CN111239377B - 一种用于长期离体细胞太赫兹生物效应研究的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种用于长期离体细胞太赫兹生物效应研究的系统及方法，所述系统包括密封固定装置、THz波发射装置、THz波传输装置、细胞外环境维持装置和探测装置；本发明针对贴壁生长的细胞培养物，设计构建了太赫兹波自下而上，长时程辐照细胞的系统与方法。一方面利用太赫兹波传输装置实现将太赫兹源发出的水平发散波改变为垂直汇聚波，该波束对于以薄塑料为基质的细胞培养材料有良好的透过性，因此可以穿过培养基质，作用于正常含有培养液的贴壁细胞生长物，避免了离体细胞周围的培养液对其的阻挡。另一方面利用可控温度样品室，实现细胞在辐照过程中始终处于接近孵箱培养的微环境中，保证长期辐照情况下细胞的存活需求。

Description

一种用于长期离体细胞太赫兹生物效应研究的系统及方法
技术领域
本发明涉及生物医学领域，具体为一种太赫兹长时程照射体外培养细胞的系统及方法。
背景技术
太赫兹(Terahertz,THz)波是指频率范围在0.1～10THz，相应的波长在3mm-30μm，介于毫米波和红外光之间的电磁波谱区域。它是电磁波谱中唯一没有获得较全面研究并很好加以利用的最后一个波谱区间，是人类目前尚未完全开发的电磁波谱“空白”区。从能量上看，太赫兹波介于光子和电子之间,它具有很多独特的性质：①高透性，THz对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性，比如陶瓷、碳板、塑料等；②低能性，THz光子能量为4.1meV(毫电子伏特)，仅为X射线光子能量的107～108分之一，该值低于各种化学键的键能，因此不容易破坏被检物质；③指纹谱性，THz波段包含了丰富的物理和化学信息，大多数极性分子和生物大分子的振-转能级跃迁都处在THz波段。根据这些特性，太赫兹在安检、通信、生物医学等方面的发展潜力不可小觑。
目前太赫兹技术的研究主要集中在太赫兹辐射源、太赫兹探测设备、太赫兹通信和太赫兹成像等方面。然而，太赫兹对于生物组织样品的效应研究尚处于起步阶段，目前缺乏稳定可靠的适宜长期离体太赫兹生物效应研究的装置系统和方法。由于THz波不能透过水，而离体生物组织的存活又依赖于液体环境，使得现有的能够进行照射的设备产生无法适用的矛盾，从而无法满足生物样品效应研究的需求。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于长期离体细胞太赫兹生物效应研究的系统及方法，可以实现对贴壁生长的各类原代细胞、细胞系的长时间体外辐照太赫兹，为研究太赫兹波的生物效应提供了稳定的实验平台和方法。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种用于长期离体细胞太赫兹生物效应研究的系统，包括密封固定装置、THz波发射装置、THz波传输装置、细胞外环境维持装置和探测装置；
所述的THz波发射装置包括THz量子级联激光器，THz量子级联激光器发射口水平设置；
所述的THz波传输装置包括离轴抛物面镜、THz全反射透镜和THz透镜；离轴抛物面镜和THz全反射透镜设置在THz量子级联激光器发射口的同一高度处，离轴抛物面镜的长轴与发射口发射的THz波夹角为45°；THz全反射透镜设置在离轴抛物面镜的反射光路上，且与水平面的夹角为45°，THz全反射透镜的出射光线垂直详述；所述的THz透镜设置在THz全反射透镜的出射光线的正上方；
所述的细胞外环境维持装置包括设置在THz透镜的正上方的样品台和设置在样品台上的样品室，以及与样品室连接的气罐；样品室的样品照射位置设置在THz透镜的聚焦光斑上；
所述的探测装置包括THz功率计和热敏仪，THz功率计的探头分别设置在THz量子级联激光器发射口和样品照射位置；
所述的密封固定装置包括底部设置面包板的密封干燥箱；所述的THz波发射装置、THz波传输装置、样品台和样品室均设置在密封干燥箱内。
