CN110567859B - 一种细胞力学特性测量设备及测量方法 - Google Patents
一种细胞力学特性测量设备及测量方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110567859B CN110567859B CN201910655491.6A CN201910655491A CN110567859B CN 110567859 B CN110567859 B CN 110567859B CN 201910655491 A CN201910655491 A CN 201910655491A CN 110567859 B CN110567859 B CN 110567859B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- probe
- laser
- light source
- displacement controller
- position detector
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 21
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 237
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 109
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims abstract description 29
- 238000000418 atomic force spectrum Methods 0.000 claims abstract description 25
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 18
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000013211 curve analysis Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 29
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 16
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 claims description 15
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 12
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 12
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 12
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 10
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 9
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 3
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 claims 2
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 62
- 230000006870 function Effects 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 239000003446 ligand Substances 0.000 description 4
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 3
- 239000000427 antigen Substances 0.000 description 2
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 101150075118 sub1 gene Proteins 0.000 description 2
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 2
- 102000029749 Microtubule Human genes 0.000 description 1
- 108091022875 Microtubule Proteins 0.000 description 1
- 241000219000 Populus Species 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 239000011324 bead Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000005754 cellular signaling Effects 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 230000037029 cross reaction Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000012482 interaction analysis Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 210000004688 microtubule Anatomy 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 238000012576 optical tweezer Methods 0.000 description 1
