镜头与超长物距正置显微镜3的镜头相对设置，两个显微镜的镜头出来的光是完全重合的，可以从超长物距正置显微镜3和倒置激光扫描共聚焦显微镜6同时看到细胞和一维纳米结构探针。
第二光激发装置8，包括固体激光器和多线氩离子激光器，用于共聚焦扫描系统6进行荧光信号检测时激发光；所述固体激光器可激发光的波长为405nm、561nm、640nm，所述多线氩离子激光器可激发光的波长为457nm、488nm、514nm。选择合适波长的激发光，一方面能够提高信号强度，另一方面降低噪音。
第二成像探测装置9，为CCD，用于接收共聚焦扫描系统6传出的荧光信号，并完成荧光成像，并将成像信号传入控制装置12；
光谱探测装置10，为分辨率大于0.05nm的光谱仪，用于接收共聚焦扫描系统6或超长物距显微系统3传出的荧光信号，完成光谱信号的采集，并将光谱信号传入控制装置12；
控制装置12，用于电信号检测装置11检测过程中扫描速度、电流强度、电压等的控制；用于第二成像探测装置9进行荧光成像过程中的激光强度、光电倍增管电压、扫描步长、局部放大区域、激光切换、三维重构等的控制；用于光谱探测装置10进行光谱信号的采集时光栅的更换、光谱范围的选择、扫描速度、接谱等的控制；用于第一光激发装置和第二光激发装置8进行激发光时不同激光的切换、激光功率的选择。
其中，所述控制装置包括计算机、连接系统和数据处理及成像系统。由于系统由多部分组成，通过计算机将整个系统联系起来，同时，一方面提高检测的精度、以及仪器设备的可操控性，另一方面提高检测效率。所述控制装置可以采用可视化的Labview软件，通过合适的数据采集和控制接口实现数据和控制指令的传输。
在本发明中，可利用一维纳米结构探针进行荧光信号的检测，也可以作为微电极，进行电信号的传输。
本发明的单细胞光电检测系统使用方法包括：
1)当进行电信号检测时，一维纳米结构探针作为微电极，在超长物距正置显微镜的观察下，通过固定装置将微电极固定，并通过x、y、z、θ四维微操作移动微电极并定位到细胞内部，利用卤素灯照明，第一成像探测装置进行微电极和细胞的明场成像，并发送给控制装置。通过电信号检测装置检测固定装置接收到的微电极表面电信号的变化，并将该电信号传递到控制装置。通过控制装置可以调节电信号检测装置的扫描速度、电流强度、电压等等。
2)当进行荧光信号检测时，利用汞灯作为激发光源，通过超长物距正置显微镜，利用第一成像探测装置进行细胞和一维纳米结构探针的荧光成像，并将成像信号导入控制装置。为了得到细胞和一维纳米结构探针的三维荧光图像和一维纳米结构探针在细胞内部的定点荧光图像，用固体激光器和多线氩离子激光器作为激发光源，利用共聚焦扫描系统进行荧光信号的逐层扫描和检测，荧光信号传入第二成像探测装置进行荧光成像，荧光信号传入光谱探测装置，进行光谱采集，并将光谱信号和成像信号传入控制装置。通过控制装置可以调节光谱探测装置的光栅的更换、光谱范围的选择、扫描速度、接谱等的控制；调节第二成像探测装置的激光强度、光电倍增管电压、扫描步长、局部放大区域、激光切换、三维重构等的控制；调节固体激光器和多线氩离子激光器不同激光的切换、激光功率的选择。
3)当进行荧光信号检测时，一维纳米结构探针需要用325nm或442nm的激光激发时，由于共聚焦扫描系统不能被325nm、442nmnm波长的光激发，因此通过用氦镉激光器激代替汞灯，用于超长物距正置显微镜荧光的激发并完成细胞和一维纳米结构探针的荧光信号的检测，通过第一成像探测装置进行荧光成像，并将成像信号导入控制装置，或者直接将荧光信号导入光谱探测装置进行光谱采集。通过控制装置调节氦镉激光器不同激光的切换、激光功率的选择；调节光谱探测装置的光栅的更换、光谱范围的选择、扫描速度、接谱等的控制。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (9)
