CN108254632A - 基于SiO2微球运动信息分析其表面电荷密度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于SiO2微球运动信息分析其表面电荷密度的方法，包括以下步骤：(1)将SiO2微球溶液放置于样品测试装置内，用光镊系统捕获单个SiO2微球的位置变化；(2)通过四象限检测器将SiO2微球的位置变化转化为电信号，通过信号采集卡采集电信号；(3)再通过对SiO2微球运动信息的电信号进行数据处理，得到SiO2微球的阻力系数，进而分析其表面电荷密度。与现有技术相比，本发明样品制备简单，通过采用光镊系统采集微球运动信息，实现单个SiO2微球表面电荷密度的实时分析，避免机械器臂干扰，可操控特定表面电荷密度的SiO2微球，有望应用于细胞膜上带不同电荷细胞的分类和筛选。
Description
技术领域
本发明涉及SiO2微球表面电荷密度分析方法，具体涉及一种基于SiO2微球运动信息分析其表面电荷密度的方法。
背景技术
癌症是一种严重威胁人类生命与健康的疾病。对癌症的预防、发现和治疗是国内外研究热点之一。相比于正常细胞，癌细胞的细胞膜结构和通透性发生改变，癌细胞表面带大量负电荷，而细胞表面电荷与细胞信号传导密切相关，导致癌细胞产生侵袭、转移。测量细胞表面电荷的方法有膜片钳技术、测量细胞电导率法、激光电泳技术，但大都无法实现对单个癌细胞的无损伤操作和癌细胞表面电荷的实时检测。
固体浸在液体环境中时，固液界面上会有电荷存在。带电机理的类型有：电离、吸附、晶格取代。通过单个SiO2微球在不同PH值溶液中的运动状态变化，研究溶液PH值对单个SiO2微球表面电荷密度的影响，这对研究改变癌细胞表面电荷的方法、癌细胞表面电荷对其运动模式的影响或者细菌表面电荷对其黏附过程的影响具有重要的指导意义。
目前对于固液界面电荷的研究已经有很多报道。Dove和Craven利用电位滴定法测定SiO2胶体粒子表面电荷密度随溶液PH的变化，并研究了不同离子在胶体表面吸附对其表面电荷密度的影响。结果表明溶液PH值越大，SiO2胶体粒子所带负电荷越多，但是测量得到的是大量胶体粒子表面电荷密度的平均值，无法实现对单个胶体粒子的测量和操纵。表面电荷密度的变化会导致三相接触角的大小发生改变，H.Horiuchi和A.Nikolov用接触角测量法研究了PH值对SiO2圆片表面电荷密度的影响。Jing D和Bhushan B利用原子力显微镜技术测量了SiO2圆片表面电荷密度随溶液PH的变化，并研究了固液界面表面电荷对边界滑移的影响，但这些研究的都是宏观的固体SiO2圆片，并没有涉及单个SiO2微球表面电荷密度的测量及溶液PH值对SiO2微球表面电荷密度的影响。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种基于SiO2微球运动信息分析其表面电荷密度的方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于SiO2微球运动信息分析其表面电荷密度的方法，包括以下步骤：
(1)将SiO2微球溶液放置于样品测试装置内，用光镊系统捕获单个SiO2微球的位置变化；
(2)通过四象限检测器将SiO2微球的位置变化转化为电信号，通过信号采集卡采集电信号；
(3)再通过对SiO2微球运动信息的电信号进行数据处理，得到SiO2微球的阻力系数，进而分析其表面电荷密度。
进一步地，步骤(1)中所述光镊系统的捕获激光为975nm的远红外激光。
进一步地，步骤(1)所述的样品测试装置为透明并带有中间薄层空腔结构，中间薄层空腔的厚度为80-100μm。
进一步地，所述的样品测试装置由上、下玻璃片组成，中间用双面胶粘，并用凡士林封口。
进一步地，每个SiO2微球采集10-20组运动信息。
进一步地，步骤(3)对SiO2微球运动信息的电信号进行数据处理包括以下步骤：进行快速傅里叶变换，求平均值后作图，得到SiO2微球运动的功率密度谱，再进行洛伦兹拟合，得到拐角频率、扩散系数和峰的高度，最后经计算得到SiO2微球的阻力系数。
进一步地，将样品测试装置放置在压电陶瓷平台上，并将输出正弦信号的信号发生器与压电陶瓷平台连接。
进一步地，正弦信号的频率为30-40Hz，振幅为650-700nm。