- 230000001991 pathophysiological effect Effects 0.000 description 1
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 238000004445 quantitative analysis Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/10—Investigating individual particles
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/01—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials specially adapted for biological cells, e.g. blood cells
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/10—Investigating individual particles
- G01N2015/1006—Investigating individual particles for cytology
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种细胞力学特性测量设备，包括激光测力系统、显微观察系统、位置控制系统、信号接收/转换与数字控制系统、后处理软件系统以及可升降载物台；激光测力系统包括双探针构件、双探针构件负重压头、激光光源和位置探测器；显微观察系统包括单筒显微镜和多光源构件；位置控制系统包括位置探测器位移控制器、激光光源位移控制器、激光测力系统位移控制器、样品台XY轴位移控制器、样品台Z轴位移控制器以及纳米Z轴位移控制器；信号接收/转换与数字控制系统包括位移台控制器、位置探测器信号处理单元以及计算机；后处理软件系统包括灵敏度测定模块、热曲线分析模块、力曲线分析模块以及全局图像处理模块。
Description
技术领域
本发明涉及生物物理中的细胞分子信号交互作用领域，尤其涉及一种细胞力学特性测量设备及测量方法。
背景技术
细胞力学特性主要为细胞杨氏模量和细胞表面粘附特性。在细胞力学中，细胞杨氏模量反映的是细胞的硬度大小。而细胞的硬度与许多生理病理状态有关。细胞表面粘附特性指的是细胞表面分子受体与细胞外配体相互结合的力学特性。生物体生理病理状态或者细胞所处微环境的改变，都可能会对细胞表面粘附特性造成影响。在生理环境下，通常由多种受体存在于细胞表面，有些受体之间是相互独立，也有些受体与受体之间相互影响，甚至单个受体对应的多个配体相互之间也可能存在交互作用。因此，两路信号分子力学交叉作用特性的定量化分析是很有必要的。
现有技术中用于细胞力学特性测量的有微吸管、磁镊、光镊、原子力显微镜和生物膜力探针等技术。其中生物膜力探针技术中也有用于细胞信号分子交互作用分析的改进技术，即双探针生物膜力探针。在上述技术中，原子力显微镜和生物膜力探针技术与本发明最为相似，原子力显微镜技术是利用微小悬臂和探针与样品直接接触获得样品表面数据的一种技术。通过微小探针与样品接触，悬臂梁发生应变，这种应变通过光路的放大转换为电压，被光敏位置探测器接收，反应样品表面的力学信息和高度信息。这种技术一般用于样品表面高度成像扫描以及样品表面力学特性表征测量。生物膜力探针是利用微管吸吮细胞或小球表征分子间特异性相互作用力学特性的一种技术。这种技术主要通过压电控制器操控微管，实现两细胞或小球间的粘附力大小或者粘附频率。这种技术主要应用于受体-配体、抗体-抗原间结合与解离的力学特性表征。
原子力显微镜虽然可以用于样品表面高度成像扫描以及样品表面力学特性表征测量，但是其结构本身限制了在细胞信号分子交互作用研究当中的应用。主要原因在于现有装置主要采用的是单探针的设计，这就导致了在对样品进行测量的时候，一次实验只能使用一根探针。如果需要利用两根或以上探针进行测量工作时，需要进行多次实验。而在多次实验之间，由于探针架的切换以及光路的调整等机器调试工作会导致大量的时间冗余。尽管近年来发展出双探针的原子力显微镜，但在测量细胞力学特性的时候，无法在视场范围内对准两个探针所测量点位，原因是受现有系统固有的横向分辨率(一般为几百nm，可见光照明的显微镜极限分辨率为200nm)限制所致。因此，现有的双探针的原子力显微镜往往采用多点测量取平均的方法来得到平均的结果而非精准的两个测量点位的测量值。另外，现有双探针的原子力显微镜设备成本昂贵且结构复杂。
