CN109975249A - 一种基于有序纳米结构阵列的lspr传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于有序纳米结构阵列的局域表面等离子体共振（localized surface plasmon resonance,LSPR）传感装置，包括光源单元、传感单元、检测单元及显示单元，所述传感单元设于光源单元与检测单元之间，所述检测单元与显示单元电连接；所述光源单元用于提供光信号，所述传感单元为内表面集成有序纳米结构阵列的半封闭细胞培养池，所述光源单元发出的光信号可穿过传感单元到达检测单元，所述检测单元用于将光信号转化为电信号，所述显示单元用于输出检测结果。本发明公开的一种基于有序纳米结构阵列的LSPR传感装置能够将细胞‑基底接触面积的信号实时地转化为LSPR光谱强度信号，从而实现对细胞黏附和铺展全过程的原位实时监测；且细胞‑基底接触面积的信号与LSPR光谱强度信号线性相关，进而对细胞黏附和铺展全过程具有半定量监测功能。
Description
技术领域
本发明涉及光学传感器领域，特别涉及一种基于有序纳米结构阵列的LSPR传感装置。
背景技术
细胞的黏附和铺展过程是细胞分化，增殖和迁移的前提和基础，是评估细胞在特定的基底材料上或特定的生化环境中的活性的重要标准。在再生医学领域，植入支架的细胞相容性是评价其性能的关键因素。通常通过观察细胞在支架表面的黏附率、黏附速度等来评估支架材料的有效性。在肿瘤研究领域，通过对肿瘤细胞黏附行为的观察和监测可以为研究肿瘤的生长，浸润，再生和迁移等行为奠定基础。此外，对细胞黏附和铺展过程的监测也应用于药物筛选、毒性分子检测和生物材料的细胞相容性评估等。因此，细胞黏附和铺展过程的监测对于基础科学研究和生物医学应用都有着重要的价值。
现阶段主要通过压电传感器、电子细胞-基底阻抗传感器或表面等离子体共振（surface plasmonic resonance, SPR）传感器实现细胞黏附和铺展过程的检测。压电传感器（例如石英晶体微量天平）虽然可感知细胞黏附过程中产生的微小质量变化，但检测过程中产生的物理振荡会使细胞强制分离并诱导细胞凋亡。电子细胞-基底阻抗传感器通过记录由于上下电极之间细胞覆盖面积的增大而引起的阻抗变化来反映细胞的黏附和铺展过程。该传感器具有物理无创性，适用于实时和长期监测，但该方法不能区分黏附在基底上的细胞和悬浮在溶液中的细胞，无法区分活细胞和死细胞。相比较而言，表面等离子体共振传感器以光学方法检测传感器表面折射率的变化，是一种实时、长期、免标记的检测方法，对细胞生理状态影响最小，目前受到人们的普遍关注。而LSPR传感器除具有SPR传感器的上述优点之外，还具有对局域折射率变化感知更灵敏、所需设备简单、价格低，以及能与拉曼光谱联用实现定性检测等特点。
利用LSPR传感器检测细胞黏附和铺展过程具有相当大的意义和潜力，然而，当前仍缺乏对细胞黏附和铺展过程进行实时、半定量监测的LSPR传感装置。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供了一种基于有序纳米结构阵列的LSPR传感装置，可有效将细胞-基底接触面积信号转化为LSPR光谱信号，从而实现对细胞黏附和铺展过程的实时原位监测。
一种基于有序纳米结构阵列的LSPR传感装置，包括光源单元、传感单元、检测单元及显示单元，所述传感单元设于光源单元与检测单元之间，所述检测单元与显示单元电连接；所述光源单元用于提供光信号，所述传感单元为内表面集成有序纳米结构阵列的半封闭细胞培养池，所述光源单元发出的光信号可穿过传感单元到达检测单元，所述检测单元用于将光信号转化为电信号，所述显示单元用于输出检测结果。
进一步的，所述有序纳米结构阵列包括有序纳米颗粒阵列、纳米孔阵列或纳米锥阵列。
进一步的，所述有序纳米结构阵列包括纳米锥阵列，所述纳米锥阵列为铝纳米锥阵列，所述铝纳米锥阵列由透明的聚合物基底和金属层组成。
进一步的，所述LSPR传感装置还包括形貌观察单元及形貌记录单元，所述形貌观察单元用于观察传感单元中的细胞形貌，所述形貌记录单元用于记录细胞形貌并将结果传输至显示单元。
