CN109297935B - 一种表面等离子体共振成像装置及方法 - Google Patents

一种表面等离子体共振成像装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种表面等离子体共振成像装置及方法，用于对细胞的吸附力及受激响应进行探测，解决了现有技术中表面等离子体共振成像方法的探测结果与细胞的实际情况之间存在较大误差的问题；包括：细胞培养组件，用于培养细胞，并用于接收细胞生长及受到外界刺激的过程中产生的表面等离子体共振信号；设置在所述细胞培养组件一侧的第一光源提供件，用于为细胞提供光刺激；设置在所述细胞培养组件及所述第一光源提供件之间的光调控组件；设置在所述细胞培养组件远离所述光调控组件一侧的共振传感组件，用于根据所述表面等离子体共振信号获取表面等离子体共振图像；从而降低了表面等离子体共振成像方法的探测结果与细胞的实际情况之间的误差。

Description

一种表面等离子体共振成像装置及方法
技术领域
本发明涉及光学传感成像领域，尤其涉及一种表面等离子体共振成像装置及方法。
背景技术
目前，针对无创光疗的细胞学机理上未完全解明，亟需分子层面高灵敏的在线监测技术来解读无创光疗的细胞学机理。
现有技术中，通常使用SPR(Surface Plasmon Resonance，中文名称为表面等离子体共振)成像方法来探测细胞，从而根据探测结果解读无创光疗的细胞学机理。
但是，现有技术中的SPR成像方法通常以细胞高通量的生化反应为主要探测对象，并未对细胞的吸附力及分子层面细胞受激响应进行探测，导致SPR成像方法的探测结果与细胞的实际情况之间存在较大误差。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种表面等离子体共振成像装置及方法，旨在解决现有技术中SPR成像方法动态范围小，且未对细胞的吸附力及细胞受激响应进行探测，导致SPR成像方法的探测结果与细胞的实际情况之间存在较大误差的技术问题。
为实现上述目的，本发明第一方面提供一种表面等离子体共振成像装置，包括：细胞培养组件，用于培养细胞，并用于接收细胞生长及受到外界刺激的过程中产生的表面等离子体共振信号变化；设置在所述细胞培养组件一侧的第一光源提供件，用于为细胞提供光刺激；设置在所述细胞培养组件及所述第一光源提供件之间的光调控组件，用于对第一光源提供件发出的光线进行远心光路处理，并对光线滤波及调节光线的强度；设置在所述细胞培养组件远离所述光调控组件一侧的共振传感组件，用于根据所述表面等离子体共振信号构造表面等离子体共振图像。
进一步地，所述细胞培养组件包括：培养盒，所述培养盒一侧开设有开口，且未开设所述开口的侧面开设有进液口及出液口；设置在所述培养盒开设开口一侧、并将所述开口封闭的棱镜；设置在所述棱镜封闭所述开口一侧的金属膜；设置在所述金属膜远离所述棱镜一侧的石墨烯层；设置在所述石墨烯层远离所述金属膜一侧的探针分子。
进一步地，所述光调控组件包括：远心光路镜头；设置在所述远心光路镜头的出光口一侧的液晶可调谐滤波器；以及，设置在所述可调谐滤波器远离所述远心光路镜头一侧的可变衰减片，所述第一光源提供件提供的光线依次经过所述远心光路镜头、所述液晶可调谐滤波器及所述可变衰减片后进入所述细胞培养组件。
进一步地，所述共振传感组件包括：相对设置的声光可调谐滤波器及物镜；设置在所述声光可调谐滤波器远离所述细胞培养组件一侧的耦合透镜；设置在所述耦合透镜远离所述声光可调谐滤波器一侧的第二光源提供件；设置在所述物镜远离所述细胞培养组件一侧的管镜；设置在所述管镜远离所述物镜一侧的面阵探测器，且所述面阵探测器的感光面面对所述管镜的出光口。
进一步地，所述金属膜为纳米金颗粒组成的纳米金颗粒层。
进一步地，所述培养盒设置所述金属膜的相对一侧封闭且透光。
进一步地，所述第一光源提供件及所述光调控组件之间设置有第一多模光纤；所述第二光源提供件及所述耦合透镜之间设置有第二多模光纤。
进一步地，所述第一光源提供件及所述第二光源提供件均为白光光源提供件。