生物膜力探针技术目前已较好地应用于受体-配体、抗体-抗原间结合与解离的力学特性表征，且已有学者将其发展为双生物膜力探针结构用于细胞信号分子交互作用的研究。但这项技术仍存在缺点，即测量动态范围小以及无法测量细胞杨氏模量。在进行测量时，需要利用微吸管将细胞或小球吸附，然后进行靠近-接触-回拉的运动循环，这过程当中决定了的力测量范围无法太大，限制了这项技术的力测量动态范围大小(101-103pN)。另外，这项技术采用的“探针”为吸附的细胞或小球，无法建立合适的细胞模型，所以也无法根据力-距离曲线计算合适的细胞杨氏模量结果。
另外，目前无论是商用的原子力显微镜或者是生物膜力探针技术，在进行样品测量的时候，都只能选择特定尺寸的培养皿，这是由于其紧凑的结构设计导致的，这很大程度地限制了实验样品的尺寸。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种细胞力学特性测量设备。本发明用于定量分析活细胞力学特性，能够测量两路信号分子力学交叉作用特性，且具有细胞测量兴趣区高横向分辨定位能力以及能够适应多种载物台尺寸。
本发明的目的能够通过以下技术方案实现：
一种细胞力学特性测量设备，包括激光测力系统、显微观察系统、位置控制系统、信号接收/转换与数字控制系统、后处理软件系统以及可升降载物台；
所述激光测力系统包括双探针构件、双探针构件负重压头、激光光源和位置探测器；
所述显微观察系统包括单筒显微镜和多光源构件；
所述位置控制系统包括位置探测器位移控制器、激光光源位移控制器、激光测力系统位移控制器、样品台XY轴位移控制器、样品台Z轴位移控制器以及纳米Z轴位移控制器；
所述信号接收/转换与数字控制系统包括位移台控制器、位置探测器信号处理单元以及计算机；
所述后处理软件系统包括灵敏度测定模块、热曲线分析模块、力曲线分析模块以及全局图像处理模块。
具体地，所述细胞力学特性测量设备的结构为：
单筒显微镜位于待测样品的正上方，用于观察探针与待测样品的空间位置关系。位置探测器通过定制连接构件固定在位置探测器位移控制器上，通过位置探测器位移控制器实现对位置探测器的位移控制，位置探测器用于接受来自探针背部的光信号，并将其转化为电信号。位置探测器位移控制器通过位置探测器支撑架与激光测力系统支撑架相连。激光测力系统支撑架上方与激光光源支撑架、双探针构件固定件相连接，下方则与激光测力系统位移控制器相连，通过激光测力系统位移控制器，可以实现对激光测力系统的初步位移定位。激光测力系统位移控制器以及样品台XY轴位移控制器固定在防震平台上。样品台XY轴位移控制器的上方连接有样品台Z轴位移控制器。多光源构件、开放型可升降载物台和纳米Z轴位移控制器固定在样品台Z轴位移控制器上。激光光源位移控制器固定在激光光源支撑架上，且通过定制连接构件与激光光源相连，从而实现对激光光源的空间位置控制。激光光源射出的激光光路能够照射在双探针构件的探针背部，并最终反射到位置探测器。双探针构件通过双探针构件连接件与双探针构件固定件相连，双探针构件固定件固定在激光测力系统支撑架上方。在双探针构件连接件正上方的双探针构件负重压头是用于固定双探针构件连接件。
对于激光测力系统，在进行细胞力学特性测量时，下降探针，使得探针接触到细胞表面。此时由于细胞本身的力学特性以及细胞表面分子与探针针尖的相互作用力，被测细胞对探针产生的拉力或压力会引起探针的法向形变。通过对探针悬臂梁的法向刚度标定，可以将探针悬臂梁的法向形变转化为细胞对探针的压力或拉力，从而达到测量细胞力学特性的目的。
但由于激光测力系统所检测的探针针尖与细胞表面的相互作用力大小一般是皮牛到纳牛级别，因此很难直接检测悬臂梁及其微小的法向形变，只能采取间接的检测方法。
具体地，所述激光测力系统采用的检测方法为：
激光光源发出的激光经探针悬臂梁端点背部反射后，被位置探测器接收，当被测细胞与探针悬臂梁之间的相互作用力导致探针悬臂梁发生微小法向形变时，位置探测器上所接受到的光斑的位置也随之改变，因此悬臂梁的法向形变可以通过位置探测器的光斑位置变化得到。
此时，分析光路能够得到：
D＝2θL (1)
分析悬臂梁可以得到：
将式(2)代入(1)中，可得
即探针悬臂梁的法向微小形变通过光杠杆放大了3L/l倍。其中，θ表示斜照明的方位角，L表示经悬臂梁反射后的光路长度，D表示反射光斑在位置探测器的法向偏移量，h表示悬臂梁末端的法向位移，l表示悬臂梁长度。
具体地，所述双探针构件包括视野窗也两个探针位。视野窗用于观察探针与样品的相对空间位置，确认待测点以及将样品与探针接触。每一个探针位用于固定一根探针。
在实验中，只需要对两根探针分别修饰上不同的蛋白分子，即可实现两路信号分子力学交叉作用特性的定量化测量。双探针构件中设计了两个探针位，打破了一次只能使用一根探针进行实验的限制，为此设备的应用提供了更多的可能。
具体地，所述多光源构件包括多光源灯座和固定连接件。多光源灯座内包含多个灯槽，在灯槽后方布有线槽，以便电源线的走线分布。固定连接件用来将多光源构件固定在样品台Z轴位移控制器的上方。多光源构件与开放型可升降载物台同轴心分布。
多光源构件的光源需要在每次进行实验时先打开，光源点亮后，光线可以透过透明的开放型可升降载物台中的透明玻璃样品承载部分，照射到样品。此时在单筒显微镜中观察到的样品图像高频成分具有更高的对比度，而低频成分的对比度却更低。此时在计算机当中对此图像采取归一化灰度值拉伸的方法进行对比度的增强，从而实现在数字图像上提升可视化分辨率。通过接收到的横向对比度明显提高的图像，实验人员能够更精确地选定感兴趣的细胞测量区域。
具体地，对于所述多光源构件，假设样品是一个足够薄的薄层，那么样品函数可以采用复函数进行表示：
o(x,y)＝T(x,y)·exp[jφ(x,y)]
其中，(x,y)表示样品所在平面的坐标，T(x,y)表示振幅，与样品的透过率有关；φ(x,y)表示照明光波经过物体后增加的相位；j为虚数单位。
