CN113278521A - 细胞用太赫兹波生物暴露系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了细胞用太赫兹波生物暴露系统，包括：超导磁室、太赫兹光源、水冷装置、控制电源、电脑实时监测端、数字模拟转换器、凸透镜和细胞培养箱，太赫兹光源设置在超导磁室内且适于发射出太赫兹波；水冷装置与超导磁室相连；控制电源与太赫兹光源相连；数字模拟转换器和电脑实时监测端与控制电源依次相连；细胞培养箱包括：箱体、金属托盘、透射托盘、反射平镜和二氧化碳气瓶，箱体的侧壁上设置有透射光窗，透射光窗内安装有透射平镜；金属托盘和透射托盘设置在箱体内；反射平镜设置在透射托盘的正下方。由此该暴露系统可直接对常规培养条件下细胞进行照射，并用于太赫兹波暴露细胞模型的建立、生物效应观察、调控机制及防护等的科学研究。

Description

细胞用太赫兹波生物暴露系统
技术领域
本发明属于太赫兹波领域，具体而言，本发明涉及细胞用太赫兹波生物暴露系统。
背景技术
太赫兹波段位于微波和红外线之间，是一种非电离辐射。由于太赫兹波在电磁波谱中所处的特殊位置以及太赫兹波一系列独特的优良特性，国际科技界认为，太赫兹波可能引发科学技术的革命性突破。
由于生物体对太赫兹波具有独特的响应，脱氧核糖核酸、核糖核酸、蛋白等重要生物大分子的旋转及振动能级多处于太赫兹波段，因此，目前太赫兹对生物的研究主要集中在两个方向，一是太赫兹波对生物及生物大分子的结构、性质进行分析鉴定，如太赫兹时域光谱仪等；二是研究太赫兹波在染色体、脱氧核糖核酸、基因和蛋白质等多个水平与细胞成分相互作用，该方向的研究鲜见。因此，迫切需要建立适用于细胞暴露的太赫兹波照射系统。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种能够适用于细胞照射的太赫兹波生物暴露系统，该太赫兹波生物暴露系统具有稳定性好、效率高、实验重复性好的特点。
根据本发明的一个方面，本发明提出了细胞用太赫兹波生物暴露系统，根据本发明的实施例，该细胞用太赫兹波生物暴露系统包括：
超导磁室，所述超导磁室为太赫兹光源提供永磁场；
太赫兹光源，所述太赫兹光源设置在所述超导磁室内且适于发射出太赫兹波；
水冷装置，所述水冷装置设置在所述超导磁室内，且所述水冷装置的盘管盘在所述太赫兹光源的周围用于控温；
控制电源，所述控制电源与所述太赫兹光源相连用于激发太赫兹波；
数字模拟转换器，所述数字模拟转换器与所述控制电源和相连，用于将太赫兹光源强度转换成可量化的数字参数；
电脑实时监测端，所述电脑实时监测端与所述数字模拟转换器相连，用于调节和监测所述控制电源；
凸透镜，所述凸透镜设置在所述太赫兹光源发射出的太赫兹波的下游，且适于将太赫兹波的点光源转换成平行光源；
细胞培养箱，所述细胞培养箱包括：
箱体，所述箱体的侧壁上设置有透射窗口，所述透射窗口内安装有透射平镜；
金属托盘，所述金属托盘设置在所述箱体内，所述金属托盘上形成有通孔；
透射托盘，所述透射托盘设置在所述金属托盘上且位于所述通孔的正上方，所述透射托盘内适于放置培养细胞；
反射平镜，所述反射平镜设置在所述透射托盘的正下方，且适于将穿过所述透射平镜的太赫兹波发生折射并照向所述透射托盘；
二氧化碳气瓶，所述二氧化碳气瓶与所述箱体相连，且适于向箱体内通入二氧化碳气体。
由此，本发明上述实施例的细胞用太赫兹波生物暴露系统能够直接对培养条件下的细胞进行太赫兹波暴露，并且该细胞用太赫兹波生物暴露系具有稳定性好、效率高、实验重复性好的优点，进而更加可靠地用于太赫兹波暴露细胞模型的建立、生物效应观察、调控机制及防护等科学研究中。
另外，根据本发明上述实施例的细胞用太赫兹波生物暴露系统还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述的细胞用太赫兹波生物暴露系统，其特征在于，所述透射平镜为平面镜，所述透射平镜的直径为4-8厘米，优选5厘米，且材质为TPX或者高密度聚乙烯。
在本发明的一些实施例中，所述反射平镜为平面镜，且呈45度倾斜设置，所述反射平镜的材质为镀金平镜高反射太赫兹材料。