本发明另一方面提供一种表面等离子体共振成像方法，包括上述的表面等离子体共振成像装置，所述方法包括：向细胞培养组件内注入培养液，以使细胞成长；开启第一光源提供件，使第一光源提供件产生的光线为细胞提供光刺激；开启共振传感组件，根据细胞成长的过程中对细胞培养组件的吸附力产生的表面等离子体共振信号，以及细胞受到光刺激做出应激响应产生的表面等离子体共振信号构造表面等离子体共振图像；使用光调节组件调节从第一光源提供件射向细胞培养组件的光线波长，并在每次调节所述波长后，使用共振传感组件采集一系列不同波长下的表面等离子体共振图像；根据所述表面等离子体共振图像制作表面等离子体共振强度曲线，并根据所述曲线获取曲线对应的最佳共振波长，以每条所述曲线的最佳共振波长作为像素点构造表面等离子体共振伪彩图。
本发明提供一种表面等离子体共振成像装置，有益效果在于：能够构造细胞的表面等离子体伪彩图，并根据表面等离子体伪彩图观察细胞在生长的过程中细胞表面对细胞培养组件的吸附情况，以及细胞受到光刺激的过程中产生的受激响应，而通过观察细胞表面对细胞培养组件的吸附情况能够观察细胞的吸附力，通过观察细胞受到光刺激的受激反应能够实时收集细胞当前的状态，降低了细胞发生较大变化而不能及时探测的情况，从而降低了表面等离子体共振成像方法的探测结果与细胞的实际情况之间的误差。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明表面等离子体共振成像装置的结构示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，为一种表面等离子体共振成像装置，包括：细胞培养组件1、第一光源提供件2、光调控组件3及共振传感组件4；细胞培养组件1用于接收细胞生长及受到外界刺激的过程中产生的表面等离子体共振信号变化；第一光源提供件2设置在细胞培养组件1的一侧，用于发出光线为细胞提供光刺激；光调控组件3设置在细胞培养组件1及第一光源提供件2之间，用于对第一光源提供件2发出的光线进行远心光路处理，并对光线滤波及调节光线的强度；共振传感组件4设置在细胞培养组件1远离光调控组件3的一侧，用于根据表面等离子体共振信号获取表面等离子体共振图像。
细胞培养组件1包括：培养盒11、棱镜12、金属膜13、石墨烯层14及探针分子15；培养盒11的底部开设有开口，并且未开设开口的侧面开设有进液口111及出液口112，进液口111用于向培养盒11内注入细胞培养液，细胞培养液通过出液口112能够流出培养盒11，在本实施例中，进液口111及出液口112的底部位于同一水平面的高度，在其他实施例中，进液口111及出液口112底部的高度任意，在培养盒11上可拆卸装配有两塞子，两塞子分别用于封堵或打开进液口111及出液口112，在其他实施例中，进液口111底部的水平高度还可高于或低于出液口112底部的水平高度，当进液口111底部的水平高度高于出液口112底部的水平高度时，培养液的深度不超过出液口112底部的水平高度，当进液口111底部的水平高度低于出液口112底部的水平高度时，培养液的深度不超过进液口111底部的水平高度；棱镜12设置在培养盒11开设开口的一侧，并且棱镜12将上述开口封闭；金属膜13设置在棱镜12将上述开口封闭的一侧；石墨烯层14设置在金属膜13远离棱镜12的一侧；探针分子15设置在石墨烯层14远离金属膜13的一侧；当细胞受到外界刺激后产生特征分子，上述特征分子与探针结合，产生表面等离子体共振信号变化，并且部分细胞粘附于石墨烯层14生长，其粘附面也产生表面等离子体共振信号变化。
在本实施例中，金属膜13为纳米金颗粒组成的纳米金颗粒层，应当理解的是，只要是能够产生表面等离子体共振信号的材质组成的膜，均适用于本发明提到的金属膜13；在其他实施例中，对于可以固定于金属膜13上的探针分子15类型，以及对于可生长于金属膜13上的细胞进行探测时，细胞培养组件1不设置石墨烯层14亦适用于本发明。
在本实施例中，培养盒11设置金属膜13的相对一侧封闭且透光，这样设置的培养盒11，能够减少外界物质或微生物进入培养盒11的几率，从而降低了培养盒11内的细胞受到外界物质或微生物刺激而产生表面等离子体共振信号的几率，进而降低了外界物质或微生物对表面等离子体共振装置的探测结果的影响。