环形分布的点光源发出的光进行准直后，可近似看作一倾斜的平面波exp(jkx·x+jky·y)，其中kx和ky分别为光波传递方向矢量在样品平面沿x和y轴方向的投影，
其中θ表示斜照明的方位角，α表示斜光束的入射角。
样品被倾斜的平面波照明后，出射的光波为：
ψ0(x,y)＝T(x,y)exp[jφ(x,y)]exp(jkx·x+jky·y)
最终到达像面的光波可以表示为：
其中，
表示卷积运算，p(x,y)是系统的相干点扩散函数。
由于探测器只能收集到光强信号，因此得到的强度图像为：
具体地，所述开放型可升降载物台包括3个部分，分别为透明玻璃样品承载部分、纳米Z轴位移控制器和底座。其中透明玻璃样品承载部分是用于承载不同尺寸大小的培养皿。目前常用的样品培养皿一般为35mm，而所述开放型可升降载物台由于其上方和侧面没有其它构件限制，可以承载更大尺寸的样品培养皿，如60mm、100mm直径的培养皿。纳米Z轴位移控制器用于实现对透明玻璃样品承载部分的空间位置调整。更大行程的Z轴位移则需要利用与底座相连的样品台Z轴位移控制器来实现。
具体地，对于位置控制系统，在测量细胞时，首先要调整光路，使激光光源照射在探针悬臂梁的背部，反射到位置探测器的正中心。调整好光路后，需要在显微观察系统的指导下，使用样品台XY轴位移控制器将待测细胞移至探针下方，随后利用激光测力系统位置控制器将探针与待测样品靠近到一个合适的距离。待探针与细胞在一定距离时，利用纳米Z轴位移控制器移动开放型可升降载物台进行测试。当开放型可升降载物台上升到一定高度引起探针的法向形变，则位置探测器产生信号差，即可测得探针与细胞之间力的关系，从而计算细胞力学特性。
具体地，对于信号接收/转换与数字控制系统，经计算机编程，通过位移台控制器驱动纳米位移台。位置探测器信号处理单元产生的信号输出至计算机，该输出信号与控制信号形成反馈回路，对纳米位移台进行控制，防止探针破损。
具体地，所述细胞力学特性测量设备中的后处理软件为基于MATLAB语言编写的CSPMmatlabGUI软件。
更进一步地，灵敏度测定模块主要功能为测定探针的灵敏度，用于后续的力曲线分析。
灵敏度测定模块包括力曲线数据读取及显示(Open&Sub)、灵敏度标定区间选择(Pt_choose)、重置(Reset)。
更进一步地，热曲线分析模块为弹簧技术计算模块，采用3条热曲线取均值的方法，具体弹簧系数计算方法为热噪声法。
热曲线分析模块包括热曲线数据读取及计算结果显示(Open&Sub1 Sub2 Sub3)、弹簧系数平均值计算(Calc)、重置(Reset)、灵敏度输入(PSDsensitivity)。
更进一步地，力曲线分析模块主要功能是Hertz模型的区间选择及拟合结果显示、粘附力区间选择及结果显示。
力曲线分析模块包括压电陶瓷灵敏度(Z piezo sens)、光点位置探测器灵敏度(PSD sens)、弹簧系数(SpringConstant)、力曲线数据读取、显示及重置(Open&Sub&Reset)、Hertz模型拟合区间选择及重置(Pt_choose&Reset)、粘附力区间选择及重置(Pt_choose&Reset)。
更进一步地，全局图像处理模块包括Zoom(对图像进行缩放)、Pan(对图像进行拖动)、Data cursor(数据点显示)。
本发明的另一目的在于提供一种细胞力学特性测量方法，包括步骤：
(1)根据实验目的选择合适的双探针；
(2)对激光光路进行调整，使激光光源照射到探针的背面，并且反射到位置探测器的中心；
(3)根据热噪声模型计算探针的弹簧系数以及标定探针的灵敏度；
(4)采用显微观察系统确定细胞测量兴趣区；
(5)通过计算机控制样品台Z轴位移控制器和纳米Z轴位移控制器，使样品与探针进行接触式测量；
(6)利用计算机获取和分析力曲线；
(7)根据力曲线计算细胞力学特性。
本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：
1、本发明由于采用光杠杆原理及双探针的设计，使得在实验当中，实验人员能够根据实验的需求选择不同弹簧系数的探针，使得本发明可以测得的力动态范围大大提升。此外，双探针构件的设计使得可以在一次实验中使用两根探针，从而使得实验人员可以对两根探针分别进行不同的处理，采用不同探针测量同一样品时的数据，使得应用范围大大提升。
2、在显微观察系统中使用多光源的方式，可以明显提高细胞测量兴趣区高横向分辨定位能力。
3、本发明采用的开放型可升降载物台使得可以使用高达100mm的样品池尺寸，从而实现对大尺寸样本(例如活体组织)上的细胞进行力学特性测量。
附图说明
图1是双探针细胞力学特性测量设备的组成结构示意图。
图2为双探针构件、多光源构件和开放型可升降载物台的空间结构示意图。
图3是激光测力系统的原理图。
图4是双探针构件的结构示意图。
图5是多光源构件的结构示意图。
图6是开放型可升降载物台的结构示意图。
图7是本发明中细胞力学特性测量方法的流程图。
在图1、图2和图6中，1—单筒显微镜、2—位置探测器、3—位置探测器位移控制器、4—位置探测器支撑架、5—激光测力系统支撑架、6—激光测力系统位移控制器、7—样品台XY轴位移控制器、8—防震平台、9—样品台Z轴位移控制器、10—激光光源支撑架、11—纳米Z轴位移控制器、12—多光源构件、13—激光光源位移控制器、14—激光光源、15—激光光路、16—双探针构件负重压头、17—双探针构件、18—开放型可升降载物台、19—双探针构件连接件、20—双探针构件固定件、21—定制连接构件。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示为一种细胞力学特性测量设备的结构示意图，包括激光测力系统、显微观察系统、位置控制系统、信号接收/转换与数字控制系统、后处理软件系统以及可升降载物台18；
