CN209052703U - 用于细胞无标记分析的太赫兹超材料检测板 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于细胞无标记分析的太赫兹超材料检测板，其包括夹具本体Ⅰ、多孔阵列式培养腔室垫板、太赫兹超材料芯片和夹具本体Ⅱ，通过夹具本体Ⅰ与夹具本体Ⅱ磁吸式贴合将多孔阵列式培养腔室垫板和太赫兹超材料芯片压紧，可在太赫兹超材料芯片表面形成阵列式排布的细胞培养室；结合反射式太赫兹时域光谱系统检测，可实现对培养细胞的无标记、高通量、原位检测分析。

Description

用于细胞无标记分析的太赫兹超材料检测板

技术领域

本实用新型属于太赫兹测量技术领域，涉及用于细胞无标记分析的太赫兹超材料检测板。

背景技术

细胞培养技术是整个生物医学工程的核心基础技术。基于细胞的检测分析技术广泛应用于生物应用研究的各个方面，包括细胞趋化、迁移、粘附、凋亡、相互作用等分析。然而，许多传统方法均基于侵入式染色、荧光等有标记手段，或通过光镜观察等较多依赖主观评估的方法，仅能产生终点数据，较难实现连续长程检测。一种无需标记，高通量连续测量，适合细胞原位生长检测的分析平台已是现实所需。

太赫兹波是指频率为0.1-10THz，波长为30-3000μm，波数为3.3-330cm-1的电磁波，其在电磁波谱中位于微波和红外波之间，处于电子学向光学过渡的特殊区域。太赫兹波具备应用于细胞检测的独特优势，可将水分子运动检测尺度从飞秒尺度上提升至皮秒及亚皮秒尺度，精确、实时反应胞内自由水和结合水的水化动力学。但由于细胞吸收截面小和液相背景强吸收干扰，然而，传统透射式太赫兹液相细胞检测受限于液相强吸收干扰和检测波长失匹配，传感灵敏度极大受限，较难实现对溶液中活细胞的准确定量和定性评估。

太赫兹超材料技术是由在硅、石英、半导体衬底或其他介质上的周期性排布的亚波长金属谐振环结构组成，其在谐振环缝隙处具有极大增强的局域电场分布，可显著增加电磁波与生物样品的相互作用，从而提升太赫兹生物传感灵敏度，可应用于细胞无标记液相检测。当待测靶物质覆盖于超材料芯片表面时，可改变其谐振环附近等效介电常数，使超材料整体电容发生改变，引起共振频率的改变，已用于无标记检测肿瘤细胞的凋亡，展现出灵敏度高、样本用量少、响应信号直观及无标记的多重优势。但是其仍需将胞外水拭去，以降低透射模式培养基强吸收干扰，这显然不利于活细胞长时程监测。同时，该方法仍需制备多块超材料芯片，分开培养并施加处理；操作繁琐，难以满足太赫兹高通量扫描分析的需求。

发明内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种用于细胞无标记分析的太赫兹超材料检测板。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

用于细胞无标记分析的太赫兹超材料检测板，由上而下包括夹具本体Ⅰ、多孔阵列式培养腔室垫板、太赫兹超材料芯片和夹具本体Ⅱ，夹具本体Ⅰ与夹具本体Ⅱ均为中空结构，多孔阵列式培养腔室垫板嵌入夹具本体Ⅰ的底部，并与夹具本体Ⅰ的底部表面平齐，太赫兹超材料芯片嵌入夹具本体Ⅱ的顶部，并与夹具本体Ⅱ的顶部表面平齐，夹具本体Ⅰ与夹具本体Ⅱ磁吸式贴合。

优选的，所述多孔阵列式培养腔室垫板选择易于加工制作、硬度较高、耐热、耐潮湿、生物相容性好的材质，进一步优选为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚苯乙烯(PS)、聚四氟乙烯(PTFE)或COP塑料，更进一步优选为PDMS材质。

优选的，所述多孔阵列式培养腔室垫板为厚度5mm的方形板，方形板上设有直径10mm、孔间距5mm的9个圆形通孔，呈三行三列排布，可在夹具本体Ⅰ与夹具本体Ⅱ磁吸式贴合压紧时在太赫兹超材料芯片表面形成9个细胞培养腔室，为细胞在太赫兹超材料芯片表面贴附生长及实验操作提供独立的空间。应当注意的是，可加工制备一批不同厚度、不同圆形通孔大小、分布个数及方式的多孔阵列式培养腔室垫板，以根据具体应用场景需要，在磁吸作用下与太赫兹超材料芯片实现快速组装、实验检测。