优选的，所述的密封固定装置还包括防震操作平台，密封干燥箱固定安装在防震操作平台上；所述的密封干燥箱为密闭箱体，箱体正面设有传递窗，箱体顶面设有制冷剂添加口和线缆入口，箱体底面呈开放式且设置有相匹配的底部板，箱体底面通过密封垫和螺丝密封固定在底部板上。
进一步，所述的密封干燥箱的箱体外部还设置有把手；所述的制冷剂添加口通过螺旋盖封闭；所述的线缆入口通过密封膜封闭；所述的传递窗周边设有密封垫和卡扣。
优选的，所述的THz波发射装置还包括脉冲电流源和固定安装THz量子级联激光器的固定底座；所述的固定底座上设置有安装THz量子级联激光器的环形支撑座，环形支撑座的上端对称设置有方形缺口和弧形缺口；所述的方形缺口与THz量子级联激光器的接电口匹配，弧形缺口与THz量子级联激光器的发射口匹配；所述固定底座和环形支撑座上分别设置有固定螺丝，分别用于固定底座与面包板以及THz量子级联激光器的固定连接；所述的脉冲电流源设置在密封干燥箱外部，其电流输出端与THz量子级联激光器的接电口连接。
优选的，所述的样品台为矩形台面，矩形台面底部通过螺口杆与面包板固定，矩形台面中心设置有圆形开口，圆形开口外侧的矩形台面上还设置有环形卡槽；
所述的样品室包括由自上而下密封设置的顶盖、托盘和底盘；所述的顶盖采用金属材料制成，其中央部分采用塑料制成且设置探测开口；所述的托盘呈中空的圆形环状结构，四周为环形密闭腔体，环形密闭腔体的外壁上分别设置有连通环形密闭腔体内部的进气管和出气管，进气管通过软管与设置在密封干燥箱外部的气罐相连通；所述的底盘中央设置有THz波束穿口，底盘嵌入在卡槽内，底盘直径大于圆形开口的孔径，底盘底部的突出嵌入到圆形开口内固定；
所述的顶盖、托盘和底盘上分别设置有加热元件，加热元件的控制端分别连接温度控制仪。
进一步，所述的样品台的圆形开口直径为9cm；所述的底盘中部的THz波束穿口直径为2cm，且Hz波束穿口与圆形开口同心。
优选的，所述的THz量子级联激光器采用圆柱形THz源；所述的面包板采用铝合金材料制成。
优选的，所述的气罐内气体为5％的CO2和空气的混合气，输出端的连接软管上设置有控制阀门。
一种用于长期离体细胞太赫兹生物效应研究的方法，基于上述任意一项所述的系统，包括如下步骤，
步骤1，进行THz量子级联激光器的初始化；
步骤2，将带有培养液的培养皿开盖放在样品台上，并将热敏仪的探头浸入液体，实时探测液体温度；打开样品室温度控制仪，将顶盖、托盘和底盘三通道温度维持在37℃；
步骤3，保持样品室温度湿度的稳定；打开气罐通气，调整进气速率和进气量；经密封干燥箱的传递窗将细胞培养物置于样品室，密封顶盖并密封干燥箱的传递窗；
步骤4，打开THz量子级联激光器的电流，开始照射细胞，根据实验需要选定照射时间进行长效照射，实时通过热敏仪监测样品温度，根据得到的样品室温度的变化，判断是否有热效应。
优选的，步骤4中，离轴抛物面镜将发散的THz波变为水平平行波，THz全反射透镜可以将水平的THz波变为垂直向上的平行波，THz透镜将垂直向上的THz波聚集形成光斑，对样品室内的离体细胞进行长效照射。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明针对贴壁生长的细胞培养物，设计构建了太赫兹波自下而上，长时程辐照细胞的系统与方法。一方面利用太赫兹波传输装置实现将太赫兹源发出的水平发散波改变为垂直汇聚波，该波束对于以薄塑料为基质的细胞培养材料有良好的透过性，因此可以穿过培养基质，作用于正常含有培养液的贴壁细胞生长物，避免了离体细胞周围的培养液对其的阻挡。另一方面利用可控温度样品室，实现细胞在辐照过程中始终处于接近孵箱培养的微环境中，保证长期辐照情况下细胞的存活需求。具体的具有如下优点，
1)高效性：实现THz波从下向上，直接穿过细胞培养皿底部照射贴壁细胞的目的，最大程度的减小了细胞培养液对THz波的吸收，保证THz波能高效导入细胞。
2)一致性：恒温的样品室保证了细胞在体外照射时的生长环境，即温度、湿度、二氧化碳浓度均与孵箱环境一致，排除了外界环境改变对细胞生长状态的可能作用。