所述激光测力系统包括双探针构件17、双探针构件负重压头16、激光光源14和位置探测器2；
所述显微观察系统包括单筒显微镜1和多光源构件12；
所述位置控制系统包括位置探测器位移控制器3、激光光源位移控制器13、激光测力系统位移控制器6、样品台XY轴位移控制器7、样品台Z轴位移控制器9以及纳米Z轴位移控制器11；
所述信号接收/转换与数字控制系统包括位移台控制器、位置探测器信号处理单元以及计算机；
所述后处理软件系统包括灵敏度测定模块、热曲线分析模块、力曲线分析模块以及全局图像处理模块。
所述细胞力学特性测量设备的结构为：
单筒显微镜1位于待测样品的正上方，用于观察探针与待测样品的空间位置关系。位置探测器2通过定制连接构件21固定在位置探测器位移控制器3上，通过位置探测器位移控制器3实现对位置探测器2的位移控制，位置探测器用于接受来自探针背部的光信号，并将其转化为电信号。位置探测器位移控制器3通过位置探测器支撑架4与激光测力系统支撑架5相连。激光测力系统支撑架5上方与激光光源支撑架10、双探针构件固定件20相连接，下方则与激光测力系统位移控制器6相连，通过激光测力系统位移控制器6，可以实现对激光测力系统的初步位移定位。激光测力系统位移控制器6以及样品台XY轴位移控制器7固定在防震平台8上。样品台XY轴位移控制器7的上方连接有样品台Z轴位移控制器9。多光源构件12、开放型可升降载物台18和纳米Z轴位移控制器11固定在样品台Z轴位移控制器9上。激光光源位移控制器13固定在激光光源支撑架10上，且通过定制连接构件21与激光光源14相连，从而实现对激光光源14的空间位置控制。激光光源14射出的激光光路15能够照射在双探针构件17的探针背部，并最终反射到位置探测器2。双探针构件17通过双探针构件连接件19与双探针构件固定件20相连，双探针构件固定件20固定在激光测力系统支撑架5上方。在双探针构件连接件19正上方的双探针构件负重压头16是用于固定双探针构件连接件19。如图2为双探针构件、多光源构件、开放型可升降载物台、纳米Z轴位移控制器、单筒显微镜以及杨平台Z轴位移控制器的空间结构示意图。
在本发明中，所述激光测力系统采用的检测方法的原理如图3所示：
激光光源发出的激光经探针悬臂梁端点背部反射后，被位置探测器接收，当被测细胞与探针悬臂梁之间的相互作用力导致探针悬臂梁发生微小法向形变时，位置探测器上所接受到的光斑的位置也随之改变，因此悬臂梁的法向形变可以通过位置探测器的光斑位置变化得到。
分析光路能够得到：
D＝2θL (1)
分析悬臂梁可以得到：
将式(2)代入(1)中，可得
即探针悬臂梁的法向微小形变通过光杠杆放大了3L/l倍。其中，θ表示斜照明的方位角，L表示经悬臂梁反射后的光路长度，D表示反射光斑在位置探测器2的法向偏移量，h表示悬臂梁末端的法向位移，l表示悬臂梁长度。
如图4所示为双探针构件的结构示意图，所述双探针构件包括视野窗也两个探针位。视野窗用于观察探针与样品的相对空间位置，确认待测点以及将样品与探针接触。每一个探针位用于固定一根探针。
如图5所示为多光源构件的结构示意图，所述多光源构件12包括多光源灯座和固定连接件。多光源灯座内包含多个灯槽，在灯槽后方布有线槽，以便电源线的走线分布。固定连接件用来将多光源构件12固定在样品台Z轴位移控制器9的上方。多光源构件12与开放型可升降载物台18同轴心分布。
如图6所示为开放型可升降载物台的结构示意图，所述开放型可升降载物台18包括3个部分，分别为透明玻璃样品承载部分、纳米Z轴位移控制器11和底座。
在本实施例中，透明玻璃样品承载部分的直径为50mm，用于承载不同尺寸大小的培养皿。目前常用的样品培养皿一般为35mm，而所述开放型可升降载物台18由于其上方和侧面没有其它构件限制，可以承载更大尺寸的样品培养皿，如60mm、100mm直径的培养皿。纳米Z轴位移控制器11的精度为0.3nm，最大推力为1000N，最大拉力为50N，最大行程为15μm，用于实现对透明玻璃样品承载部分的空间位置调整。更大行程的Z轴位移则需要利用与底座相连的样品台Z轴位移控制器9来实现，样品台Z轴位移控制器精度为0.3μm，行程为8mm。
具体地，所述细胞力学特性测量设备中的后处理软件为基于MATLAB语言编写的CSPMmatlabGUI软件。
更进一步地，灵敏度测定模块主要功能为测定探针的灵敏度，用于后续的力曲线分析。
灵敏度测定模块包括力曲线数据读取及显示(Open&Sub)、灵敏度标定区间选择(Pt_choose)、重置(Reset)。
更进一步地，热曲线分析模块为弹簧技术计算模块，采用3条热曲线取均值的方法，具体弹簧系数计算方法为热噪声法。
热曲线分析模块包括热曲线数据读取及计算结果显示(Open&Sub1 Sub2 Sub3)、弹簧系数平均值计算(Calc)、重置(Reset)、灵敏度输入(PSD sensitivity)。
更进一步地，力曲线分析模块主要功能是Hertz模型的区间选择及拟合结果显示、粘附力区间选择及结果显示。
力曲线分析模块包括压电陶瓷灵敏度(Z piezo sens)、光点位置探测器灵敏度(PSD sens)、弹簧系数(SpringConstant)、力曲线数据读取、显示及重置(Open&Sub&Reset)、Hertz模型拟合区间选择及重置(Pt_choose&Reset)、粘附力区间选择及重置(Pt_choose&Reset)。