优选的，所述太赫兹超材料芯片包括非金属基底，以及在其表面光刻加工的周期性亚波长金属结构，金属结构的形状为圆形、多边形或十字形。

进一步优选的，所述非金属基底的材质选自硅或石英；金属结构的材质选自金、银、铜、铝、镍或铬。

进一步优选的，所述非金属基底为厚度500μm、边长2cm的正方形高阻硅片(电阻率大于10000Ω.cm)，所述金属结构包括上、下两层，分别为金膜和铬膜，两者的厚度分别为200nm和20nm，金属结构为周期70μm、边长66μm、金属线框宽2μm、开口缝隙宽4μm的正方形四边中央开口的周期结构。

优选的，所述多孔阵列式培养腔室垫板上设有若干个通孔，所述夹具本体Ⅰ为方形，顶部和底部分别开设方形凹槽Ⅰ和方形凹槽Ⅱ，中间位置设有向中央延伸的方形环状隔板Ⅰ，该隔板Ⅰ的宽度不遮盖多孔阵列式培养腔室垫板边缘位置的通孔，以方便组装完成后的加样操作；多孔阵列式培养腔室垫板嵌入方形凹槽Ⅱ中。

进一步优选的，所述检测板还包括透明盖板层，其嵌入方形凹槽Ⅰ中，并与夹具本体Ⅰ的顶部表面平齐。

更进一步优选的，所述透明盖板层选取光学透明度好，耐高温、耐潮湿、无生物毒性、硬度高及加工性好的材质，包括但不限于石英玻璃、K9玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚苯乙烯(PS)，聚四氟乙烯(PTFE)或COP塑料，从而为细胞培养提供密闭环境并便于显微镜镜观察，其边长与厚度与方形凹槽Ⅰ的边长及深度相匹配。

更进一步优选的，在透明盖板层的边角位置粘附一圆柱形小块，以方便透明盖板层在夹具本体Ⅰ中的取放，圆柱形小块的位置应不遮盖下方的多孔阵列式培养腔室垫板的通孔。

进一步优选的，所述夹具本体Ⅱ为方形，其顶部开设方形凹槽Ⅲ，底部设有向中央延伸的方形环状隔板Ⅱ，太赫兹超材料芯片嵌入方形凹槽Ⅲ中，并与夹具本体Ⅱ的顶部平面平齐；方形凹槽Ⅲ与方形凹槽Ⅱ的尺寸相同，隔板Ⅱ与隔板Ⅰ的尺寸相同，以使太赫兹波可以完整入射并反射出。

更进一步优选的，所述检测板还包括垫圈Ⅰ和垫圈Ⅱ，它们均为方形环状，垫圈Ⅰ设置于多孔阵列式培养腔室垫板与夹具本体Ⅰ之间，垫圈Ⅰ与隔板Ⅰ的宽度相同；垫圈Ⅱ位于太赫兹超材料芯片与夹具本体Ⅱ之间，垫圈Ⅱ与隔板Ⅱ的宽度相同。垫圈Ⅰ和垫圈Ⅱ的高度根据多孔培养腔室垫板和太赫兹超材料芯片的高度进行调整，其目的在于缓冲调节夹具本体Ⅰ与多孔培养腔室垫板层、夹具本体Ⅱ与太赫兹超材料芯片之间的压力，以保证组装完成后太赫兹超材料芯片与多孔培养腔室垫板表面紧密贴合。

更进一步优选的，垫圈Ⅰ和垫圈Ⅱ应选择弹性较好、生物相容性好及耐长期使用的橡胶材质，进一步优选为硅橡胶材质。

优选的，在夹具本体Ⅰ与夹具本体Ⅱ贴合面处分别埋入磁铁和相应的吸合部件。

进一步优选的，所述夹具本体Ⅰ与夹具本体Ⅱ均为方形，在贴合面的四个顶角和四条边的中间位置分别设置1个预埋孔，所述磁铁和相应的吸合部件相对埋设固定于预埋孔中，并且，磁铁和吸合部件的暴露面均与贴合面平齐，使得夹具本体Ⅰ与夹具本体Ⅱ贴合时没有间隙，确保固定好的磁铁和相应吸合部件的上表面与贴合面平齐、吸附压紧时无任何间隙。

