TWI633307B - 光熱偏折熱量測系統 - Google Patents

光熱偏折熱量測系統 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種光熱偏折熱量測系統，包括有一基材、一偵測光源、一偵測單元以及一運算單元。該基材，其係具有複數個定位結構，用以承載一細胞，該細胞散發一熱場。該偵測光源，用以產生一偵測光投射至該熱場之一位置，該偵測光通過該熱場產生一偏折量。該偵測單元，用以接收通過該位置之該偵測光，以產生對應該偏折量之處理訊號。該運算單元，根據該處理訊號而解析出該偏折量，並根據該偏折量，決定該位置之一熱量值。

Description

光熱偏折熱量測系統
本發明為一種熱量測技術，特別是指一種透過定位結構量測、觀測被定位在該定位結構上之細胞受到刺激所表現出微尺度發熱量的一種光熱偏折熱量測系統。
隨著生物科技的創新與進步，應用於細胞的醫療生物科技也日新月異，其中，透過物理性生物細胞激活技術，舉凡聲、光、電、熱與磁的運用，都能達到細胞治療、增生、分化或修復的效益。
然而透過對細胞的物理性刺激能量，在刺激細胞的過程中多數轉換為熱能，以熱累積的方式表現於生物細胞，這些刺激所產生的熱能會對細胞產生影響，利如：過多的刺激容易改變細胞內部結構及酵素性蛋白質的功能，影響細胞生長或是造成細胞變異。因此，微尺度熱醫學工程的首要任務就是在於充分揭示熱能對單一或是微量細胞生命活動的影響。
對此，長期以來，各種技術也因應此需求而有發展，例如：2011年C.Wang等學者以及2014年S.A.Binslem等學者皆設計了奈米等級的熱電偶針(nano-thermocouple needle)，對單一細胞之溫度做直接地量測，解析度約在0.01~0.1℃。也有運用分析半導體元件所使用之掃描式熱梯度探針顯微鏡 (Scanning Thermal Microscopy,SThM)來量測單一細胞之溫度梯度，其薄膜型掃描探針結構複雜需要繁瑣奈米技術加工。此外，在2012年T.Ono等學者運用懸臂量共振量測的方式探討單一顆脂肪細胞(The brown fat cell)在給予去甲腎上腺素(norepinephrine)時所產生的代謝發熱量。2013年D.Kim等學者依據四線量測法製備了一部微米等級之量測平台，以口字型位井讓單一細胞能貼附在量測平台上，通入不同大小的電流，量測電抗變化計算單一細胞之熱傳導性質。雖然前述方式可以量測細胞熱能，但是各種技術仍然存在一些問題，譬如：細胞之胞器雖然受到細胞膜的保護，原子力顯微鏡探針直接接觸細胞，很容易破毀細胞膜致使細胞損傷。而四線量測法則需通入額外探測電流，這額外量測電流(pumping current)極有可能在單細胞產生另外之誤差能量。此外，細胞樣品的水域環境將使得接觸式或是直接式量測方式(探針式和線路式)之量測訊號更加難以判斷。
有別於上述接觸式量測法，L.V.Wang等學者於2013年提出一聲光式熱訊號量測系統(photoacoustic thermometry)，運用超音波探頭來產生與感測單一細胞受到熱刺激後，造成超音波訊號之改變量，這是一套新穎且非接觸式的方式來量測單一細胞發熱量之裝置，但是溫度解析度只能到0.2℃。
綜合上述，因此需要一種利用非接觸式且熱訊號解析度非常高的光熱偏折系統為主的量測系統，來解決習用技術之缺陷。
本發明提供一種光熱偏折熱量測系統，其係以非接觸式且根據 光熱偏折量決定至少一個物體，例如：細胞，之發熱狀態或物體表面之外部空間的溫度梯度分佈。在一實施例中，該系統可以根據光熱偏折量所對應的熱量值輸出對應該溫度梯度的溫度或熱量分佈影像。本發明除了可以量測得細胞系統內細微尺度之熱量變化，並可以整合在長時間活細胞顯微鏡上，定性地觀察細胞受到不同物理刺激時所產生的生物反應機制，包括胞器的耐熱受性與熱休克蛋白的生成，藉以釐清細胞受到刺激時造成細胞內部胞器或是蛋白質之熱作用影響，進而洞悉熱因子在其中所起的具體作用，搭配微尺度細胞熱傳理論模型與實際量測到之熱耗散訊號值，相互驗證與修正。