更进一步地，全局图像处理模块包括Zoom(对图像进行缩放)、Pan(对图像进行拖动)、Data cursor(数据点显示)。
如图7所示为一种基于细胞力学特性测量设备的测量方法，包括步骤：
(1)根据实验目的选择合适的双探针；
(2)对激光光路进行调整，使激光光源照射到探针的背面，并且反射到位置探测器的中心；
(3)根据热噪声模型计算探针的弹簧系数以及标定探针的灵敏度；
(4)采用显微观察系统确定细胞测量兴趣区；
(5)通过计算机控制样品台Z轴位移控制器和纳米Z轴位移控制器，使样品与探针进行接触式测量；
(6)利用计算机获取和分析力曲线；
(7)根据力曲线计算细胞力学特性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种细胞力学特性测量设备，其特征在于，包括激光测力系统、显微观察系统、位置控制系统、信号接收/转换与数字控制系统、后处理软件系统以及开放型可升降载物台；
所述激光测力系统包括双探针构件、双探针构件负重压头、激光光源和位置探测器；
所述显微观察系统包括单筒显微镜和多光源构件；
所述位置控制系统包括位置探测器位移控制器、激光光源位移控制器、激光测力系统位移控制器、样品台XY轴位移控制器、样品台Z轴位移控制器以及纳米Z轴位移控制器；
所述信号接收/转换与数字控制系统包括位移台控制器、位置探测器信号处理单元以及计算机；
所述后处理软件系统包括灵敏度测定模块、热曲线分析模块、力曲线分析模块以及全局图像处理模块；
所述双探针构件包括视野窗和两个探针位；视野窗用于观察探针与样品的相对空间位置，确认待测点以及将样品与探针接触；所述视野窗为凹槽结构，凹槽结构的一侧设置两个探针位，每一个探针位用于固定一根探针；
具体结构为：
单筒显微镜位于待测样品的正上方，用于观察探针与待测样品的空间位置关系；位置探测器通过定制连接构件固定在位置探测器位移控制器上，通过位置探测器位移控制器实现对位置探测器的位移控制，位置探测器用于接受来自探针背部的光信号，并将其转化为电信号；位置探测器位移控制器通过位置探测器支撑架与激光测力系统支撑架相连；激光测力系统支撑架上方与激光光源支撑架、双探针构件固定件相连接，下方则与激光测力系统位移控制器相连，通过激光测力系统位移控制器，可以实现对激光测力系统的初步位移定位；激光测力系统位移控制器以及样品台XY轴位移控制器固定在防震平台上；样品台XY轴位移控制器的上方连接有样品台Z轴位移控制器；多光源构件、开放型可升降载物台和纳米Z轴位移控制器固定在样品台Z轴位移控制器上；激光光源位移控制器固定在激光光源支撑架上，且通过定制连接构件与激光光源相连，从而实现对激光光源的空间位置控制；激光光源射出的激光光路能够照射在双探针构件的探针背部，并最终反射到位置探测器；双探针构件通过双探针构件连接件与双探针构件固定件相连，双探针构件固定件固定在激光测力系统支撑架上方；在双探针构件连接件正上方的双探针构件负重压头是用于固定双探针构件连接件；
双探针构件通过双探针构件连接件与双探针构件负重压头固定，双探针构件连接件另一端与双探针构件固定件连接，固定在激光测 力系统支撑架上方，激光测力系统位移控制器通过双探针构件固定件实现对双探针构件的位移定位；激光光源为一个，位置探测器为一个，一个激光光源发出的激光经双探针构件中的探针背部反射后，被位置探测器接收。
2.根据权利要求1所述的一种细胞力学特性测量设备，其特征在于，所述激光测力系统采用的检测方法为：
激光光源发出的激光经探针悬臂梁端点背部反射后，被位置探测器接收，当被测细胞与探针悬臂梁之间的相互作用力导致探针悬臂梁发生微小法向形变时，位置探测器上所接受到的光斑的位置也随之改变，因此悬臂梁的法向形变通过位置探测器的光斑位置变化得到；
分析光路得到：
D=2θL （1）
分析悬臂梁得到：
将式（2）代入（1）中，可得
即探针悬臂梁的法向微小形变通过光杠杆放大了3L/l倍；其中，θ表示斜照明的方位角，L表示经悬臂梁反射后的光路长度，D表示反射光斑在位置探测器的法向偏移量，h表示悬臂梁末端的法向位移，l表示悬臂梁长度。
3.根据权利要求1所述的一种细胞力学特性测量设备，其特征在于，所述多光源构件包括多光源灯座和固定连接件；多光源灯座内包含多个灯槽，在灯槽后方布有线槽，以便电源线的走线分布；固定连接件用来将多光源构件固定在样品台Z轴位移控制器的上方。
4.根据权利要求1所述的一种细胞力学特性测量设备，其特征在于，所述开放型可升降载物台包括透明玻璃样品承载部分和底座，其中透明玻璃样品承载部分是用于承载不同尺寸大小的培养皿；纳米Z轴位移控制器用于实现对透明玻璃样品承载部分的空间位置调整。
5.根据权利要求1所述的一种细胞力学特性测量设备，其特征在于，多光源构件与开放型可升降载物台同轴心分布。
6.根据权利要求1所述的一种细胞力学特性测量设备，其特征在于，对于信号接收/转换与数字控制系统，经计算机编程，通过位移台控制器驱动纳米位移台；位置探测器信号处理单元产生的信号输出至计算机，该输出信号与控制信号形成反馈回路，对纳米位移台进行控制，防止探针破损。
7.根据权利要求1所述的一种细胞力学特性测量设备，其特征在于，所述细胞力学特性测量设备中的后处理软件为基于MATLAB语言编写的CSPMmatlabGUI软件；
灵敏度测定模块主要功能为测定探针的灵敏度，用于后续的力曲线分析；灵敏度测定模块包括力曲线数据读取及显示、灵敏度标定区间选择、重置；
热曲线分析模块为弹簧技术计算模块，采用弹簧系数计算方法为热噪声法；热曲线分析模块包括热曲线数据读取及计算结果显示、弹簧系数平均值计算、重置、灵敏度输入；