进一步地，所述的SiO2微球溶液是将SiO2微球分散在不同PH值的0.01M NaCl溶液中得到，并采用浓硫酸处理SiO2微球，以除去微球表面的有机物。SiO2微球表面的硅羟基在不同PH值下电离状态发生变化，固液表面电荷密度的改变会导致其运动状态发生变化，0.01M NaCl溶液可保证离子强度不变。
本发明的具体原理为，利用光镊系统捕获SiO2微球，光镊又称为单光束梯度力光阱，激光经过透镜的聚集会形成光阱，当微粒折射率和周围介质的折射率不同时，微粒对激光折射使其稳定在光阱中心，通过移动光束可实现对单个微粒的操纵，激光操纵可避免对微粒造成机械损伤，使用远红外激光还可避免对细胞生物活性的影响。被微粒折射的激光与未被微球折射的激光之间会发生干涉，在聚光镜后焦平面的干涉图像与被捕获微粒和光阱中心的距离有关。本发明利用光镊系统捕获SiO2微球，捕获激光为975nm的远红外激光，被SiO2微球折射的激光与未被微球折射的激光之间会发生干涉，在聚光镜后焦平面的干涉图像与被捕获SiO2微球和光阱中心的距离有关。SiO2微球位置的变化被四象限检测器转化为电信号，该电信号的强弱与SiO2微球距离光阱中心的距离成正比，通过用信号采集卡采集电信号，即可实时监测SiO2微球的运动。当溶液的PH值改变，SiO2微球表面电荷密度发生变化，其运动状态也会发生变化，微粒的运动信息经过快速傅里叶变换和洛伦兹拟合，可求出微球的阻力系数，通过比较阻力系数的差异，可以检测微粒表面电荷密度的变化。
与现有技术相比，本发明样品制备简单，对SiO2微球运动数据的采集频率达到65536Hz，通过采用光镊系统，采集微球的运动信息，实现单个SiO2微球表面电荷密度的实时分析，避免机械器臂的干扰，可操控特定表面电荷密度的SiO2微球，有望应用于细胞膜上带不同电荷的细胞的分类和筛选。
附图说明
图1为本发明样品测试装置的结构示意图；
图2为SiO2微球表面电荷产生机理示意图；
图3为SiO2微球运动的功率密度谱；
图4为SiO2微球阻力系数的频率分布直方图；
图中：1-SiO2微球、2-NaCl溶液、3-远红外激光、4-上玻璃片、5-下玻璃片、6-双面胶。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种基于SiO2微球运动信息分析其表面电荷密度的方法，包括以下步骤：
(1)将SiO2微球溶液放置于样品测试装置内，用光镊系统捕获单个SiO2微球的位置变化；
(2)通过四象限检测器将SiO2微球的位置变化转化为电信号，通过信号采集卡采集电信号；
(3)再通过对SiO2微球运动信息的电信号进行数据处理，得到SiO2微球的阻力系数，进而分析其表面电荷密度。
其中，样品测试装置为透明并带有中间薄层空腔结构，中间薄层空腔的厚度为80-100μm。如图1所示，具体由上玻璃片4、下玻璃片5组成，中间用双面胶6粘，并用凡士林封口，样品测试装置内装入SiO2微球的NaCl溶液2，溶液体积是20μL，通过远红外激光3捕捉单个SiO2微球1。利用SiO2微球和不同PH值的NaCl溶液，SiO2微球表面的硅羟基在不同PH值下电离状态发生变化，如图2所示，固液表面电荷密度的改变会导致其运动状态发生变化，0.01MNaCl溶液可保证离子强度不变，用光镊系统操控SiO2微球，捕获激光为975nm的远红外激光，用四象限检测器和信号采集卡采集微球在不同PH值的NaCl溶液中的运动信息，通过微球的运动信息实时分析表面电荷密度。
具体步骤如下：
(1)玻片的清洗。依次在以下液体中超声30min：2％Hellmanex洗液，超纯水，乙醇，超纯水。除去玻片表面的油脂、松香、蜡等有机物杂质，N2吹干备用。
(2)浓硫酸处理SiO2微球，除去微球表面的有机物。具体操作是：取300μLSiO2微球溶液和1700μL水于小试管中，于3500rpm下离心3min，除去微球溶液中的乙醇。加水至2000μL，于3500rpm下离心3min，重复操作三次。除去上层清液后加浓硫酸至2000μL，超声30min使微球分散均匀，在室温下放置过夜。将微球分散在4mL水中稀释，离心，除去上层清液，水洗5次，最后加水至1mL，得到微球的水溶液。
(3)将SiO2微球分散在不同PH值的0.01M NaCl溶液中，实验步骤为：配制100mL0.01M NaCl溶液，用0.01M HCl和0.01M NaOH溶液调节至不同PH值，用不同PH值的NaCl溶液稀释微球，制备成样品在光镊系统下测量。