进一步优选的，所述磁铁和吸合部件粘结固定于预埋孔中。

进一步优选的，所述预埋孔为圆柱形，磁铁为圆柱形铷铁硼磁铁，其直径为5mm，厚度为1mm。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型提供一种可便捷组装的太赫兹超材料细胞检测板，其包括夹具本体Ⅰ、多孔阵列式培养腔室垫板、太赫兹超材料芯片和夹具本体Ⅱ，通过夹具本体Ⅰ与夹具本体Ⅱ磁吸式贴合将多孔阵列式培养腔室垫板和太赫兹超材料芯片压紧，可在太赫兹超材料芯片表面形成阵列式排布的细胞培养室；结合反射式太赫兹时域光谱系统检测，可实现对培养细胞的无标记、高通量、原位检测分析。具体如下：

1.无标记检测，本实用新型可利用太赫兹超材料局域共振电场增强实现对细胞层复介电信息的有效响应，不需任何标记处理；

2.原位高通量分析，太赫兹超材料芯片即为细胞培养板，贴壁细胞无需消化分离，借助反射式太赫兹光谱系统可以实现对培养板上阵列排布培养室的快速扫描分析；

3.操作便捷，采用磁吸式吸附方式，可实现快速闭合、拆卸，同时磁吸压力分布均匀，测量结果重复性较好；

4.通用性好：太赫兹超材料芯片表面未进行任何二次加工处理，便于彻底清洗及用于其他实验操作。

附图说明

为了使本实用新型的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本实用新型提供如下附图进行说明：

图1为本实用新型的结构示意图；

其中，1为透明盖板层，2为夹具本体Ⅰ，3为垫圈Ⅰ，4为多孔阵列式培养腔室垫板，5为太赫兹超材料芯片，6为垫圈Ⅱ，7为夹具本体Ⅱ。

具体实施方式

下面将结合附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的描述。

实施例：

如图1所示，用于细胞无标记分析的太赫兹超材料检测板，由上而下包括夹具本体Ⅰ2、多孔阵列式培养腔室垫板4、太赫兹超材料芯片5和夹具本体Ⅱ7，夹具本体Ⅰ2与夹具本体Ⅱ7均为中空结构，多孔阵列式培养腔室垫板4嵌入夹具本体Ⅰ2的底部，并与夹具本体Ⅰ2的底部表面平齐，太赫兹超材料芯片5嵌入夹具本体Ⅱ7的顶部，并与夹具本体Ⅱ7的顶部表面平齐，夹具本体Ⅰ2与夹具本体Ⅱ7磁吸式贴合。

多孔阵列式培养腔室垫板4的材质为PDMS。多孔阵列式培养腔室垫板4为厚度5mm的方形板，方形板上设有直径10mm、孔间距5mm的9个圆形通孔，呈三行三列排布，可在夹具本体Ⅰ2与夹具本体Ⅱ7磁吸式贴合压紧时在太赫兹超材料芯片5表面形成9个细胞培养腔室，为细胞在太赫兹超材料芯片5表面贴附生长及实验操作提供独立的空间。

太赫兹超材料芯片5包括非金属基底，以及在其表面光刻加工的周期性亚波长金属结构。非金属基底为厚度500μm、边长2cm的正方形高阻硅片(电阻率大于10000Ω.cm)，所述金属结构包括上、下两层，分别为金膜和铬膜，两者的厚度分别为200nm和20nm，金属结构为周期70μm、边长66μm、金属线框宽2μm、开口缝隙宽4μm的正方形四边中央开口的周期结构。

夹具本体Ⅰ2为方形，顶部和底部分别开设方形凹槽Ⅰ和方形凹槽Ⅱ，中间位置设有向中央延伸的方形环状隔板Ⅰ，该隔板Ⅰ的宽度不遮盖多孔阵列式培养腔室垫板4边缘位置的通孔，以方便组装完成后的加样操作；多孔阵列式培养腔室垫板4嵌入方形凹槽Ⅱ中。