在本发明的一些实施例中，所述金属托盘上形成的所述通孔呈圆形，且直径为4-8厘米，优选5厘米。
在本发明的一些实施例中，所述透射托盘的直径与所述通孔的直径相同，所述透射托盘的材质为TPX或高密度聚乙烯。
在本发明的一些实施例中，所述凸透镜的材质为TPX或高密度聚乙烯。
在本发明的一些实施例中，所述培养细胞为贴壁细胞或悬浮细胞。
在本发明的一些实施例中，所述太赫兹光源的输出频率为160吉赫兹-2.1太赫兹，输出功率为4微瓦-50毫瓦。
在本发明的一些实施例中，上述实施例的细胞用太赫兹波生物暴露系统，进一步包括：
光路管道，所述光路管道自所述超导磁室的太赫兹波出口穿过所述凸透镜后经过箱体的透射窗口中的透射平镜，经所述反射平镜至所述金属托盘上的透射托盘。
在本发明的一些实施例中，所述超导磁室的磁场强度为1.2特斯拉。
在本发明的一些实施例中，所述水冷系统的输入电压为110伏和220伏。
在本发明的一些实施例中，所述控制电源的输入电压为110伏和220伏，输出电压为200伏-6000伏。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的细胞用太赫兹波生物暴露系统的结构示意图。
图2是根据本发明另一个实施例的细胞用太赫兹波生物暴露系统图。
图3A、图3B和图3C分别是利用细胞用太赫兹波生物暴露系统对原代海马神经元进行照射后的细胞凋亡率结果。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
根据本发明的一个方面，本发明提出了细胞用太赫兹波生物暴露系统。下面参考图1-2详细描述本发明实施例的细胞用太赫兹波生物暴露系统。
根据本发明的实施例，如图1所示，该细胞用太赫兹波生物暴露系统包括：超导磁室100、太赫兹光源200、水冷装置300、控制电源400、数字模拟转换器500、电脑实时监测端600、凸透镜700和细胞培养箱800。
其中，所述太赫兹光源200设置在所述超导磁室100内且适于发射出太赫兹波；所述水冷装置300设置在所述超导磁室100内，且水冷装置300的盘管(未示出)盘在太赫兹光源200的周围用于对太赫兹光源200进行控温；所述控制电源400与所述太赫兹光源200相连；所述数字模拟转换器500与电脑实时监测端600和所述控制电源400相连。而所述细胞培养箱800包括：箱体810、透射光窗820、透射平镜821、金属托盘830、金属通孔831、透射托盘840、反射平镜850和二氧化碳气瓶860。
其中，所述箱体810的侧壁上设置有透射光窗820，所述透射光窗820内安装有透射平镜821；所述金属托盘830设置在所述箱体810内，所述金属托盘830上形成有通孔831；所述透射托盘840设置在所述金属托盘830上且位于所述通孔831的正上方，所述透射托盘840内适于放置培养细胞；所述反射平镜850设置在所述透射托盘840的正下方，且适于将穿过所述透射平镜821的太赫兹波发生折射并照向所述透射托盘840，所述二氧化碳气瓶860与所述箱体810相连，且适于向箱体810内通入二氧化碳气体。
由此，本发明上述实施例的细胞用太赫兹波生物暴露系统能够直接对培养条件下的细胞进行太赫兹波暴露，并且该细胞用太赫兹波生物暴露系具有稳定性好、效率高、实验重复性好的的优点，进而更加可靠地用于太赫兹波暴露细胞模型的建立、生物效应观察、调控机制及防护等科学研究中。
根据本发明的实施例，首先，本发明上述实施例的细胞用太赫兹波生物暴露系统中包括由美国Microtech公司生产的返波管(Back Wave Oscillator，BWO)可调谐太赫兹光源(QS1-260-2100-HP)、超导磁室(MS-1.3)、控制电源(VR-6MU)、水冷装置和数字模拟转换器(DAC-16)。其中，太赫兹光源200(QS1-260-2100-HP)是阴极在加热丝下产生电子，电子束在电场和磁场的作用下向阳极方向运动，在运动路径上经过回形慢波系统，使得电子束产生太赫兹波段的电磁波辐射，并由波导管输出。具体地，本发明上述实施例的太赫兹光源200的输出频率为160吉赫兹-2.1太赫兹，输出功率为4微瓦-50毫瓦，频率连续可调，详细参数见表1。