本發明提供一種光熱偏折熱量測系統，主要以一非接觸式光熱偏折量測系統為主，整合一長時間活細胞正立式螢光顯微鏡觀測平台，可以量測、觀測與探討單一細胞受到物理性刺激例如電、磁等刺激，或是化學反應下所表現出微尺度發熱量。當加熱源以固定一頻率的方式施加於單一細胞樣品上，細胞內部產生週期性的熱量變化，週期性的熱能會傳導至細胞表面，使得細胞表面的介質溶液之折射率跟著產生週期性的折射率梯度變化，運用一探測雷射(probe laser)沿著待測細胞表面入射至光位置偵測器(position sensor)，因為折射率梯度(refractive index gradient)變化會造成雷射光路偏折，因此週期性的光偏折訊號(periodic photo deflection signal)會被光位置偵測器所量測與紀錄，再藉由鎖相放大器將週期性的光路偏折訊號運算出細胞表面之微尺度發熱變化量；搭配長時間活細胞顯微鏡觀測平台，可以長時間、即時地探討單一細胞在各個不同的發熱量表現下，其細胞狀態、細胞反應與生命週期之影響。
在一實施例中，本發明提供一種光熱偏折熱量測系統，包括有 一基材、一偵測光源、一偵測單元以及一運算單元。該基材，其係具有複數個定位結構，用以承載一細胞，該細胞散發一熱場。該偵測光源，用以產生一偵測光投射至該熱場之一位置，該偵測光通過該熱場產生一偏折量。該偵測單元，用以接收通過該位置之該偵測光，以量測偏折之該偵測光，進而解析出該偏折量。該運算單元，與該偵測單元電訊連接，該運算單元根據該偏折量，決定該位置之一熱量值。
在一實施例中，該偵測單元更包括有一位置偵測器以及一訊號處理電路。該位置偵測器，用以感測該偏折量，並產生相應之一電訊號。該訊號處理電路，用以對根據該電訊號進行鎖相放大處理，以得到對應該偏折量之處理訊號。
在一實施例中，該光熱偏折熱量測系統，更具有一影像擷取裝置，用以擷取該細胞之影像。
在一實施例中，該定位結構為一槽體。其中，每一槽體之上方具有一支撐架其以複數個懸臂與相應槽體的周圍相連接，每一支撐架用以支撐該細胞。，其中每一支撐架更包括有一第一電極以及一第二電極，分別連接該槽體之外圍，該第一電極與該第二電極之間具有一承載體
在一實施例中，該光熱偏折熱量測系統更包括有一電刺激裝置，用以提供每一支撐架一電刺激訊號，進而刺激該細胞發熱。
在一實施例中，其中每一細胞內更具有複數個磁性粒子。該光熱偏折熱量測系統，更包括有一交變磁場產生裝置，用以產生一交變磁場於該細胞上，使得該細胞內的複數個磁性粒子產生熱能。
在一實施例中，該運算單元更根據該處理訊號所對應的熱量值，建立關於該物體之一熱分佈影像。
在一實施例中，該定位結構為一微夾具或者是纖維。
在一實施例中，該光熱偏折熱量測系統，其係更包括有一發熱手段，用以刺激該物體發熱。其中，該發熱手段更包括有利用光、化學藥物、交變磁場或者是電的方式使該物體發熱。
2‧‧‧該光熱偏折熱量測系統
20‧‧‧基材
200、200a‧‧‧定位結構
201‧‧‧光阻層
202‧‧‧光罩
203‧‧‧光阻凹槽
205‧‧‧槽體
206‧‧‧支撐架
206a‧‧‧孔洞
207‧‧‧懸臂
208a‧‧‧第一電極
208b‧‧‧第二電極
209‧‧‧承載體
21‧‧‧偵測光源
210‧‧‧偵測光
211‧‧‧衰減片
212‧‧‧聚焦透鏡
22‧‧‧偵測單元
220‧‧‧位置偵測器
221‧‧‧訊號處理電路
222‧‧‧前置放大器
223‧‧‧電壓計
224‧‧‧鎖相放大器
23‧‧‧運算處理單元
24‧‧‧承載台
25‧‧‧電刺激裝置
26‧‧‧顯微影像擷取裝置