3)稳定性：通过将整个辐照系统置于密封箱中,最大限度保证了太赫兹源输出到细胞培养皿的功率相对稳定,可保证实验批次间的重复性。
4)便捷性：系统操作简单便捷，不需要复杂的培训过程就可以让科研人员轻易完成实验。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图。
图2为本发明所述的THz源发射装置结构示意图。
图3为本发明所述的THz源传输装置结构示意图。
图4为本发明所述的样品台的结构示意图。
图5为本发明实施例中所述的样品台高度计算示意图。
图6为本发明所述的样品室的结构示意图。
图7为本发明所述的密封箱的正视图。
图8为本发明所述的密封箱的侧视图。
图9为本发明所述的密封箱的俯视图。
图中：THz量子级联激光器1、脉冲电流源2、离轴抛物面镜3、THz全反射透镜4、THz透镜5、稳定镜架及支杆6、铝合金面包板7、样品室8、顶盖81、托盘82、底盘83、进气管84、出气管85、温度控制仪9、气罐10、薄底塑料培养皿11、热敏仪12、THz功率计13、密封干燥箱14、防震操作平台15、方形缺口16、弧形缺口17、固定螺丝18、探头19、样品台20、圆形开口21、卡槽22、螺口杆23、制冷剂添加口24、线缆入口25、传递窗26、电源线路进口27、把手28、固定底座29、环形支撑座30。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种用于长期离体细胞太赫兹生物效应研究的系统，包括密封固定装置、THz波发射装置、THz波传输装置、细胞外环境维持装置和探测装置；
所述的密封固定装置包括防震操作平台15，固定安装在防震操作平台15上的密封干燥箱14；所述的密封干燥箱14为密闭箱体，箱体正面设有传递窗26，箱体顶面设有制冷剂添加口24和线缆入口25，箱体底面呈开放式且设置有相匹配的底部板，箱体底面通过密封垫和螺丝密封固定在底部板上，底部板的内侧设置有面包板7；密封干燥箱14的箱体外部还设置有把手28；所述的制冷剂添加口24通过螺旋盖封闭；所述的线缆入口25通过密封膜封闭；所述的传递窗26周边设有密封垫和卡扣。
所述的THz波发射装置包括THz量子级联激光器1，固定安装THz量子级联激光器1的固定底座29和脉冲电流源2；所述的固定底座29上设置有安装THz量子级联激光器1的环形支撑座30，环形支撑座30的上端对称设置有方形缺口16和弧形缺口17；所述的方形缺口16与THz量子级联激光器1的接电口匹配，弧形缺口17与THz量子级联激光器1的发射口匹配；所述固定底座29和环形支撑座30上分别设置有固定螺丝18，分别用于固定底座29与面包板7以及THz量子级联激光器1的固定连接；所述的脉冲电流源2设置在密封干燥箱14外部，其电流输出端与THz量子级联激光器1的接电口连接；
所述的THz波传输装置包括离轴抛物面镜3、THz全反射透镜4、THz透镜5以及稳定镜架及支杆6；
离轴抛物面镜3安装在与弧形缺口17的同一高度处，即THz源发射口的同一高度处，且镜面的长轴与发射口发射的THz波的夹角为45°；所述的THz全反射透镜4安装在与离轴抛物面镜3同一水平高度，其与水平面的夹角为45°；所述的THz透镜5安装在THz全反射透镜4的正上方；
离轴抛物面镜3、THz全反射透镜4、THz透镜5分别通过相应的稳定镜架及支杆6固定在面包板7上；
所述的细胞外环境维持装置包括设置在THz透镜5的正上方的样品台20和设置在样品台20上的样品室，以及与样品室8连接的气罐10；样品室8的样品照射位置设置在THz透镜5的聚焦光斑上；
样品台20为矩形台面，台面底部通过螺口杆23与面包板7固定，台面中心设置有圆形开口21，圆形开口21外侧的矩形台面上还设置有环形的卡槽22；所述的底盘83直径大于圆形开口21的孔径，其通过设置在底部的凹槽固定在卡槽22上；