力曲线分析模块用于Hertz模型的区间选择及拟合结果显示、粘附力区间选择及结果显示；力曲线分析模块包括压电陶瓷灵敏度、光点位置探测器灵敏度、弹簧系数、力曲线数据读取、显示及重置、Hertz模型拟合区间选择及重置、粘附力区间选择及重置；
全局图像处理模块包括Zoom、Pan、Data cursor。
8.一种基于权利要求1-7任一项的细胞力学特性测量设备的测量方法，其特征在于，包括步骤：
（1）根据实验目的选择合适的双探针；
（2）对激光光路进行调整，使激光光源照射到探针的背面，并且反射到位置探测器的中心；
（3）根据热噪声模型计算探针的弹簧系数以及标定探针的灵敏度；
（4）采用显微观察系统确定细胞测量兴趣区；
（5）通过计算机控制样品台Z轴位移控制器和纳米Z轴位移控制器，使样品与探针进行接触式测量；
（6）利用计算机获取和分析力曲线；
（7）根据力曲线计算细胞力学特性。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910655491.6A CN110567859B (zh) | 2019-07-19 | 2019-07-19 | 一种细胞力学特性测量设备及测量方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910655491.6A CN110567859B (zh) | 2019-07-19 | 2019-07-19 | 一种细胞力学特性测量设备及测量方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110567859A CN110567859A (zh) | 2019-12-13 |
| CN110567859B true CN110567859B (zh) | 2021-05-14 |
Family
ID=68773168
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910655491.6A Active CN110567859B (zh) | 2019-07-19 | 2019-07-19 | 一种细胞力学特性测量设备及测量方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110567859B (zh) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111337347B (zh) * | 2020-03-13 | 2021-07-20 | 浙江大学 | 植物微观力学检测装置及其检测方法 |
| CN111693695A (zh) * | 2020-05-15 | 2020-09-22 | 华南理工大学 | 抗原与抗体蛋白结合动态作用过程信号采集及处理方法 |
| CN112067534B (zh) * | 2020-09-26 | 2023-07-14 | 宁波大学 | 单细胞质谱分析系统及方法 |
| CN112924275B (zh) * | 2021-01-25 | 2022-06-24 | 武汉大学 | 一种微力测量装置、其制备方法及原位力学测试的方法 |
| CN114112807A (zh) * | 2021-11-05 | 2022-03-01 | 国家纳米科学中心 | 细胞膜张力的定量表征方法 |
| CN115521864A (zh) * | 2022-11-29 | 2022-12-27 | 季华实验室 | 一种远程操作的力反馈自适应显微操作仪 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1090286A (ja) * | 1996-09-13 | 1998-04-10 | Nikon Corp | 原子間力顕微鏡 |
| CN103412150A (zh) * | 2013-08-30 | 2013-11-27 | 哈尔滨工业大学 | 双探针原子力显微镜及采用该显微镜实现纳米结构操作的方法 |
| CN104049111A (zh) * | 2014-07-01 | 2014-09-17 | 哈尔滨工业大学 | 基于双探针原子力显微镜的纳米卡尺及采用该纳米卡尺测量微纳米结构关键尺寸的方法 |
| CN104516098A (zh) * | 2013-09-30 | 2015-04-15 | 西门子公司 | 一种显微装置及成像方法 |
| CN104655879A (zh) * | 2015-03-05 | 2015-05-27 | 北京大学第三医院 | 一种应用原子力显微镜检测宫颈脱落细胞刚度的方法 |
| CN106841684A (zh) * | 2017-01-16 | 2017-06-13 | 长春理工大学 | 细胞生长状态的协同测量方法 |
| CN109959890A (zh) * | 2019-01-23 | 2019-07-02 | 南方医科大学 | 一种开端同轴探头的电极极化校正方法及处理终端 |
-
2019
- 2019-07-19 CN CN201910655491.6A patent/CN110567859B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1090286A (ja) * | 1996-09-13 | 1998-04-10 | Nikon Corp | 原子間力顕微鏡 |
