CN110108635B - 一种单细胞粘附力测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物科学领域，一种单细胞粘附力测量方法，单细胞粘附力测量装置包括扫描电镜腔、储气罐、水蒸汽源、进气管、真空室、电子枪、电子探测器、位移台I、致动器、微操纵器、位移台II、衬底、细胞样品、计算机、扫描电镜、气管和电缆，基于扫描电镜技术，将扫描电镜技术与特殊的细胞操纵技术相结合，采用特殊的微操纵器及衬底，在对细胞进行操纵的同时能够实时地进行粘附力测量，并且由于微操纵器是从细胞的下侧来操纵细胞，因此能够减小测量过程中细胞的形变，测量结果准确，实验方法简单。
Description
技术领域
本发明涉及生物科学领域，尤其是一种采用特殊的微操纵器及衬底的一种单细胞粘附力测量方法。
背景技术
细胞与材料之间的粘附力是细胞重要的特性，对细胞的培养及再生有重要的意义，通常通过测量细胞与某种材料制成的衬底之间的粘附力来定性地研究，现有技术中通常采用原子力显微镜、微量移液器等装置通过操纵细胞的方法来研究细胞的粘附力，其缺点是在对细胞进行操纵及测量过程中，会造成细胞有较大的形变，从而影响测量结果的准确性，所述一种单细胞粘附力测量方法能够解决问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明方法基于扫描电镜技术，采用特殊的微操纵器及衬底，在对细胞操纵的同时进行粘附力测量，并能够减小测量过程中细胞的形变。
本发明所采用的技术方案是：
单细胞粘附力测量装置包括扫描电镜腔、储气罐、水蒸汽源、进气管、真空室、电子枪、电子探测器、位移台I、致动器、微操纵器、位移台II、衬底、细胞样品、计算机、扫描电镜、气管和电缆，xyz为三维坐标系，进气管的一端位于扫描电镜腔内、另一端位于扫描电镜腔外并通过气管分别连接储气罐和水蒸汽源，真空室安装于扫描电镜腔的上面，电子枪连接于真空室的下端，电子枪、电子探测器、位移台I、致动器、微操纵器、位移台II、衬底和细胞样品均位于扫描电镜腔内，电子探测器、位移台I、致动器和位移台II均分别通过电缆连接计算机，位移台II位于电子枪下方的16厘米处，衬底置于位移台II的上面，衬底的上表面吸附有细胞样品，衬底的上部由平行的条状凸起和空隙组成；当电子枪向衬底发射电子，并与衬底表面相互作用后，其中一部分形成反射电子，电子探测器位于位移台II的侧上方，用于探测衬底表面的反射电子，电子探测器能够将探测到的电子信息输入计算机，通过计算机能够控制位移台I和位移台II的三维移动；微操纵器由一块长度为200微米、宽度为40微米、厚度为6微米的金属片加工而成且具有弹性，微操纵器具有前端和后端，前端具有平行排列的三个操纵指，操纵指具有相互呈20度角的前段和后段，微操纵器的后端通过致动器连接于位移台I，计算机能够控制致动器并带动微操纵器在xz平面内以微操纵器的后端为轴线转动，转动范围为正负15度角；微操纵器的弹性系数为0.7牛/米，微操纵器前端的三个操纵指均是长度为30微米、宽度为0.8微米、高度为4微米，相邻操纵指的间隔为1.2微米，操纵指的前段的长度为8微米、宽度为0.8微米、高度为1微米；衬底上部的每个条状凸起的宽度均为1微米、高度为6微米，相邻的条状凸起之间的空隙宽度为1微米，衬底由聚甲基丙烯酸甲酯PMMA片微加工而成，衬底表面镀有厚度为20微米的金膜；细胞样品中的细胞的尺寸范围为2微米至4微米，细胞样品中包含不同种类的细胞。
所述一种单细胞粘附力测量方法的步骤为：
步骤一，采用扫描电镜监测微操纵器与衬底的相对位置，并通过计算机控制位移台I及位移台II在xyz方向的三维移动，以使得微操纵器与衬底相互接近；
步骤二，通过扫描电镜得到衬底及细胞样品的图像，选择衬底上表面的一个细胞作为待测细胞来进行后续测量实验，通过计算机控制位移台II移动，使得微操纵器的操纵指移动至所述待测细胞的侧上方距离为100微米处；
步骤三，通过计算机控制致动器并带动微操纵器，使得微操纵器的操纵指的前段与衬底上部的待测细胞所在的条状凸起之间的空隙平行；