进一步的，所述形貌观察单元为具有光学放大功能的显微镜，所述形貌记录单元为能够将光学显微图像转换为电信号的电感耦合元件。
进一步的，所述显示单元为具有数据处理和显示功能的终端。
进一步的，所述显示单元为计算机。
进一步的，所述光源单元为单色光源。
进一步的，所述光源单元为配设有分光器的白光光源。
进一步的，所述检测单元为光谱仪或光电二极管。
本发明所起到的有益技术效果如下：
与现有技术相比较，本发明公开的一种基于有序纳米结构阵列的LSPR传感装置，能够将细胞-基底接触面积的信号实时地转化为LSPR光谱强度信号，从而实现对细胞黏附和铺展全过程的原位实时监测；且细胞-基底接触面积的信号与LSPR光谱强度信号线性相关，进而对细胞黏附和铺展全过程具有半定量监测功能。值得注意的是，有序纳米结构阵列表面结构的均一性是该半定量检测过程的结构基础，相对于金属颗粒沉积得到的基底和无序的纳米结构基底，有序纳米结构阵列具有高度均一的表面形貌，在不同批次之间具有结构一致性。此外，本发明公开的LSPR传感装置结构简单，细胞接种后无需人工操作；并且，将LSPR传感装置与拉曼光谱联用还可实现对细胞黏附和铺展过程的定性检测。
附图说明
图1为本发明基于有序纳米结构阵列的LSPR传感装置的整体结构示意图。
图2为利用本发明所述LSPR传感装置监测细胞黏附和铺展过程中的LSPR信号随时间变化曲线图。
图3为利用本发明所述LSPR传感装置监测细胞黏附和铺展过程中的LSPR传感基底表面形貌光学照片。
附图标记说明：
1-光源单元、2-传感单元、3-检测单元、4-形貌观察单元、5-形貌记录单元、6-显示单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征更易被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚的界定。
实施例1：
本实施例提供了一种基于有序纳米结构阵列的LSPR传感装置，包括光源单元1、传感单元2、检测单元3及显示单元6。所述传感单元2设于光源单元1与检测单元3之间，所述检测单元3与显示单元6电连接。所述光源单元1用于提供光信号。所述传感单元2为内表面集成有序纳米结构阵列的半封闭细胞培养池，便于细胞在培养池内的有序纳米结构阵列表面进行黏附和铺展。所述光源单元1发出的光信号可穿过传感单元2到达检测单元3，所述检测单元3用于将光信号转化为电信号。所述显示单元6用于输出检测结果，一般为具有数据处理和显示功能的终端，如计算机。本实施例中，所述光源单元1为配设有分光器的白光光源；所述检测单元3为紫外分光光谱仪；所述有序纳米结构阵列为纳米锥阵列，所述纳米锥阵列为铝纳米锥阵列，所述铝纳米锥阵列由透明的聚合物基底和金属层组成，其中金属层厚度为50nm。前述铝纳米锥阵列主要是通过简单的、低成本的软刻光方法及金属热蒸发镀膜技术制备而成。该制备方法简单、成本低，有利于传感器的大规模工业生产。
本发明的主要优点在于：
首先，铝纳米锥阵列LSPR传感基底能将细胞-基底接触面积的信号实时地转化为LSPR光谱强度信号，从而实现对细胞黏附和铺展全过程的原位实时监测。其次，有序铝纳米锥阵列能将细胞-基底接触面积的信号线性地转化为LSPR光谱强度信号，从而实现对细胞黏附和铺展全过程的半定量监测。特别需要注意的是，无细胞时，有序铝纳米锥阵列的传感对象为折射率均一的培养液，有序铝纳米锥阵列的每一个结构单元（纳米锥）对总的光谱信号具有相同的贡献；细胞黏附和铺展时，高折射率的细胞逐渐取代培养液所占据的传感区域，被细胞覆盖的纳米锥会产生更强的LSPR信号，总的光谱信号与被覆盖的纳米锥数量（细胞-基底接触面积）线性相关。最后，该LSPR传感装置可与表面增强拉曼光谱联用从而同时实现对细胞黏附过程的定性和半定量检测：在反射光路上添加拉曼检测系统，细胞黏附和铺展过程中起作用的黏附分子吸附在金属纳米结构表面，该金属纳米结构表面具有增强的局域电磁场，对拉曼光谱有增强作用，可以实现对吸附分子的高灵敏定性检测；同时，设置在透射光路上的检测单元3则对细胞黏附和铺展过程进行半定量检测。
实施例2：