表1太赫兹光源参数
Figure BDA0002388124960000051
根据本发明的具体实施例，将太赫兹光源200设置在超导磁室100内，具体地，可以将太赫兹光源置于超导磁室100内部的旋转台上，而超导磁室100的磁场强度为1.2特斯拉。进而可以有效利用超导磁室100为太赫兹光源200提供永磁场，显著提高太赫兹光源200的稳定性。
根据本发明的具体实施例，水冷装置300用于对太赫兹光源200进行控温，具体地，水冷系统的输入电压可以为110伏和220伏。由于太赫兹光源200长时间使用温度会不断升高，进而会对光源造成影响，直接影响太赫兹波的稳定性，通过给太赫兹光源200配置水冷装置300，通过纯净水循环带走产生的热量，可以有效地对太赫兹光源200进行控温，为太赫兹光源200发热模块进行散热，维持太赫兹波的稳定性。
根据本发明的具体实施例，控制电源400与太赫兹光源200相连，具体地，控制电源400为太赫兹光源200提供可调高压产生电场，控制太赫兹波的输出，具体控制太赫兹波的输出频率。具体地，控制电源的输入电压可以为110伏和220伏，输出电压为200伏-6000伏，由此可以有效地为太赫兹光源200提供可调高压产生电场。
根据本发明的具体实施例，数字模拟转换器700与控制电源400和电脑实时监测端500相连，具体地，可实现在电脑实时监测端500上调节和监测控制电源400，显示太赫兹波的频率和功率。
根据本发明的具体实施例，如图1所示，细胞用太赫兹波生物暴露系统进一步包括：凸透镜700，用于将太赫兹波的点光源转换成平行光源。由此，本发明进一步根据太赫兹光源200发生的太赫兹波的光路，设计了凸透镜700，可以有效地将太赫兹点光源转化为太赫兹平行光。凸透镜的直径可以为4-8厘米，优选5厘米。具体地，凸透镜700为TPX、高密度聚乙烯等材料，其太赫兹波的透过率达到90％以上。根据本发明的具体实施例，凸透镜700与太赫兹波源200发光口的距离为该汇聚透镜700的焦距。具体地，可以根据所使用的汇聚透镜的焦距来确定，距离过大或过小均会影响太赫兹光波的平行度和造成太赫兹波能量浪费。本发明实施例中的透镜焦距为5cm。
根据本发明的具体实施例，如图1所示，细胞用太赫兹波生物暴露系统进一步包括：细胞培养箱800，细胞培养箱800包括：箱体810、透射光窗820、透射平镜821、金属托盘830、透射托盘840、反射平镜850和二氧化碳气瓶860。其中，所述箱体810的侧壁上设置有透射光窗820，所述透射光窗820内安装有透射平镜821；所述金属托盘830设置在所述箱体810内，所述金属托盘830上形成有通孔831；所述透射托盘840设置在所述金属托盘830上且位于所述通孔831的正上方，所述透射托盘840内适于放置培养细胞；所述反射镜850设置在所述透射托盘840的正下方，且适于将穿过所述透射平镜821的太赫兹波发生折射并照向所述透射托盘840，所述二氧化碳气瓶860与所述箱体810相连，且适于向箱体810内通入二氧化碳气体。
本发明的细胞用太赫兹波生物暴露系统通过设计可靠完整的太赫兹波光路，对现有的细胞培养箱进行改造，使得太赫兹光源200发出的太赫兹波可自下而上的照射在细胞培养箱800内常规培养条件下的细胞上，缩短光路和扩大有效照射范围的基础上降低培养液对太赫兹波的吸收。进而可有效用于研究太赫兹波辐射对正常细胞生长、凋亡等的影响，甚至进一步研究太赫兹波在染色体、脱氧核糖核酸、基因和蛋白质等多个水平与细胞成分相互作用。
本发明设计了具有上述结构的细胞培养箱800。具体地，该细胞培养箱体810的侧壁上设置透射光窗820，并在透射光窗820内安装透射平镜821。根据本发明的具体实施例，上述透射光窗820的直径与凸透镜的直径可以相同，进而保证太赫兹波的完全有效的通过。另外，由于需要根据光路在细胞培养箱800的侧壁上钻通孔，因此选用水套式加热方式的细胞培养箱，可不影响细胞培养箱的正常运行。细胞培养箱800外接二氧化碳气瓶，提供细胞生长所需气体。培养箱温度、湿度和二氧化碳浓度可视化、可调节。