所述的样品室8包括由自上而下密封设置的顶盖81、托盘82和底盘83；所述的顶盖81采用金属材料制成，其中央部分采用塑料制成且设置探测开口；所述的托盘82呈中空的圆形环状结构，四周为环形密闭腔体，环形密闭腔体的外壁上分别设置有连通环形密闭腔体内部的进气管84和出气管85，进气管84通过软管与设置在密封干燥箱14外部的气罐10相连通；所述的底盘83中央设置有THz波束穿口，底盘83嵌入在卡槽22内，底盘83直径大于圆形开口21的孔径，底盘83底部的突出嵌入到圆形开口21内固定；所述的顶盖81、托盘82和底盘83上分别设置有加热元件，加热元件的控制端分别连接温度控制仪9。所述的气罐10内气体为5％的CO2和空气的混合气，其和进气管84连接的软管上还设置有控制阀门。
所述的探测装置包括THz功率计13和热敏仪12，THz功率计13的探头19分别设置在THz量子级联激光器1发射口和样品照射位置；
所述的THz波发射装置、THz波传输装置、样品台20和样品室8均设置在密封干燥箱14内。
所述的样品台20的圆形开口21直径为9cm；所述的底盘83中部的THz波束穿口直径为2cm，且Hz波束穿口与圆形开口21同心。所述的托盘82中部的空腔孔径大于圆形开口21的直径。
所述的THz量子级联激光器1采用圆柱形THz源；所述的面包板7采用铝合金材料制成。
具体的本发明一种用于研究太赫兹长时程照射对体外培养细胞的生物效应的系统，如图1所示，包括如下组成部分：
THz波发射装置包括THz量子级联激光器1、固定底座29和脉冲电流源2，其中，作为THz源的THz量子级联激光器1需要制冷剂激发；
THz波传输装置包括离轴抛物面镜3、THz全反射透镜4、THz透镜5和稳定镜架及支杆6，其中THz透镜为平面凸透镜
细胞外环境维持装置，包括样品台20、样品室8、温度控制仪9和设置气阀的气罐10；用于将样品室8维持在37℃、5％CO2、饱和湿度的细胞生长微环境；薄底塑料培养皿11放置在样品室8中；
探测装置包括热敏仪12和THz功率计13，其中，热敏仪12实时测量样品室8或细胞薄底塑料培养皿11中的温度，THz功率计13实时测量THz量子级联激光器1发射口和样品照射位置的THz功率；
密封固定装置，包括密封干燥箱14及防震操作平台15，其中，密封干燥箱14底部设置有铝合金的面包板7，内部放有干燥剂，维持低湿度的辐照环境。
对于THz波发射装置。
研究人员可以根据需要选配太赫兹辐照源。以太赫兹量子级联激光器为例，它需要可以提供稳定电流输出的电流源为其供电；并需要向液氮真空罐添加制冷剂启动激光的发射。
为了防止太赫兹源移动造成的太赫兹波发生位移，设计针对圆柱形太赫兹源与底部的面包板7连接固定的圆形的固定底座29和环形支撑座30组合，如图2所示，利用环形支撑座30侧面的固定螺丝18，将源固定在环形支撑座30上；再利用固定底座29的底面的固定螺丝18，连同源一起固定在底部的面包板7上。
对于THz波传输装置。
为了将太赫兹源发出的水平发散波汇聚为垂直波束，我们搭建了太赫兹波传输装置。该装置包括离轴抛物面镜3、THz全反射透镜4、THz透镜5以及相应的稳定镜架及支杆6。当发散的THz波从源发射出后，先照射到离轴抛物面镜3，图3中的水平散射光束，其与THz源发射口位于同一高度，同时镜面的长轴与THz波的夹角为45°。离轴抛物面镜3将发散的THz波变为水平平行波，由于观察视图的原因，如图3斜向下的光束，其实际为与发射光在水平面内垂直的光束。THz全反射透镜4与离轴抛物面镜3位于同一水平高度，其与水平面的夹角也为45°，可以将水平的THz波变为垂直向上的平行波，图3中竖直向上的光束。THz透镜5位于THz全反射透镜4的正上方，可以将垂直向上的THz波聚集形成光斑。所有稳定镜架及支杆6通过螺口杆23固定到底部面包板7。图3是THz波传输装置的实际布置示意图，而图1中由于是平面视图，因此只是展示了THz波传输装置中离轴抛物面镜3、THz全反射透镜4和THz透镜5的顺序，并不限定其实际的位置关系。
对于细胞外环境维持装置。