(4)控制压电陶瓷平台做正弦运动。具体操作是：将信号发生器与压电陶瓷平台连接，用信号发生器输出正弦信号，采集平台的运动信息并拟合，平台正弦运动的频率为32Hz，振幅为660nm。
(5)SiO2微球运动数据的采集和处理，步骤为：
用光镊捕获SiO2微球，保证视野中只有一个微球，从而避免其它微球的干扰，调整微球在样品腔中的位置，避免玻片对微球运动的干扰。每个微球用光镊数据采集软件采集20组运动信息。更换微球，每个PH下共测量50个不同微球的运动信息。
微球的运动信息经过快速傅里叶变换之后符合如下公式：
其中，P(f)是频率为f时对应的功率大小，D是微球的扩散系数真实值，fc是拐角频率，fdrive是平台正弦运动的频率，A是平台正弦运动的振幅。对于每个微球的20组运动信息分别进行快速傅里叶变换，求平均值后作图，得到微球运动的功率密度谱图，如图3所示，按照上面所述公式对其进行洛伦兹拟合，得到拐角频率fc、微球的扩散系数测量值Dvolt和图中尖峰的高度，根据峰面积理论值和实验值的比值，求出换算系数β，kB是玻尔兹曼常数，T是开尔文温度，根据下面的公式计算得到光镊的光阱刚度κex，光阱刚度越大，光镊的捕获能力越强。
而微球的阻力系数γex可以根据下面的公式求得：
最后对不同PH下微球的阻力系数进行F检验和t检验，判断不同PH下微球的阻力系数有无显著性差异。
实验结果如图4所示，在PH为5.02的0.01M NaCl溶液中，50个SiO2微球阻力系数的平均值为1.09×10-8N s/m，标准偏差为2.70×10-9，在PH为8.93的0.01M NaCl溶液中，50个SiO2微球阻力系数的平均值为1.42×10-8N s/m，标准偏差为3.07×10-9。经过F检验和t检验，两组数据的平均值有显著性差异，证明SiO2微球表面电荷密度不同，即PH值越大，电荷密度越大，可通过本方法基于SiO2微球运动信息分析其表面电荷密度，该方法有望应用于细胞膜上带不同电荷的细胞的分类和筛选。
Claims (9)
1.一种基于SiO2微球运动信息分析其表面电荷密度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将SiO2微球溶液放置于样品测试装置内，用光镊系统捕获单个SiO2微球的位置变化；
(2)通过四象限检测器将SiO2微球的位置变化转化为电信号，通过信号采集卡采集电信号；
(3)再通过对SiO2微球运动信息的电信号进行数据处理，得到SiO2微球的阻力系数，进而分析其表面电荷密度。
2.根据权利要求1所述的一种基于SiO2微球运动信息分析其表面电荷密度的方法，其特征在于，步骤(1)中所述光镊系统的捕获激光为975nm的远红外激光。
3.根据权利要求1所述的一种基于SiO2微球运动信息分析其表面电荷密度的方法，步骤(1)所述的样品测试装置为透明并带有中间薄层空腔结构，中间薄层空腔的厚度为80-120μm。
4.根据权利要求3所述的一种基于SiO2微球运动信息分析其表面电荷密度的方法，其特征在于，所述的样品测试装置由上、下玻璃片组成，中间用双面胶粘，并用凡士林封口。
5.根据权利要求1所述的一种基于SiO2微球运动信息分析其表面电荷密度的方法，其特征在于，每个SiO2微球采集10-20组运动信息。
6.根据权利要求5所述的一种基于SiO2微球运动信息分析其表面电荷密度的方法，其特征在于，步骤(3)对SiO2微球运动信息的电信号进行数据处理包括以下步骤：进行快速傅里叶变换，求平均值后作图，得到SiO2微球运动的功率密度谱，再进行洛伦兹拟合，得到拐角频率、扩散系数和峰的高度，最后经计算得到SiO2微球的阻力系数。
7.根据权利要求1所述的一种基于SiO2微球运动信息分析其表面电荷密度的方法，其特征在于，将样品测试装置放置在压电陶瓷平台上，并将输出正弦信号的信号发生器与压电陶瓷平台连接。
8.根据权利要求7所述的一种基于SiO2微球运动信息分析其表面电荷密度的方法，其特征在于，正弦信号的频率为30-40Hz，振幅为650-700nm。
9.根据权利要求1所述的一种基于SiO2微球运动信息分析其表面电荷密度的方法，其特征在于，所述的SiO2微球溶液是将SiO2微球分散在不同PH值的0.01M NaCl溶液中得到，并采用浓硫酸处理SiO2微球，以除去微球表面的有机物。
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