步骤四，通过计算机控制位移台II向上移动，使得微操纵器的操纵指嵌入待测细胞所在的条状凸起之间的空隙中；
步骤五，通过计算机控制位移台II水平移动，使得微操纵器的操纵指沿着条状凸起之间的空隙移动，直到操纵指位于待测细胞的下方；
步骤六，通过计算机控制位移台II向下移动，使得微操纵器的操纵指的前段将整个待测细胞托起并与衬底分离，并通过扫描电镜监测微操纵器的形变，得到微操纵器在竖直方向相对于其不受外力状态时的形变距离δ；
步骤七，估算微操纵器所受到的力F＝k·δ，其中k为微操纵器的弹性系数，最终得到待测细胞在脱离衬底的上表面时的粘附力。
本发明的有益效果是：
本发明对细胞进行操纵的同时能够实时地进行粘附力测量，并且由于微操纵器是从细胞的下侧来操纵细胞，因此测量过程中细胞的形变较小，测量结果准确，实验方法简单。
附图说明
下面结合本发明的图形进一步说明：
图1是本发明示意图；
图2是微操纵器的放大示意图；
图3是图2的俯视图；
图4是衬底的放大示意图；
图5是微操纵器对待测细胞进行操纵过程之一的放大示意图；
图6是微操纵器对待测细胞进行操纵过程之二的放大示意图；
图7是微操纵器对待测细胞进行操纵过程之三的放大示意图；
图8是微操纵器对待测细胞进行操纵过程之四的放大示意图。
图中，1.扫描电镜腔，2.储气罐，3.水蒸汽源，4.进气管，5.真空室，6.电子枪，7.电子探测器，8.位移台I，9.致动器，10.微操纵器，11.位移台II，12.衬底，13.细胞样品，14.计算机。
具体实施方式
如图1是本发明示意图，包括扫描电镜腔(1)、储气罐(2)、水蒸汽源(3)、进气管(4)、真空室(5)、电子枪(6)、电子探测器(7)、位移台I(8)、致动器(9)、微操纵器(10)、位移台II(11)、衬底(12)、细胞样品(13)、计算机(14)、扫描电镜、气管和电缆，xyz为三维坐标系，进气管(4)的一端位于扫描电镜腔(1)内、另一端位于扫描电镜腔(1)外并通过气管分别连接储气罐(2)和水蒸汽源(3)，真空室(5)安装于扫描电镜腔(1)的上面，电子枪(6)连接于真空室(5)的下端，电子枪(6)、电子探测器(7)、位移台I(8)、致动器(9)、微操纵器(10)、位移台II(11)、衬底(12)和细胞样品(13)均位于扫描电镜腔(1)内，电子探测器(7)、位移台I(8)、致动器(9)和位移台II(11)均分别通过电缆连接计算机(14)，位移台II(11)位于电子枪(6)下方的16厘米处，衬底(12)置于位移台II(11)的上面，衬底(12)的上表面吸附有细胞样品(13)，衬底(12)的上部由平行的条状凸起和空隙组成；当电子枪(6)向衬底(12)发射电子，并与衬底(12)表面相互作用后，其中一部分形成反射电子，电子探测器(7)位于位移台II(11)的侧上方，用于探测衬底(12)表面的反射电子，电子探测器(7)能够将探测到的电子信息输入计算机(14)，通过计算机(14)能够控制位移台I(8)和位移台II(11)的三维移动；微操纵器(10)由一块长度为200微米、宽度为40微米、厚度为6微米的金属片加工而成且具有弹性，微操纵器(10)具有前端和后端，前端具有平行排列的三个操纵指，操纵指具有相互呈20度角的前段和后段，微操纵器(10)的后端通过致动器(9)连接于位移台I(8)，计算机(14)能够控制致动器(9)并带动微操纵器(10)在xz平面内以微操纵器(10)的后端为轴线转动，转动范围为正负15度角；细胞样品(13)中的细胞的尺寸范围为2微米至4微米，细胞样品(13)中包含不同种类的细胞。
如图2是微操纵器的放大示意图，如图3是图2的俯视图，微操纵器(10)由一块长度为200微米、宽度为40微米、厚度为6微米的金属片加工而成且具有弹性，微操纵器(10)的弹性系数为0.7牛/米，微操纵器(10)具有前端和后端，前端具有平行排列的三个操纵指，操纵指具有相互呈20度角的前段和后段，微操纵器(10)前端的三个操纵指均是长度为30微米、宽度为0.8微米、高度为4微米，相邻操纵指的间隔为1.2微米，操纵指的前段的长度为8微米、宽度为0.8微米、高度为1微米。
如图4是衬底的放大示意图，衬底(12)的上部由平行的条状凸起和空隙组成，衬底(12)上部的每个条状凸起的宽度均为1微米、高度为6微米，相邻的条状凸起之间的空隙宽度为1微米，衬底(12)由聚甲基丙烯酸甲酯PMMA片微加工而成，衬底(12)表面镀有厚度为20微米的金膜。
如图5是微操纵器对待测细胞进行操纵过程之一的放大示意图，通过计算机(14)控制致动器(9)并带动微操纵器(10)，使得微操纵器(10)的操纵指的前段与衬底(12)上部的待测细胞所在的条状凸起之间的空隙平行。
如图6是微操纵器对待测细胞进行操纵过程之二的放大示意图，通过计算机(14)控制位移台II(11)向上移动，使得微操纵器(10)的操纵指嵌入待测细胞所在的条状凸起之间的空隙中。
如图7是微操纵器对待测细胞进行操纵过程之三的放大示意图，通过计算机(14)控制位移台II(11)水平移动，使得微操纵器(10)的操纵指沿着条状凸起之间的空隙移动，直到操纵指位于待测细胞的下方。
如图8是微操纵器对待测细胞进行操纵过程之四的放大示意图，通过计算机(14)控制位移台II(11)向下移动，使得微操纵器(10)的操纵指的前段将整个待测细胞托起并与衬底(12)分离。
扫描电镜的原理：扫描电镜是扫描电子显微镜的简称，扫描电镜为现有技术的常用装置，电子枪(6)和电子探测器(7)均属于扫描电镜，其工作原理是电子与物质的相互作用，即利用聚焦得非常细的高能电子束对样品表面进行扫描，从样品表面发射出的二次电子能够反映出样品上的某些物理信息，采用电子探测器对二次电子进行收集并转化为电信号输入计算机，计算机处理所述电信号后能够得到与样品的空间特性相关的图像。
粘附力测量的原理：待测细胞在衬底(12)上的粘附力近似等于微操纵器(10)的受力F，微操纵器(10)所受到的力能够通过公式F＝k·δ来估算，其中k为微操纵器(10)的弹性系数，δ为操纵器(10)在竖直方向相对于其不受外力状态时的形变距离。
所述一种单细胞粘附力测量方法的步骤为：
步骤一，采用扫描电镜监测微操纵器(10)与衬底(12)的相对位置，并通过计算机(14)控制位移台I(8)及位移台II(11)在xyz方向的三维移动，以使得微操纵器(10)与衬底(12)相互接近；
步骤二，通过扫描电镜得到衬底(12)及细胞样品(13)的图像，选择衬底(12)上表面的一个细胞作为待测细胞来进行后续测量实验，通过计算机(14)控制位移台II(11)移动，使得微操纵器(10)的操纵指移动至所述待测细胞的侧上方距离为100微米处；
步骤三，通过计算机(14)控制致动器(9)并带动微操纵器(10)，使得微操纵器(10)的操纵指的前段与衬底(12)上部的待测细胞所在的条状凸起之间的空隙平行；
步骤四，通过计算机(14)控制位移台II(11)向上移动，使得微操纵器(10)的操纵指嵌入待测细胞所在的条状凸起之间的空隙中；
步骤五，通过计算机(14)控制位移台II(11)水平移动，使得微操纵器(10)的操纵指沿着条状凸起之间的空隙移动，直到操纵指位于待测细胞的下方；
步骤六，通过计算机(14)控制位移台II(11)向下移动，使得微操纵器(10)的操纵指的前段将整个待测细胞托起并与衬底(12)分离，并通过扫描电镜监测微操纵器(10)的形变，得到微操纵器(10)在竖直方向相对于其不受外力状态时的形变距离δ；
步骤七，估算微操纵器(10)所受到的力F＝k·δ，其中k为微操纵器(10)的弹性系数，最终得到待测细胞在脱离衬底(12)的上表面时的粘附力。
本发明方法将扫描电镜技术与特殊的细胞操纵技术相结合，在对细胞进行操纵的同时测量细胞的粘附力，测量过程中细胞的形变小，实验结果准确。
Claims (1)