如图1、图2及图3所示，本实施例与实施例1类似，进一步的，所述LSPR传感装置还包括形貌观察单元4及形貌记录单元5，所述形貌观察单元4用于观察传感单元2中的细胞形貌，所述形貌记录单元5用于记录细胞形貌并将结果传输至显示单元6。本实施例中，所述形貌观察单元4为具有光学放大功能的显微镜，光学放大功能的显微镜可将细胞表面形貌图像放大至肉眼可见；所述形貌记录单元5为能够将光学显微图像转换为电信号的电感耦合元件，实时将光学显微图像转换为电信号并传输至显示单元6。此外，本实施例中所述光源单元1为单色光源，即无需经过分光器处理即可直接使用。
使用本实施例所述LSPR传感装置监测骨髓间充质干细胞黏附和铺展的主要过程如下：
1. 将细胞接种至传感单元2的铝纳米锥阵列表面后，打开光源单元1，并将传感单元2放至光路指定位置；
2. 由检测单元3实时记录透射光强度，并将光信号转化为电信号发送至显示单元6；同时由形貌观察单元4观察传感单元2中的细胞形貌且由形貌记录单元5形成光学照片传输至显示单元6；
3. 通过显示单元6绘制透射光强度与培养时间之间的关系曲线，如图2所示；并通过光学照片观察细胞形貌变化，如图3所示。
实施例3：
本实施例与实施例1或2类似，主要区别在于，所述光源单元1为中心波长为700 nm的发光二极管。此外，传感单元2内表面集成的有序纳米结构阵列为金纳米三角阵列，所述传感单元2、形貌观察单元4及形貌记录单元5设于光源单元1的同侧。
实施例4：
本实施例与实施例1或2类似，主要区别在于，传感单元2内表面集成的有序纳米结构阵列为有序金纳米孔阵列，且形貌观察单元4及形貌记录单元5设于光源单元1的同侧。此外，所述检测单元为光电二极管。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (10)
1.一种基于有序纳米结构阵列的LSPR传感装置，其特征在于，包括光源单元（1）、传感单元（2）、检测单元（3）及显示单元（6），所述传感单元（2）设于光源单元（1）与检测单元（3）之间，所述检测单元（3）与显示单元（6）电连接；所述光源单元（1）用于提供光信号，所述传感单元（2）为内表面集成有序纳米结构阵列的半封闭细胞培养池，所述光源单元（1）发出的光信号可穿过传感单元（2）到达检测单元（3），所述检测单元（3）用于将光信号转化为电信号，所述显示单元（6）用于输出检测结果。
2.如权利要求1所述一种基于有序纳米结构阵列的LSPR传感装置，其特征在于，所述有序纳米结构阵列包括有序纳米颗粒阵列、纳米孔阵列或纳米锥阵列。
3.如权利要求2所述一种基于有序纳米结构阵列的LSPR传感装置，其特征在于，所述有序纳米结构阵列包括纳米锥阵列，所述纳米锥阵列为铝纳米锥阵列，所述铝纳米锥阵列由透明的聚合物基底和金属层组成。
4.如权利要求1所述一种基于有序纳米结构阵列的LSPR传感装置，其特征在于，所述LSPR传感装置还包括形貌观察单元（4）及形貌记录单元（5），所述形貌观察单元（4）用于观察传感单元（2）中的细胞形貌，所述形貌记录单元（5）用于记录细胞形貌并将结果传输至显示单元（6）。
5.如权利要求4所述一种基于有序纳米结构阵列的LSPR传感装置，其特征在于，所述形貌观察单元（4）为具有光学放大功能的显微镜，所述形貌记录单元（5）为能够将光学显微图像转换为电信号的电感耦合元件。
6.如权利要求1所述一种基于有序纳米结构阵列的LSPR传感装置，其特征在于，所述显示单元（6）为具有数据处理和显示功能的终端。
7.如权利要求7所述一种基于有序纳米结构阵列的LSPR传感装置，其特征在于，所述显示单元（6）为计算机。
8.如权利要求1所述一种基于有序纳米结构阵列的LSPR传感装置，其特征在于，所述光源单元（1）为单色光源。
9.如权利要求1所述一种基于有序纳米结构阵列的LSPR传感装置，其特征在于，所述光源单元（1）为配设有分光器的白光光源。
10.如权利要求1-9任一项所述一种基于有序纳米结构阵列的LSPR传感装置，其特征在于，所述检测单元（3）为光谱仪或光电二极管。
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