如图4，样品台20通过螺口杆23与底部的面包板7固定。台面中心有直径为9cm的圆形开口21，与样品室8底盘83配合，且有卡槽22，可以将样品室8的底盘83相对嵌入固定在样品台20上。
样品台20搭建于THz透镜5上方相应的高度位置。高度计算依据透镜的焦距和样品照射的面积。假设细胞皿照射部位半径为r；THz透镜5采用平面凸透镜，其半径为R，焦距为f；细胞皿到透镜距离为x，根据相似原理可得r/R＝f-x/f，即x＝f-f·r/R，如图5样品台高度计算示意图。
如图6，样品室8分为顶盖81、底盘83和中部的托盘82。三个部分均可分别自动加热，内置的加热元件控制端外接温度控制仪9。金属顶盖81中央部分是塑料顶，上有小开口，便于插入热敏仪12的温度传感器，探测样品室8内，或者细胞培养皿内11的温度。金属底盘83通过底部突出的部分相对嵌入固定在样品台20的圆形开口21上。在底盘83上有一个直径为2cm的呈圆形的开口，是THz波束通过的地方。薄塑料材质的细胞培养皿11放置于底盘83上。中部的托盘82为圆形环状结构，中空的部分用来放置细胞培养皿11，周围一圈环形结构内可以储存无菌水，保持样品室加热时的湿度。托盘82的盘壁上插有金属进气管84和出气管85，通过塑料软管与气罐10相通。软管中部接有控制阀门，可调节进气量。气罐10内为5％CO2和空气混合气，与正常培养细胞孵箱的气体环境一致。托盘82盘壁的金属进气管84可以插入水面，通过气泡判定气罐10是否正常工作，以及相应的进气速度。
对于探测装置。
如图1所示，热敏仪12用来探测样品室8内的温度。THz功率计13可通过改变探头19的位置，测量THz源出口处和样品照射处的功率。
对于密封固定装置。
如图7、图8、图9所示，为避免外界环境变化对太赫兹辐照功率的影响，将辐照系统置于密封干燥箱14内，各种电源等设备主机在密封干燥箱14外。密封干燥箱14顶面设有为太赫兹源添加制冷剂的制冷剂添加口24，通过螺旋盖封闭该开口。还有一个线缆开口25，通过密封膜封闭。密封干燥箱14正面设有传递窗26，用于取放细胞样品，传递窗26周边有密封垫和卡扣，确保关闭时密闭良好。密封干燥箱14底面为开放式，通过密封垫与底部板接触封闭箱体，并通过螺丝完全固定箱体与底板。通过使用该密封干燥箱14，可以获得相对封闭的辐照环境，箱体内加入干燥剂后，湿度为20％左右，最大限度的降低了环境因素，特别是湿度对太赫兹辐照系统稳定性的影响。
在实际应用中的操作步骤如下：
1.THz源的输出检查
先将制冷剂液氮顺漏斗灌入THz源顶端开口的杜瓦封装真空槽中，灌满有液氮溢出后，用橡胶塞塞住源顶开口，并用旋盖盖上密封干燥箱14顶部的制冷剂添加口24。等待约10分钟即可打开脉冲电流源2，设置参数，并通过开启钥匙和开关为太赫兹源供电。在源出口处和样品台处可分别利用THz功率计测量功率。
比如，在室温～20℃，湿度～20％的环境条件下，PCX-7420型号的电源输出参数为5KHz，脉宽2μs，电流2.2A时，一款国产量子级联激光器源出口处平均功率为350μW；经过透镜组变换光路方向并汇聚后，最终光斑功率70μW，样品台20放置薄底的细胞培养皿11后，光斑功率为65μW。由于制冷剂的消耗，每次源可以持续工作4小时左右。
2.样品室温度的设定
预实验时将带有培养液的细胞培养皿11开盖放在样品台上，并将热敏仪12的探头19浸入液体，实时探测液体温度。打开样品室8的温度控制仪9，将底盘83、托盘82、顶盖81三通道温度设定在37℃后，半小时内观察热敏仪12数值的变化。通过微调温度控制仪9的设定，保证热敏仪12温度维持在37℃。通常只需要一次设定好相应温度，就可以每次实验正常进行。
3.贴壁培养细胞的辐照
在保证源正常工作和样品室8温度湿度稳定的条件，可以开始正式实验。
打开气罐10通气，调整进气速率和进气量；打开温度控制仪9，待达到预先设定温度后，从密封干燥箱14正面的传递窗26将细胞培养物置于样品室8中。注意放好细胞后要将样品室8的顶盖81密封盖好，并关闭密封传递窗26。
打开电流，开始照射细胞，根据实验需要选定照射时间。4小时持续照射后，关闭电源，取出细胞，放回孵箱继续培养。