检测板还包括透明盖板层1，其嵌入方形凹槽Ⅰ中，并与夹具本体Ⅰ的顶部表面平齐。

在透明盖板层1的边角位置粘附一圆柱形小块，以方便透明盖板层1在夹具本体Ⅰ2中的取放，圆柱形小块的位置应不遮盖下方的多孔阵列式培养腔室垫板4的通孔。

夹具本体Ⅱ7为方形，其顶部开设方形凹槽Ⅲ，底部设有向中央延伸的方形环状隔板Ⅱ，太赫兹超材料芯片5嵌入方形凹槽Ⅲ中，并与夹具本体Ⅱ7的顶部平面平齐；方形凹槽Ⅲ与方形凹槽Ⅱ的尺寸相同，隔板Ⅱ与隔板Ⅰ的尺寸相同，以使太赫兹波可以完整入射并反射出。

检测板还包括垫圈Ⅰ3和垫圈Ⅱ6，它们均为方形环状，垫圈Ⅰ3设置于多孔阵列式培养腔室垫板4与夹具本体Ⅰ2之间，垫圈Ⅰ3与隔板Ⅰ的宽度相同；垫圈Ⅱ6位于太赫兹超材料芯片5与夹具本体Ⅱ7之间，垫圈Ⅱ6与隔板Ⅱ的宽度相同。

在夹具本体Ⅰ2与夹具本体Ⅱ7贴合面处分别埋入磁铁和相应的吸合部件。夹具本体Ⅰ2与夹具本体Ⅱ7均为方形，在贴合面的四个顶角和四条边的中间位置分别设置1个预埋孔，所述磁铁和相应的吸合部件相对埋设固定于预埋孔中，并且，磁铁和吸合部件的暴露面均与贴合面平齐，使得夹具本体Ⅰ2与夹具本体Ⅱ7贴合时没有间隙，确保固定好的磁铁和相应吸合部件的上表面与贴合面平齐、吸附压紧时无任何间隙。

磁铁和吸合部件粘结固定于预埋孔中。预埋孔为圆柱形，磁铁为圆柱形铷铁硼磁铁，其直径为5mm，厚度为1mm。

以犬肾细胞(MDCK)的超材料细胞培养板上的液相检测为例，说明本实用新型的使用方法：

1、细胞培养：在DMEM不完全培养基中加入体积百分数10％胎牛血清、链霉素(100μg/mL)及青霉素(100U/mL)形成完全培养基，将MDCK细胞放置于37℃、二氧化碳体积分数为5％的细胞培养箱中，待25cm²培养瓶中细胞融合度达到90％左右时，以体积浓度0.25％胰蛋白酶-EDTA在培养箱中消化10分钟，待细胞逐渐脱落(培养瓶呈毛玻璃样)时，加入完全培养基、吹打并吸出细胞悬液，离心重悬后配置成浓度为1×10⁶个细胞/mL悬液备用。

2、接种细胞：用丙酮、无水乙醇及超纯水依次清洗太赫兹超材料芯片表面，并将其余组件用75％酒精消毒后，置于紫外灯下照射2个小时，而后将本实用新型组装好，在9个培养孔中按编号顺序1-9号孔中依次加入0、5、15、25、50、75、85、95μL和100μL浓度为1×10⁶个细胞/mL的MDCK细胞悬液，添加DMEM完全培养基使终体积为300μL并小心吹打混匀，盖上透明盖板层，将超材料细胞培养板放置于细胞孵箱中。待12个小时后从培养箱中取出超材料芯片镜下观察9号孔中，完全铺满的贴壁MDCK单细胞层。

3、太赫兹检测：选用反射式太赫兹时域光谱进行检测，在太赫兹光路中充入干燥空气，维持光路湿度在3％以下；将超材料细胞培养板水平放置入高精度二维扫描平移台上，使太赫兹光斑对准底部超材料检测区域，按由编号1到9的顺序，水平扫描步长为4mm，垂直移动步长为10mm，平均1024次光谱扫描、采集并保存每个培养腔室的太赫兹时域光谱信号。此处亦可使用手动调节位置的方式，使反射光谱平台的检测孔与培养板对应培养腔室底部对齐即可。