另外，细胞培养箱800内部设置金属托盘830和透射托盘840，金属托盘830上形成有通孔831，透射托盘840放置在通孔831上方，透射托盘840适于放置培养的待照射细胞。由此太赫兹波可以穿过通孔831并透过透射托盘840照射细胞。
根据本发明的具体实施例，通孔831可以设置在金属托盘830的中心位置，通孔可以呈圆形，且直径可以为4-8厘米，由此可以保证太赫兹波的照射范围和均匀场。优选地，圆形通孔的直径可以为5厘米的光圈大小，放置透射托盘，用于细胞照射平台。
根据本发明的实施例，透射托盘840的材质为TPX、高密度聚乙烯等。由此，可以进一步提高太赫兹波的透过率。
根据本发明的具体实施例，细胞培养箱800内在透射托盘840的正下方还设置有反射镜850，利用反射镜850可以将穿过透射平镜821的太赫兹平行光发生折射并照向透射托盘840。根据本发明的具体示例，上述反射镜为平面镜，并且根据太赫兹波到达透射托盘840的光路，可以将反射镜设置成正面朝向太赫兹光源和透射托盘840的方向且呈45度倾斜。由此，可以有效地将太赫兹光源200全部转向并照射透射托盘840。
根据本发明的具体实施例，如图1所示，上述实施例的细胞用太赫兹波生物暴露系统进一步包括：光路管道(未示出)，所述光路管道经所述超导磁室100的太赫兹波出口，进入所述凸透镜700转换成平行光，穿过所述箱体上的透射光窗820中的透射平镜821，经反射平镜850折射改变光路方向，由下向上经所述金属托盘830的通孔831，照射到所述透射托盘840上的培养细胞。由此一方面可简化光路和增加有效照射范围，减少空气杂质影响，提高太赫兹波照射的效率和稳定性；另一方面改变入射方向，减少培养液等水分对太赫兹波的吸收，同时不影响细胞培养正常进程，确保研究的合理性和结果的可重复性。
根据本发明的上述实施例细胞用太赫兹波生物暴露系统可以适用暴露的细胞可以包括贴壁细胞或悬浮细胞。
实施例
(1)大鼠原代海马神经元培养
对实验器械进行高压灭菌后，采用多聚赖氨酸进行培养皿包被。取12小时内新生Wistar乳鼠，置于75％酒精中浸泡消毒。在无菌条件下断头，沿正中剪开皮肤及颅骨，暴露出大脑，用弯镊小心取出全脑，用预冷的解剖液冲洗以去除血液，后浸于滴加了预冷解剖液的玻璃平皿中。在解剖显微镜下，沿正中夹断双侧半球，用弯镊将一侧皮层掀开，两镊配合，剥离出完整的海马组织，并去除海马周围粘附的皮层及血管。另一侧同前。待双侧海马均取出后置于预冷的解剖液中，吸出大部分解剖液，用小剪刀剪碎海马组织成1-2立方毫米的组织块。加入0.25％的胰蛋白酶液在37摄氏度培养箱内消化20分钟，后加入等量的胎牛血清终止消化。用细玻璃滴管吹打细胞悬液(慢吸快吹)，每吹打10次后吸取上层悬液，用200目的不锈钢滤网过滤至烧杯内，后加入适量种植液继续吹打，此步骤重复约3次。将烧杯内滤过的细胞悬液倒入玻璃离心管中，1000转/分钟离心5分钟后弃上清，加入适量种植液至离心管内，吹打制备成细胞悬液；采用细胞计数板计数。将细胞悬液稀释为5×105/毫升密度，接种在多聚赖氨酸包被的培养皿中，将细胞置于37摄氏度、5％二氧化碳培养箱内培养。24小时后更换培养基，将种植液全部吸掉，加入约2毫升饲养液。并于培养的第3天向加入终浓度为3～5微克/毫升阿糖胞苷，24小时后半量换液，之后每周半量换液2次。
(2)采用细胞用太赫兹波生物暴露系统辐射原代海马神经元
采用附图1-2所示的细胞用太赫兹波生物暴露系统对细胞培养箱内的原代海马神经元进行辐射。分别设计3个平行组，每个平行组内包括5个空白照射样品(假辐射组)和5个照射样品，其中第1至第3平行组中的照射样品依次给予太赫兹波频率及输出功率为0.120太赫兹/10毫瓦、0.141太赫兹/30毫瓦和0.157太赫兹/50毫瓦，辐射时间均为30分钟。于辐射后即刻进行细胞收集。辐射组细胞置于照射平台上，假辐射组进行同等条件下的伪辐射。
(3)原代海马神经元凋亡检测