继续补加制冷剂，可以开始下一轮细胞的照射。
本发明所述的系统和方法适用于各种贴壁细胞的THz波长时间多次照射，如肿瘤细胞、神经细胞、皮肤细胞等，为研究THz波的细胞生物学效应和机理提供重要的研究方法和平台。

Claims (4)

1.一种用于长期离体细胞太赫兹生物效应研究的系统，其特征在于，包括密封固定装置、THz波发射装置、THz波传输装置、细胞外环境维持装置和探测装置；
所述的THz波发射装置包括THz量子级联激光器(1)，THz量子级联激光器(1)发射口水平设置，其为μW级功率的发射源；
所述的THz波传输装置包括离轴抛物面镜(3)、THz全反射透镜(4)和THz透镜(5)；离轴抛物面镜(3)和THz全反射透镜(4)设置在THz量子级联激光器(1)发射口的同一高度处，离轴抛物面镜(3)的长轴与发射口发射的THz波夹角为45°；THz全反射透镜(4)设置在离轴抛物面镜(3)的反射光路上，且与水平面的夹角为45°，THz全反射透镜(4)的出射光线垂直详述；所述的THz透镜(5)设置在THz全反射透镜(4)的出射光线的正上方；
所述的细胞外环境维持装置包括设置在THz透镜(5)的正上方的样品台(20)和设置在样品台(20)上的样品室(8)，以及与样品室(8)连接的气罐(10)，用于将样品室(8)维持在37℃、5％CO2、饱和湿度的细胞生长微环境；样品室(8)的样品照射位置设置在THz透镜(5)的聚焦光斑上；所述的样品室(8)包括由自上而下密封设置的顶盖(81)、托盘(82)和底盘(83)，所述的托盘(82)呈中空的圆形环状结构，四周为环形密闭腔体，环形密闭腔体的外壁上分别设置有连通环形密闭腔体内部的进气管(84)和出气管(85)，进气管(84)通过软管与设置在密封干燥箱(14)外部的气罐(10)相连通；所述的底盘(83)中央设置有THz波束穿口；
所述的顶盖(81)、托盘(82)和底盘(83)上分别设置有加热元件，托盘(82)内储存无菌水，用于保持样品室加热时的湿度；所述的气罐(10)内气体为5％的CO2和空气的混合气，所述的气罐(10)输出端的连接软管上设置有控制阀门；所述加热元件的控制端分别连接温度控制仪(9)；
所述的探测装置包括THz功率计(13)和热敏仪(12)，THz功率计(13)的探头(19)分别设置在THz量子级联激光器(1)发射口和样品照射位置；
所述的密封固定装置包括底部设置面包板(7)的密封干燥箱(14)；所述的THz波发射装置、THz波传输装置、样品台(20)和样品室(8)均设置在密封干燥箱(14)内；
所述的密封固定装置还包括防震操作平台(15)，密封干燥箱(14)固定安装在防震操作平台(15)上；所述的密封干燥箱(14)为密闭箱体，箱体正面设有传递窗(26)，箱体顶面设有制冷剂添加口(24)和线缆入口(25)，箱体底面呈开放式且设置有相匹配的底部板，箱体底面通过密封垫和螺丝密封固定在底部板上；
所述的THz波发射装置还包括脉冲电流源(2)和固定安装THz量子级联激光器(1)的固定底座(29)；所述的固定底座(29)上设置有安装THz量子级联激光器(1)的环形支撑座(30)，环形支撑座(30)的上端对称设置有方形缺口(16)和弧形缺口(17)；所述的方形缺口(16)与THz量子级联激光器(1)的接电口匹配，弧形缺口(17)与THz量子级联激光器(1)的发射口匹配；所述固定底座(29)和环形支撑座(30)上分别设置有固定螺丝(18)，分别用于固定底座(29)与面包板(7)以及THz量子级联激光器(1)的固定连接；所述的脉冲电流源(2)设置在密封干燥箱(14)外部，其电流输出端与THz量子级联激光器(1)的接电口连接；所述脉冲电流源(2)采用PCX-7420型号的电源，输出参数为5KHz，脉宽2μs，电流2.2A；所述的THz量子级联激光器(1)采用圆柱形THz源，所述THz量子级联激光器(1)的源出口处平均功率为350μW；