4、结果分析：提取获取太赫兹时域光谱信号中第二个反射峰，并进行快速傅里叶变换获得频域强度值信号，将其与硅片反射的频域强度值相除并归一化即获得对应培养腔室超材料表面的响应信号。不同数量密度细胞分布的超材料芯片谐振峰变化不同；随数量密度的下降，谐振峰幅度依次下降并接近DMEM培养基的信号。这是由于超材料芯片敏感区域附近的等效介电常数逐渐接近于培养基的信号。细胞和DMEM培养基在超材料芯片上谐振峰的幅度值差异较大，这是由于细胞和培养基的太赫兹复介电常数主要差异来源于虚部，而超材料谐振峰的幅值变化受表面环境复介电常数虚部影响。整个扫描检测过程小于5分钟，可准确获得液相环境中对应培养腔室细胞层的响应信息。该太赫兹超材料细胞培养板组装快速，使用便捷，模块多元可调，通用性强，可用于对细胞数量密度、活性状态、代谢水平和相互作用的无标记、高通量、原位分析。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本实用新型进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本实用新型权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.用于细胞无标记分析的太赫兹超材料检测板，其特征在于，由上而下包括夹具本体Ⅰ、多孔阵列式培养腔室垫板、太赫兹超材料芯片和夹具本体Ⅱ，夹具本体Ⅰ与夹具本体Ⅱ均为中空结构，多孔阵列式培养腔室垫板嵌入夹具本体Ⅰ的底部，并与夹具本体Ⅰ的底部表面平齐，太赫兹超材料芯片嵌入夹具本体Ⅱ的顶部，并与夹具本体Ⅱ的顶部表面平齐，夹具本体Ⅰ与夹具本体Ⅱ磁吸式贴合。

2.根据权利要求1所述的检测板，其特征在于，所述多孔阵列式培养腔室垫板为厚度5mm的方形板，方形板上设有直径10mm、孔间距5mm的9个圆形通孔，呈三行三列排布。

3.根据权利要求1所述的检测板，其特征在于，所述太赫兹超材料芯片包括非金属基底，以及在其表面光刻加工的周期性亚波长金属结构，金属结构的形状为圆形、多边形或十字形。

4.根据权利要求1所述的检测板，其特征在于，所述多孔阵列式培养腔室垫板上设有若干个通孔，所述夹具本体Ⅰ为方形，顶部和底部分别开设方形凹槽Ⅰ和方形凹槽Ⅱ，中间位置设有向中央延伸的方形环状隔板Ⅰ，该隔板Ⅰ的宽度不遮盖多孔阵列式培养腔室垫板边缘位置的通孔。

5.根据权利要求4所述的检测板，其特征在于，所述检测板还包括透明盖板层，其嵌入方形凹槽Ⅰ中，并与夹具本体Ⅰ的顶部表面平齐。

6.根据权利要求4所述的检测板，其特征在于，所述夹具本体Ⅱ为方形，其顶部开设方形凹槽Ⅲ，底部设有向中央延伸的方形环状隔板Ⅱ，太赫兹超材料芯片嵌入方形凹槽Ⅲ中，并与夹具本体Ⅱ的顶部平面平齐；方形凹槽Ⅲ与方形凹槽Ⅱ的尺寸相同，隔板Ⅱ与隔板Ⅰ的尺寸相同。

7.根据权利要求6所述的检测板，其特征在于，所述检测板还包括垫圈Ⅰ和垫圈Ⅱ，它们均为方形环状，垫圈Ⅰ设置于多孔阵列式培养腔室垫板与夹具本体Ⅰ之间，垫圈Ⅰ与隔板Ⅰ的宽度相同；垫圈Ⅱ位于太赫兹超材料芯片与夹具本体Ⅱ之间，垫圈Ⅱ与隔板Ⅱ的宽度相同。

8.根据权利要求1所述的检测板，其特征在于，在夹具本体Ⅰ与夹具本体Ⅱ贴合面处分别埋入磁铁和相应的吸合部件。

9.根据权利要求8所述的检测板，其特征在于，所述夹具本体Ⅰ与夹具本体Ⅱ均为方形，在贴合面的四个顶角和四条边的中间位置分别设置1个预埋孔，所述磁铁和相应的吸合部件相对埋设固定于预埋孔中，并且，磁铁和吸合部件的暴露面均与贴合面平齐。

10.根据权利要求9所述的检测板，其特征在于，所所述磁铁和吸合部件粘结固定于预埋孔中。