| CN103412150A (zh) * | 2013-08-30 | 2013-11-27 | 哈尔滨工业大学 | 双探针原子力显微镜及采用该显微镜实现纳米结构操作的方法 |
| CN104516098A (zh) * | 2013-09-30 | 2015-04-15 | 西门子公司 | 一种显微装置及成像方法 |
| CN104049111A (zh) * | 2014-07-01 | 2014-09-17 | 哈尔滨工业大学 | 基于双探针原子力显微镜的纳米卡尺及采用该纳米卡尺测量微纳米结构关键尺寸的方法 |
| CN104655879A (zh) * | 2015-03-05 | 2015-05-27 | 北京大学第三医院 | 一种应用原子力显微镜检测宫颈脱落细胞刚度的方法 |
| CN106841684A (zh) * | 2017-01-16 | 2017-06-13 | 长春理工大学 | 细胞生长状态的协同测量方法 |
| CN109959890A (zh) * | 2019-01-23 | 2019-07-02 | 南方医科大学 | 一种开端同轴探头的电极极化校正方法及处理终端 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于光学杠杆法的微纳位移测量系统;张冲 等;《传感器与微系统》;20171130;第36卷(第11期);第103-108页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110567859A (zh) | 2019-12-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110567859B (zh) | 一种细胞力学特性测量设备及测量方法 | |
| Hinterdorfer et al. | Detection and localization of single molecular recognition events using atomic force microscopy | |
| US7170054B2 (en) | Scanning probe microscopy cantilever holder and scanning probe microscope using the cantilever holder | |
| JP5909020B2 (ja) | 顕微鏡対物レンズ機械検査機器 | |
| CN106645807B (zh) | 一个光电耦合环境可控原子力显微测试系统 | |
| US5621210A (en) | Microscope for force and tunneling microscopy in liquids | |
| US5838000A (en) | Method device and system for optical near-field scanning microscopy of test specimens in liquids | |
| CN108508238A (zh) | 基于双驱动afm系统测试单分子力谱装置和方法 | |
| JP4910132B2 (ja) | 表面電荷量計測装置及び表面電荷量計測方法 | |
| CN1796989A (zh) | 一种利用微悬臂梁进行生化检测的方法及装置 | |
| JP4910131B2 (ja) | 表面情報取得装置及び表面情報取得方法 | |
| CN114088980B (zh) | 石英晶体微天平耦合原子力显微镜装置及检测方法 | |
| JP2007003246A (ja) | 走査形プローブ顕微鏡 | |
| EP2876450A1 (en) | Scanning probe microscope | |
| Eghiaian et al. | Structural and dynamic characterization of biochemical processes by atomic force microscopy | |
| WO2005098869A1 (en) | Scanning probe microscope with integrated calibration | |
| TWI745719B (zh) | 奈米粒子控制量測系統及其運作方法 | |
| CN108051362B (zh) | 一种针对单个纳米颗粒的检测方法 | |
| JPH09500218A (ja) | レーザ散乱光顕微鏡 | |
| KR20100096874A (ko) | 생체 물질의 물리적 변화에 대한 실시간 검출이 가능한 바이오 센서 장치 및 센싱 방법 | |
| US9063335B2 (en) | Apparatus and method for examining a specimen by means of probe microscopy | |
| US9448393B2 (en) | Method and apparatus for automated scanning probe microscopy | |
| CN218497307U (zh) | 一种显示器阵列基板缺陷检测系统 | |
| CN107860945B (zh) | 扫描探针-椭圆偏振多功能耦合原位测量方法 | |
| CN220270560U (zh) | 固液分界位置光波测量装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |