CN110186874A - 单层活细胞的太赫兹atr光谱快速测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单层活细胞的太赫兹ATR光谱快速测量装置及方法，太赫兹光电导辐射源经第一太赫兹离轴抛面镜、第二太赫兹离轴抛面镜、全反射棱镜后聚焦入射到硅皿上表面，并与硅皿中的单层活细胞和细胞培养液发生相互作用；携带样品信息的太赫兹波经第三太赫兹离轴抛面镜、第四太赫兹离轴抛面镜、太赫兹光电导探测器的探测实现待测样品的光谱测量；探测信号传输到计算机分析系统中，经过现傅里叶光谱变换原理，得到活细胞样品在太赫兹波段的介电响应信息。本发明在多个硅皿结构中培养细胞，并将硅皿结构置于全反射棱镜上表面，该方法操作简单，真正实现单层细胞太赫兹光谱的快速检测；同时背景和样品信号的测量时间间隔小，实验结果的误差范围明显缩小。

Description

单层活细胞的太赫兹ATR光谱快速测量装置及方法

技术领域

本发明涉及太赫兹衰减全反射(ATR)时域光谱领域，尤其涉及一种单层活细胞的太赫兹ATR光谱快速测量装置及方法。

背景技术

太赫兹(Terahertz，简称THz，1THz＝10¹²Hz)波是指频率从0.1THz-10THz范围的电磁波，波长范围为0.03mm到3mm，介于远红外光与微波之间的电磁波谱区域。其具有很多独特的性质，如瞬态性、宽带性、低能性等。因此，THz波光谱技术在生命科学、医学检测等领域有着极大的应用前景与应用价值，尤其是各类细胞的太赫兹光谱测量，已经成为当今的研究热点。

当前常见的单层细胞太赫兹光谱检测方式分为透射式检测技术和衰减全反射式(attenuated total reflection,ATR)检测技术。透射式细胞光谱检测技术具有较高的灵敏度，但是由于细胞内的液体环境对太赫兹波有强烈的吸收，同时考虑到水分挥发问题，在检测过程中往往要做到严格的水分密封，检测难度较大。目前基于透射式的细胞光谱测量方法，一般集中于干燥的脱水细胞。与透射式细胞光谱测量方法相比，衰减全反射式测量能更长时间地保持细胞活性，同时准确性更高。由于倏逝波的穿透深度大于细胞层的厚度，为了准确测量活细胞在太赫兹波段的介电响应，科研人员提出并使用了双层ATR测量模型。其中单层活细胞作为底层样品，细胞层之上的细胞培养液作为上层样品。但这种方法也存在一些问题，其一：由于将活细胞培养在全反射棱镜上表面，每种全反射棱镜上只能实现一种细胞的波谱测量。为了重复实验，需要在多个全反射棱镜上表面培养细胞，在完成一次测量后，必须不断更换全反射棱镜，导致实验操作过程繁琐复杂，实验效率降低。其二：在测量背景信号前，需将全反射棱镜上表面的单层细胞清洗干净。如果背景信号与样品信号的测量时间间隔增大，由于太赫兹时域光谱系统(terahertz time-domain spectroscopysystem,TDS)自身相位的不稳定性，导致实验结果的误差范围明显增大。

2017年，一种基于ATR双光路的细胞光谱测量方法被提出，将空白棱镜和覆盖细胞的样品棱镜分别置于机械位移台中，在光路中可以实现自由的机械切换，从而达到更换棱镜的作用。但是基于双光路的实验方法，实验装置体积较大。以上问题都直接限制活细胞在太赫兹时域光谱中的应用，制约了其在科学研究、医学诊断等领域的发展。

发明内容

本发明提供了一种单层活细胞的太赫兹ATR光谱快速测量装置及方法，本发明在多个棱镜表面培养细胞，操作简单，真正实现单层细胞太赫兹光谱的快速检测；同时背景和样品信号的测量时间间隔小，实验结果的误差范围明显缩小，详见下文描述：

一种单层活细胞的太赫兹ATR光谱快速测量装置，所述装置包括：

太赫兹光电导辐射源经第一太赫兹离轴抛面镜、第二太赫兹离轴抛面镜、全反射棱镜后聚焦入射到硅皿上表面，并与硅皿中的单层活细胞和细胞培养液发生相互作用；

携带样品信息的太赫兹波经第三太赫兹离轴抛面镜、第四太赫兹离轴抛面镜、太赫兹光电导探测器的探测实现待测样品的光谱测量。

一种基于单层活细胞的太赫兹ATR光谱快速测量方法，所述方法包括以下步骤：

1)将待测细胞培养在相同规格的硅皿结构中，待细胞贴壁生长完成后，将待测硅皿紧密贴合在全反射棱镜的上表面；

2)太赫兹光电导辐射源经第一太赫兹离轴抛面镜后，由发散光变为平行光传输；太赫兹波经第二太赫兹离轴抛面镜后，由平行光变为汇聚光传输；太赫兹入射到全反射棱镜的斜面上，并穿过全反射棱镜的上表面，聚焦入射到硅皿结构底部的硅片上，并在硅片的上表面发生衰减全反射，与单层活细胞和细胞培养发生相互作用；

3)太赫兹经第三太赫兹离轴抛面镜之后，变为平行光传输；经第四太赫兹离轴抛面镜之后，由平行光变为汇聚光传输，最终聚焦到太赫兹光电导探测器上；

4)探测信号传输到计算机分析系统中，经过傅里叶光谱变换原理，得到活细胞样品在太赫兹波段的介电响应信息。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明通过将单层细胞培养在相同规格的硅皿结构中，并将硅皿紧密贴合于全反射棱镜上表面实现了不同细胞样品的重复快速测量。

在传统方法中，由于将单层细胞培养在全反射棱镜上表面，每次测量不同细胞样品时，均需更换和清洗全反射棱镜。本发明克服传统方法中不断更换和清洗全反射棱镜的重复操作，只需替换待测的硅皿结构，即可实现不同细胞样品的重复快速测量，极大程度地提高了细胞样品的太赫兹光谱的测量速度。

2、本发明通过将单层细胞培养在相同规格的硅皿结构中，并将硅皿紧密贴合于全反射棱镜上表面，缩短了细胞样品信号和背景信号的测量时间间隔，降低了由于TDS系统自身相位的不稳定性带来的实验误差。

3、本发明由于采用太赫兹波ATR时域光谱技术，与透射式和反射式成像技术相比，其灵敏度更高，无干涉条纹，且能够长时间地保持细胞样品的活性。

4、本发明通过采用全光纤化的太赫兹时域光谱系统，能够有效地避免光学镜片受机械振动、环境因素的影响，很大程度上提高了太赫兹时域光谱系统的测量稳定性。

附图说明

图1为基于单层活细胞的太赫兹ATR光谱快速测量装置的结构示意图；

其中，1：太赫兹光电导辐射源；2：第一太赫兹离轴抛面镜；3：第二太赫兹离轴抛面镜；4：全反射棱镜；5：底部为硅片的硅皿结构；6：单层活细胞；7：细胞培养液；8：第三太赫兹离轴抛面镜；9：第四太赫兹离轴抛面镜；10：太赫兹光电导探测器。

图2为基于单层活细胞的太赫兹ATR光谱快速测量装置RPMI 1640细胞培养液的时域信号测量结果的示意图；

其中，灰色实线表示背景时域信号的测量结果；黑色实线表示RPIM 1640细胞培养液的测量结果。

图3为RPMI 1640细胞培养液在太赫兹波段吸收系数测量结果的示意图。

其中，黑色实线表示基于带有硅皿结构的太赫兹ATR光谱测量装置RPMI 1640细胞培养液在太赫兹波段吸收系数测量结果；灰色实线表示基于传统方法RPMI 1640细胞培养液在太赫兹波段吸收系数测量结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

一种单层活细胞的太赫兹ATR光谱快速测量装置，参见图1，该装置包括：太赫兹光电导辐射源1、第一太赫兹离轴抛面镜2、第二太赫兹离轴抛面镜3、全反射棱镜4、底部为硅片的硅皿结构5(包括：单层活细胞6、细胞培养液7)、第三太赫兹离轴抛面镜8、第四太赫兹离轴抛面镜9、太赫兹光电导探测器10。

太赫兹光电导辐射源1经第一太赫兹离轴抛面镜2、第二太赫兹离轴抛面镜3、全反射棱镜4后聚焦入射到硅片上表面，并与硅皿结构5中的单层活细胞6和细胞培养液7发生相互作用。其携带样品信息的太赫兹波经第三太赫兹离轴抛面镜8、第四太赫兹离轴抛面镜9、太赫兹光电导探测器10的探测，最终实现待测细胞样品的光谱测量。

综上所述，本发明实施例可以极大程度地提高了单层细胞的光谱测量速度，同时降低了由于系统自身相位的不稳定性带来的实验误差，操作简单、便捷。另外将细胞培养在密闭的硅皿结构中，能够在一定程度上减少测量过程中细胞被污染的可能性。

实施例2

一种基于单层活细胞的太赫兹ATR光谱快速测量方法，该方法包括以下步骤：

1)将待测细胞培养在相同规格的硅皿结构5中，待细胞贴壁生长完成后，将待测硅皿紧密贴合在全反射棱镜4的上表面；

2)太赫兹光电导辐射源1经第一太赫兹离轴抛面镜2后，由发散光变为平行光传输；太赫兹波经第二太赫兹离轴抛面镜3后，由平行光变为汇聚光传输；太赫兹入射到全反射棱镜4的斜面上，并穿过全反射棱镜4的上表面，聚焦入射到硅皿结构5底部的硅片上，并在硅片的上表面发生衰减全反射，与单层活细胞6和细胞培养液7发生相互作用。

其中，单层活细胞6贴壁生长在硅片的上表面，细胞培养液7置于细胞层之上。单层活细胞6作为第一样品层；细胞培养液7作为第二样品层。在理想情况下，硅片和全反射棱镜4必须紧密接触。但是在实际情况中，硅片与全反射棱镜4上表面往往会存在空气层，空气层的大小取决于硅片表面的清洁程度和硅皿所承受的压力。在背景测量和实验测量过程中，要保证硅皿上方所施加的压力完全相同。

3)太赫兹经过第三太赫兹离轴抛面镜8之后，变为平行光传输；经过第四太赫兹离轴抛面镜9之后，由平行光变为汇聚光传输，最终聚焦到太赫兹光电导探测器10上；

4)探测信号传输到计算机分析系统中，经过现有技术中的公知技术傅里叶光谱变换原理，得到活细胞样品在太赫兹波段的介电响应信息。

其中，在测量其它细胞样品或者重复测量时，无需重复清洗全反射棱镜4的表面，只需将待测的硅皿紧密贴合在全反射棱镜4的上表面，测量过程重复以上步骤。

下面结合附图进一步说明实施例1和2中的方案，详见下文描述：

本发明实施例的具体实施方案体现在一种如图1所示的太赫兹波ATR光谱测量装置中，采用该装置只需将长满细胞的待测硅皿5紧密贴合于全反射棱镜4的上表面，即可实现活细胞样品6和细胞培养液7的太赫兹波光谱测量。在测量其它细胞样品时，只需更换待测硅皿5即可。这样不仅保持测量结果与传统方法的测量结果相同，还能够极大程度上提高太赫兹波细胞光谱的测量效率。

本发明实施例的具体技术方案如下：太赫兹波经过第一太赫兹离轴抛面镜2、第二太赫兹离轴抛面镜3，并入射到全反射棱镜4的上表面。此时太赫兹波穿过硅皿5底部的硅片，在硅片的上表面发生衰减全反射，其倏逝波垂直入射到细胞层6中。

实验测量前，将硅皿5底部的硅片紧密贴合在全反射棱镜4的上表面，并使用移液管将RPIM 1640转移到空白的硅皿5中。其时域信号的测量结果如图2所示。由于全反射棱镜4的上表面与硅片下表面之间存在空气层，太赫兹波会在硅片下表面发生反射，导致在时域信号中17ps附近出现第一个时域信号峰，太赫兹波在硅片上表面发生衰减全反射，并与细胞和细胞液发生相互作用，导致在时域信号中30ps附近出现第二个时域信号峰。另外，两个时域信号峰之间的相位差，表征硅片的厚度。

为了保证实验结果的准确性，在背景测量和信号测量过程中，要保证第一个时域信号峰的相位和强度完全相同，即空气层的厚度在测量过程中保持不变。而空气层的厚度与硅片表面的清洁程度和硅皿5所承受的压力有关。在第一个时域信号峰完全相同的情况下，对第二个时域信号峰进行傅里叶变换即可得到准确的样品光谱信息。

为验证实验方法的可行性与准确性，对比了RPIM 1640细胞培养液在带有硅皿结构的太赫兹ATR光谱测量装置条件下与传统的太赫兹ATR光谱测量装置条件下的光谱测量结果，如图3所示。实验结果可知：两种条件下的吸收系数曲线基本重合，其微小的误差来源于RPIM 1640细胞培养液自身的重力。这也进一步验证本发明实施例的可行性和准确性。

本发明实施例的优点在于，能够极大程度上提高细胞的太赫兹光谱的测量效率，并降低由太赫兹时域光谱自身不稳定性带来的误差影响。在测量其它细胞样品时，克服了传统方法中需要重复清洗全反射棱镜的繁琐操作，只需将待测的硅皿紧密贴合在全反射棱镜上表面即可。基于衰减全反射式细胞太赫兹光谱测量，与透射式和反射式测量方法相比，其灵敏度更高、能够更长时间地保持细胞活性。在生命科学和医疗诊断方面有着很大的应用前景，尤其是在癌症检测等方面有着重要的应用潜力。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种单层活细胞的太赫兹ATR光谱快速测量装置，其特征在于，所述装置包括：

太赫兹光电导辐射源经第一太赫兹离轴抛面镜、第二太赫兹离轴抛面镜、全反射棱镜后聚焦入射到硅皿上表面，并与硅皿中的单层活细胞和细胞培养液发生相互作用；

携带样品信息的太赫兹波经第三太赫兹离轴抛面镜、第四太赫兹离轴抛面镜、太赫兹光电导探测器的探测实现待测样品的光谱测量。

2.一种基于单层活细胞的太赫兹ATR光谱快速测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)将待测细胞培养在相同规格的硅皿结构中，待细胞贴壁生长完成后，将待测硅皿紧密贴合在全反射棱镜的上表面；

2)太赫兹光电导辐射源经第一太赫兹离轴抛面镜后，由发散光变为平行光传输；太赫兹波经第二太赫兹离轴抛面镜后，由平行光变为汇聚光传输；太赫兹入射到全反射棱镜的斜面上，并穿过全反射棱镜的上表面，聚焦入射到硅皿结构底部的硅片上，并在硅片的上表面发生衰减全反射，与单层活细胞和细胞培养液发生相互作用；

3)太赫兹经第三太赫兹离轴抛面镜之后，变为平行光传输；经第四太赫兹离轴抛面镜之后，由平行光变为汇聚光传输，最终聚焦到太赫兹光电导探测器上；

4)探测信号传输到计算机分析系统中，经过傅里叶光谱变换原理，得到活细胞样品在太赫兹波段的介电响应信息。