1.一种单细胞粘附力测量方法，单细胞粘附力测量装置包括扫描电镜腔(1)、储气罐(2)、水蒸汽源(3)、进气管(4)、真空室(5)、电子枪(6)、电子探测器(7)、位移台I(8)、致动器(9)、微操纵器(10)、位移台II(11)、衬底(12)、细胞样品(13)、计算机(14)、扫描电镜、气管和电缆，xyz为三维坐标系，进气管(4)的一端位于扫描电镜腔(1)内、另一端位于扫描电镜腔(1)外并通过气管分别连接储气罐(2)和水蒸汽源(3)，真空室(5)安装于扫描电镜腔(1)的上面，电子枪(6)连接于真空室(5)的下端，电子枪(6)、电子探测器(7)、位移台I(8)、致动器(9)、微操纵器(10)、位移台II(11)、衬底(12)和细胞样品(13)均位于扫描电镜腔(1)内，电子探测器(7)、位移台I(8)、致动器(9)和位移台II(11)均分别通过电缆连接计算机(14)；位移台II(11)位于电子枪(6)下方的16厘米处，衬底(12)置于位移台II(11)的上面，衬底(12)的上表面吸附有细胞样品(13)，衬底(12)的上部由平行的条状凸起和空隙组成；当电子枪(6)向衬底(12)发射电子，并与衬底(12)表面相互作用后，其中一部分形成反射电子，电子探测器(7)位于位移台II(11)的侧上方，用于探测衬底(12)表面的反射电子，电子探测器(7)能够将探测到的电子信息输入计算机(14)，通过计算机(14)能够控制位移台I(8)和位移台II(11)的三维移动；微操纵器(10)由一块长度为200微米、宽度为40微米、厚度为6微米的金属片加工而成且具有弹性，微操纵器(10)具有前端和后端，前端具有平行排列的三个操纵指，操纵指具有相互呈20度角的前段和后段，微操纵器(10)的后端通过致动器(9)连接于位移台I(8)，计算机(14)能够控制致动器(9)并带动微操纵器(10)在xz平面内以微操纵器(10)的后端为轴线转动，转动范围为正负15度角；微操纵器(10)的弹性系数为0.7牛/米，微操纵器(10)前端的三个操纵指均是长度为30微米、宽度为0.8微米、高度为4微米，相邻操纵指的间隔为1.2微米，操纵指的前段的长度为8微米、宽度为0.8微米、高度为1微米，衬底(12)上部的每个条状凸起的宽度均为1微米、高度为6微米，相邻的条状凸起之间的空隙宽度为1微米，衬底(12)由聚甲基丙烯酸甲酯PMMA片微加工而成，衬底(12)表面镀有厚度为20微米的金膜，细胞样品(13)中的细胞的尺寸范围为2微米至4微米，细胞样品(13)中包含不同种类的细胞，
其特征是：所述一种单细胞粘附力测量方法的步骤为：
步骤一，采用扫描电镜监测微操纵器(10)与衬底(12)的相对位置，并通过计算机(14)控制位移台I(8)及位移台II(11)在xyz方向的三维移动，以使得微操纵器(10)与衬底(12)相互接近；
步骤二，通过扫描电镜得到衬底(12)及细胞样品(13)的图像，选择衬底(12)上表面的一个细胞作为待测细胞来进行后续测量实验，通过计算机(14)控制位移台II(11)移动，使得微操纵器(10)的操纵指移动至所述待测细胞的侧上方距离为100微米处；
步骤三，通过计算机(14)控制致动器(9)并带动微操纵器(10)，使得微操纵器(10)的操纵指的前段与衬底(12)上部的待测细胞所在的条状凸起之间的空隙平行；
步骤四，通过计算机(14)控制位移台II(11)向上移动，使得微操纵器(10)的操纵指嵌入待测细胞所在的条状凸起之间的空隙中；
步骤五，通过计算机(14)控制位移台II(11)水平移动，使得微操纵器(10)的操纵指沿着条状凸起之间的空隙移动，直到操纵指位于待测细胞的下方；
步骤六，通过计算机(14)控制位移台II(11)向下移动，使得微操纵器(10)的操纵指的前段将整个待测细胞托起并与衬底(12)分离，并通过扫描电镜监测微操纵器(10)的形变，得到微操纵器(10)在竖直方向相对于其不受外力状态时的形变距离δ；
步骤七，估算微操纵器(10)所受到的力F＝k·δ，其中k为微操纵器(10)的弹性系数，最终得到待测细胞在脱离衬底(12)的上表面时的粘附力。
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