用滴管轻轻吹打神经元，收集到10毫升的离心管中，没脱壁的细胞用0.25％的胰蛋白酶液消化使之脱壁，每样本细胞数为(1～5)×106，500～1000转/分钟离心5分钟弃去上清液；加入100微升结合缓冲液(蒸馏水:结合缓冲液＝9:1稀释)重悬细胞；加入5微升Annexin V-APC，室温孵育10分钟，避光；加入5微升PI溶液，孵育5分钟，避光；PBS加至500微升；流式细胞仪检测。
(4)测试结果
结果显示，与假辐射组相比，0.120太赫兹/10毫瓦太赫兹波辐射30分钟组原代海马神经元凋亡率于辐射后即刻明显增加(P<0.01，图3A)；与假辐射组相比，0.141太赫兹/30毫瓦太赫兹波辐射30分钟组原代海马神经元凋亡率于辐射后即刻无明显改变(图3B)；与假辐射组相比，0.157太赫兹/50毫瓦太赫兹波辐射30分钟组原代海马神经元凋亡率于辐射后即刻明显降低(P<0.05，图3C)。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种细胞用太赫兹波生物暴露系统，其特征在于，包括：
超导磁室，所述超导磁室为太赫兹光源提供永磁场；
太赫兹光源，所述太赫兹光源设置在所述超导磁室内且适于发射出太赫兹波；
水冷装置，所述水冷装置设置在所述超导磁室内，且所述水冷装置的盘管盘在所述太赫兹光源的周围用于控温；
控制电源，所述控制电源与所述太赫兹光源相连，用于激发太赫兹波；
数字模拟转换器，所述数字模拟转换器与所述控制电源相连，用于将太赫兹光源强度转换成可量化的数字参数；
电脑实时监测端，所述电脑实时监测端与所述数字模拟转换器相连，用于调节和监测所述控制电源；
凸透镜，所述凸透镜设置在所述太赫兹光源发射出的太赫兹波的下游，且适于将所述太赫兹波的点光源转换成平行光源；
细胞培养箱，所述细胞培养箱包括：
箱体，所述箱体的侧壁上设置有透射光窗，所述透射光窗内安装有透射平镜；
金属托盘，所述金属托盘设置在所述箱体内，所述金属托盘上形成有通孔；
透射托盘，所述透射托盘设置在所述金属托盘上且位于所述通孔的正上方，所述透射托盘内适于放置培养细胞；
反射平镜，所述反射平镜设置在所述透射托盘的正下方，且适于将穿过所述透射平镜的太赫兹波发生折射并照向所述透射托盘；
二氧化碳气瓶，所述二氧化碳气瓶与所述箱体相连，且适于向箱体内通入二氧化碳气体。
2.根据权利要求1所述的细胞用太赫兹波生物暴露系统，其特征在于，所述透射平镜直径为4-8厘米，优选5厘米，且所述透射平镜的材质为TPX或者高密度聚乙烯。
3.根据权利要求1所述的细胞用太赫兹波生物暴露系统，其特征在于，所述反射平镜为平面镜，且呈45度倾斜设置，所述反射平镜的材质为镀金平镜的高反射太赫兹材料。
4.根据权利要求1所述的细胞用太赫兹波生物暴露系统，其特征在于，所述金属托盘上形成的所述通孔呈圆形，且直径为4-8厘米，优选5厘米。
5.根据权利要求1所述的细胞用太赫兹波生物暴露系统，其特征在于，所述透射托盘的直径与所述通孔的直径相同，所述透射托盘的材质为TPX或高密度聚乙烯。
6.根据权利要求1所述的细胞用太赫兹波生物暴露系统，其特征在于，所述凸透镜的材质为TPX或高密度聚乙烯。
7.根据权利要求1所述的细胞用太赫兹波生物暴露系统，其特征在于，所述培养细胞为贴壁细胞或悬浮细胞。
8.根据权利要求1所述的细胞用太赫兹波生物暴露系统，其特征在于，进一步包括：
光路管道，所述光路管道自所述超导磁室的太赫兹波出口穿过所述凸透镜后经过所述箱体所述透射光窗的所述透射平镜，经所述反射平镜至所述金属托盘上的所述透射托盘。
9.根据权利要求1所述的细胞用太赫兹波生物暴露系统，其特征在于，所述太赫兹光源的输出频率为160吉赫兹-2.1太赫兹，输出功率为4微瓦-50毫瓦。
10.根据权利要求1所述的细胞用太赫兹波生物暴露系统，其特征在于，所述超导磁室的磁场强度为1.2特斯拉，
任选地，所述水冷系统的输入电压为110V和220V，
任选地，所述控制电源的输入电压为110V和220V，输出电压为200-6000V。
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