光调控组件3包括：远心光路镜头31、液晶可调谐滤波器32及可变衰减片33；远心光路镜头31设置在第一光源提供件2的一侧，用于将第一光源提供件2发出的光线进行远心光路处理；液晶可调谐滤波器32设置在远心光路镜头31的出光口一侧，用于对上述光线进行滤波，调节光线的波长；可变衰减片33设置在液晶可调谐滤波器32远离远心光路镜头31的一侧，用于调节上述光线的强度，并且在第一光源提供件2提供光线后，光线首先进入远心光路镜头31，并依次经过远心光路镜头31、液晶可调谐滤波器32及可变衰减片33后进入细胞培养组件1的棱镜12。
共振传感组件4包括：声光可调谐滤波器41、物镜42、耦合透镜43、第二光源提供件44、管镜45及面阵探测器46；声光可调谐滤波器41与物镜42相对设置，即声光可调谐滤波器41与物镜42分别设置在培养盒11从顶部向底部延伸方向上的相对两侧；耦合透镜43设置在声光可调谐滤波器41远离细胞培养组件1的一侧；第二光源提供件44设置在耦合透镜43远离声光可调谐滤波器41的一侧；管镜45设置在物镜42远离细胞培养组件1的一侧；面阵探测器46设置在管镜45远离物镜42的一侧；并且第二光源发出的光线经过耦合透镜43入射至声光可调谐滤波器41进行滤波，经滤波后的光线透过棱镜12入射至金属膜13的下表面，使激发金属膜13产生表面等离子体共振效应，表面等离子体共振效应产生的吸收谱随反射光由物镜42和管镜45组成的显微系统接收，并成像于面阵探测器46。
在本实施例中，第一光源提供件2及第二光源提供件44均为白光光源提供件，即第一光源提供件2及第二光源提供件44均发出白色的光线，由于白光是复合光，由多种波段的光组成，故能够对细胞产生不同参数的光刺激。
第一光源提供件2及光调控组件3之间设置有第一多模光纤5，即第一光源提供件2发出的光线经过第一多模光纤5进入远心光路镜头31；第二光源提供件44及耦合透镜43之间设置有第二多模光纤6，即第二光源提供件44发出的光线通过第二多模光纤6进入耦合透镜43；这样设置，能够减少第一光源提供件2及第二光源提供件44发出的光线由于散射现象导致光线强度减弱，从而降低使预期光线强度与实际光线强度之间存在较大的误差，降低细胞受到的预期光刺激与实际光刺激产生较大误差，从而提高成像的精度和稳定性。
本发明提供的一种表面等离子体共振成像装置，其工作原理或过程如下：通过设置细胞培养组件1，能够对细胞进行培养，并在细胞培养的过程中第一光源提供件2能够为细胞提供光刺激，且在光调控组件3的调控下，能够调节细胞受到不同的光刺激，从而使细胞培养组件1接收细胞成长及受到光刺激的过程中因细胞粘附力变化和分泌的特征分子浓度变化而产生的表面等离子体共振信号变化，并在共振传感组件4的作用下获取表面等离子体共振图像，并使用声光可调谐滤波器41连续切换不同波长，每切换一次波长，面阵探测器46采集一幅表面等离子体共振强度图像，随后将代表不同波长的表面等离子体共振强度图像中相应的像素的强度值拟合，得出一系列表面等离子体共振强度曲线，每条曲线的强度最小值对应最佳共振波长，以一系列的最佳共振波长作为像素点构造细胞的表面等离子体伪彩图，并根据表面等离子体伪彩图观察细胞在生长的过程中细胞表面对细胞培养组件1的吸附情况和分泌的特征分子的浓度变化情况，进而反映细胞受到光刺激的过程中产生的受激响应，而通过观察细胞表面对细胞培养组件1的吸附情况能够观察细胞的吸附力，通过观察细胞分泌的特征分子浓度变化能够从分子层面反映细胞对光刺激的应激反应。通过光谱扫描，扩大了测量动态范围，实现了细胞吸附力和特征分子同时测量，对比通过显微观察宏观的细胞形态变化来理解应激反应，该方法能够从微观的分子层面和细胞贴壁力学角度同时理解细胞应激反应。