所述的密封干燥箱(14)的箱体外部还设置有把手(28)；所述的制冷剂添加口(24)通过螺旋盖封闭；所述的线缆入口(25)通过密封膜封闭；所述的传递窗(26)周边设有密封垫和卡扣；
所述的样品台(20)为矩形台面，矩形台面底部通过螺口杆(23)与面包板(7)固定，矩形台面中心设置有圆形开口(21)，圆形开口(21)外侧的矩形台面上还设置有环形的卡槽(22)；
所述的顶盖(81)采用金属材料制成，其中央部分采用塑料制成且设置探测开口；所述底盘(83)嵌入在卡槽(22)内，底盘(83)直径大于圆形开口(21)的孔径，底盘(83)底部的突出嵌入到圆形开口(21)内固定；
所述的样品台(20)的圆形开口(21)直径为9cm；所述的底盘(83)中部的THz波束穿口直径为2cm，且THz波束穿口与圆形开口(21)同心。
2.根据权利要求1所述的一种用于长期离体细胞太赫兹生物效应研究的系统，其特征在于，所述的面包板(7)采用铝合金材料制成。
3.一种用于长期离体细胞太赫兹生物效应研究的方法，基于权利要求1或2所述的系统，其特征在于，包括如下步骤，
步骤1，进行THz量子级联激光器(1)的初始化；
步骤2，将带有培养液的培养皿开盖放在样品台(20)上，并将热敏仪(12)的探头浸入液体，实时探测液体温度；打开样品室温度控制仪(9)，将顶盖(81)、托盘(82)和底盘(83)三通道温度维持在37℃；
步骤3，保持样品室(8)温度湿度的稳定；打开气罐(10)通气，调整进气速率和进气量；经密封干燥箱(14)的传递窗(26)将细胞培养物置于样品室(8)，密封顶盖(81)并密封干燥箱(14)的传递窗(26)；
步骤4，打开THz量子级联激光器(1)的电流，开始照射细胞，根据实验需要选定照射时间进行长效照射，实时通过热敏仪监测样品温度，根据得到的样品室温度的变化，判断是否有热效应。
4.根据权利要求3所述的一种用于长期离体细胞太赫兹生物效应研究的方法，其特征在于，步骤4中，离轴抛物面镜(3)将发散的THz波变为水平平行波，THz全反射透镜(4)可以将水平的THz波变为垂直向上的平行波，THz透镜(5)将垂直向上的THz波聚集形成光斑，对样品室内的离体细胞进行长效照射。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109593652B (zh) * 2018-12-24 2023-09-26 中国人民解放军军事科学院军事医学研究院 用于细胞实验的太赫兹波垂直暴露系统
CN113528343B (zh) * 2021-07-19 2022-08-02 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种用于太赫兹波辐照的贴壁细胞培养器

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN202024958U (zh) * 2011-04-01 2011-11-02 深圳大学 一种太赫兹波成像装置
CN103245613B (zh) * 2013-04-17 2015-09-30 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 发散性太赫兹光源光学光路的对焦系统和方法
CN206876569U (zh) * 2017-04-12 2018-01-12 首都师范大学 一种太赫兹成像系统
CN107095673B (zh) * 2017-05-24 2018-03-13 西北核技术研究所 一种反射式实时肿瘤成像方法及系统
CN107421915A (zh) * 2017-09-08 2017-12-01 中国工程物理研究院流体物理研究所 一种基于太赫兹时域衰减全反射光谱的活细胞实时监测实验方法
CN109593652B (zh) * 2018-12-24 2023-09-26 中国人民解放军军事科学院军事医学研究院 用于细胞实验的太赫兹波垂直暴露系统

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