1.一种用于一维纳米结构探针的单细胞光电检测系统，其特征在于，包括：微操作系统、固定装置、电信号检测装置、超长物距显微系统、照明装置、第一光激发装置、第一成像探测装置、共聚焦扫描系统、第二光激发装置、第二成像探测装置、光谱探测装置和控制装置；
其中，
固定装置，用于固定一维纳米结构探针以及接收一维纳米结构探针上的电信号并传送给电信号检测装置；
微操作系统，与固定装置连接，通过操纵固定装置控制一维纳米结构探针的移动；
电信号检测装置，用于检测固定装置接收的一维纳米结构探针的电信号，并发送给控制装置；
超长物距显微系统，用于观察细胞和一维纳米结构探针及其移动或用于细胞和一维纳米结构探针的荧光信号的检测，并将荧光信号传送给光谱探测装置；
照明装置，用于为超长物距显微系统提供照明，完成明场成像；
第一光激发装置，用于超长物距显微系统进行荧光信号检测时激发光；
第一成像探测装置，用于对超长物距显微系统观察到的一维纳米结构探针和细胞进行明场成像或用于对超长物距显微系统检测到的细胞和一维纳米结构探针的荧光信号进行荧光成像，并将成像信号发送给控制装置；
共聚焦扫描系统，用于细胞和一维纳米结构探针的荧光信号的逐层扫描和检测，并传送给第二成像探测装置和光谱探测装置；
第二光激发装置，用于共聚焦扫描系统进行荧光信号检测时激发光；
第二成像探测装置，用于接收共聚焦扫描系统传出的荧光信号，并完成荧光成像，并将成像信号传入控制装置；
光谱探测装置，用于接收共聚焦扫描系统或超长物距显微系统传出的荧光信号，完成光谱信号的采集，并将光谱信号传入控制装置；
控制装置，用于电信号检测装置检测过程中扫描速度、电流强度、电压的控制；用于第二成像探测装置进行荧光成像过程中的激光强度、光电倍增管电压、扫描步长、局部放大区域、激光切换、三维重构的控制；用于光谱探测装置进行光谱信号的采集时光栅的更换、光谱范围的选择、扫描速度、接谱的控制；用于光激发装置进行激发光时不同激光的切换、激光功率的选择；
所述超长物距显微系统为工作距离为17mm以上的物距正置显微镜；
所述共聚焦扫描系统包括二维移动台和倒置激光扫描共聚焦显微镜；
采用正倒置相结合，倒置激光扫描共聚焦显微镜的镜头与超长物距正置显微镜的镜头相对设置，两个显微镜的镜头出来的光是完全重合的。
2.根据权利要求1所述的单细胞光电检测系统，其特征在于，
所述二维移动台用于实现细胞的移动，以及与微操作系统结合实现对一维纳米结构探针的操纵，进一步配合倒置激光扫描共聚焦显微镜完成细胞和一维纳米结构探针的荧光信号的逐层扫描。
3.根据权利要求1所述的单细胞光电检测系统，其特征在于，所述光谱探测装置为分辨率大于0.05nm的光谱仪。
4.根据权利要求1所述的单细胞光电检测系统，其特征在于，所述微操作系统为x、y、z、θ四维微操作，用于操纵一维纳米结构探针在x、y、z、θ四个维度上的移动。
5.根据权利要求1所述的单细胞光电检测系统，其特征在于，所述电信号检测装置为电化学工作站。
6.根据权利要求1所述的单细胞光电检测系统，其特征在于，所述第一光激发装置包括汞灯和氦镉激光器，所述氦镉激光器的激光波长为325nm、442nm。
7.根据权利要求1所述的单细胞光电检测系统，其特征在于，所述的第二光激发装置包括固体激光器和多线氩离子激光器；所述固体激光器可激发光的波长为405nm、561nm、640nm，所述多线氩离子激光器可激发光的波长为457nm、488nm、514nm。
8.根据权利要求1所述的单细胞光电检测系统，其特征在于，所述第一成像探测装置和第二成像探测装置均为CCD。
9.根据权利要求1所述的单细胞光电检测系统，其特征在于，所述照明装置为卤素灯。
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