本发明还提供一种表面等离子体共振成像方法，向细胞培养组件内1注入培养液，以使细胞成长；开启第一光源提供件2，使第一光源提供件2产生的光线为细胞提供光刺激；开启共振传感组件4，根据细胞成长的过程中对细胞培养组件的吸附力产生的表面等离子体共振信号，以及细胞受到光刺激做出应激响应产生的表面等离子体共振信号构造表面等离子体共振图像；使用光调节组件调节从第一光源提供件2射向细胞培养组件1的光线波长，并在每次调节波长后，使用共振传感组件4采集一系列不同波长下的表面等离子体共振图像；根据表面等离子体共振图像制作表面等离子体共振强度曲线，并根据曲线获取曲线对应的最佳共振波长，以每条曲线的最佳共振波长作为像素点构造表面等离子体共振伪彩图。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
需要说明的是，对于前述的方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定都是本发明所必须的。
以上为对本发明所提供的一种表面等离子体共振成像装置及方法的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种表面等离子体共振成像装置，其特征在于，包括：
细胞培养组件，用于培养细胞，并用于接收细胞生长及受到外界刺激的过程中产生的表面等离子体共振信号变化；
设置在所述细胞培养组件一侧的第一光源提供件，用于为细胞提供光刺激；
设置在所述细胞培养组件及所述第一光源提供件之间的光调控组件，用于对第一光源提供件发出的光线进行远心光路处理，并对光线滤波及调节光线的强度；
设置在所述细胞培养组件远离所述光调控组件一侧的共振传感组件，用于根据所述表面等离子体共振信号构造表面等离子体共振图像；
所述细胞培养组件包括：培养盒，所述培养盒一侧开设有开口，且未开设所述开口的侧面开设有进液口及出液口；
设置在所述培养盒开设开口一侧、并将所述开口封闭的棱镜；
设置在所述棱镜封闭所述开口一侧的金属膜；
设置在所述金属膜远离所述棱镜一侧的石墨烯层；
设置在所述石墨烯层远离所述金属膜一侧的探针分子；
所述光调控组件包括：远心光路镜头；
设置在所述远心光路镜头的出光口一侧的液晶可调谐滤波器；以及，
设置在所述可调谐滤波器远离所述远心光路镜头一侧的可变衰减片，所述第一光源提供件提供的光线依次经过所述远心光路镜头、所述液晶可调谐滤波器及所述可变衰减片后进入所述细胞培养组件；
所述共振传感组件包括：
相对设置的声光可调谐滤波器及物镜；
设置在所述声光可调谐滤波器远离所述细胞培养组件一侧的耦合透镜；
设置在所述耦合透镜远离所述声光可调谐滤波器一侧的第二光源提供件；
设置在所述物镜远离所述细胞培养组件一侧的管镜；
设置在所述管镜远离所述物镜一侧的面阵探测器，且所述面阵探测器的感光面面对所述管镜的出光口。
2.根据权利要求1所述的表面等离子体共振成像装置，其特征在于，
所述金属膜为纳米金颗粒组成的纳米金颗粒层。
3.根据权利要求1所述的表面等离子体共振成像装置，其特征在于，
所述培养盒设置所述金属膜的相对一侧封闭且透光。
4.根据权利要求1所述的表面等离子体共振成像装置，其特征在于，
所述第一光源提供件及所述光调控组件之间设置有第一多模光纤；
所述第二光源提供件及所述耦合透镜之间设置有第二多模光纤。
5.根据权利要求1所述的表面等离子体共振成像装置，其特征在于，
所述第一光源提供件及所述第二光源提供件均为白光光源提供件。
6.一种表面等离子体共振成像方法，包括如权利要求1至5任意一项所述的表面等离子体共振成像装置，所述方法包括：
向细胞培养组件内注入培养液，以使细胞成长；
开启第一光源提供件，使第一光源提供件产生的光线为细胞提供光刺激；
开启共振传感组件，根据细胞成长的过程中对细胞培养组件的吸附力产生的表面等离子体共振信号，以及细胞受到光刺激做出应激响应产生的表面等离子体共振信号构造表面等离子体共振图像；
使用光调节组件调节从第一光源提供件射向细胞培养组件的光线波长，并在每次调节所述波长后，使用共振传感组件采集一系列不同波长下的表面等离子体共振图像；
根据所述表面等离子体共振图像制作表面等离子体共振强度曲线，并根据所述曲线获取曲线对应的最佳共振波长，以每条所述曲线的最佳共振波长作为像素点构造表面等离子体共振伪彩图。
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