260‧‧‧顯微鏡
261‧‧‧影像擷取器
27‧‧‧固定結構
270‧‧‧驅動部
271‧‧‧夾鉗
28‧‧‧纖維
29‧‧‧交變磁場產生裝置
3‧‧‧介質
4‧‧‧容器
90‧‧‧細胞
91‧‧‧溫度梯度分布
95‧‧‧交變磁場
圖1A為本發明之光熱偏折熱量測系統之一實施例架構示意圖。
圖1B為基材之局佈剖面示意圖。
圖2A為本發明之一定位結構之一實施例示意圖。
圖2B為本發明之一定位結構之另一實施例俯視示意圖。
圖2C為圖2B之定位結構剖面示意圖。
圖3為本發明之光熱偏折熱量測系統另一實施例示意圖。
圖4為本發明之光熱偏折熱量測系統又一實施例示意圖。
圖5為本發明之光熱偏折熱量測系統再一實施例示意圖。
圖6A與6B為本發明之光熱偏折熱量測系統之定位結構另一實施例示意圖。
在下文將參考隨附圖式，可更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等 例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。類似數字始終指示類似元件。以下將以多種實施例配合圖式來說明所述光熱偏折熱量測系統，然而，下述實施例並非用以限制本發明。
請參閱圖1A所示，該圖為本發明之光熱偏折熱量測系統實施例架構示意圖。在本實施例中，該光熱偏折熱量測系統2，包括有一基材20、一偵測光源21、一偵測單元22以及一運算處理單元23。該基材20，係設置於一承載台24上。該承載台24可以進行至少一維度的位置調整運動。本實施例中，該承載台24可以進行多維度的運動，包括XYZ各軸的位移運動或者是XYZ各軸位移運動與Z軸向的轉動組合，以調整基材20之位置。如圖1B所示，該圖為基材之局佈剖面示意圖。該基材20其係具有複數個定位結構200，在一實施例中，該複數個定位結構200在該基材上成二維陣列式的分布。每一個定位結構200用以承載一可以散發一熱場之物體，在一實施例中，該物體為細胞90，但不以此為限制，例如：細菌、蛋白質等。該細胞90散發之熱場使得該細胞90之表面周圍具有一溫度梯度分布91。產生熱的方式，可以透過讓細胞90受到物理性刺激，例如電、磁(如：交變磁場)或者是光等刺激，或是受到化學藥物所產生的化學反應，進而使該細胞90產生發熱量。細胞90一但發熱之後，就會在其表面外圍的區域形成溫度梯度分布91，使得在容器4內的介質3，例如：含有細胞之溶液，受熱造成溫度改變，進而使介質3產生折射率的改變。介質3的折射率會隨著溫度的不同而有不同的折射率。
該基材20，在一實施例中，為矽基板，但不以此為限制。在本實施例中，該定位結構200為一槽體。形成該槽體的方式，可以利用半導體製程，如圖2A所示，首先如圖2A(a)所示在基材20上形成一層光阻層201，然後如圖 2A(b)所示，利用光罩202和曝光製程，如：紫外光，形成如圖2A(c)所示之複數個光阻凹槽203。接著，如圖2A(d)所示，利用蝕刻製程對該複數個光阻凹槽203進行蝕刻該基材20，以形成如圖2A(e)所示具有複數個定位結構200(凹槽)的基材20。
在另一實施例中，如圖2B與圖2C所示，其中圖2B為本發明之定位結構另一實施例俯視示意圖；圖2C為本發明之定位結構剖面示意圖。本實施例中，該定位結構200a具有槽體205以及一支撐架206。每一槽體205之上方具有該支撐架206。每一支撐架206具有複數個懸臂207以及乘載體209。其中，承載體209用以承載細胞90，而複數個懸臂207用以支撐該承載體209，以及與相應槽體205的周圍相連接。每一支撐架206的外圍更包括有一第一電極208a以及一第二電極208b，分別設置於該槽體205之外圍，該第一電極208a與該第二電極208b與該支撐架206耦接。承載體209係藉由懸臂207分別與電極208a與208b電性連接。
接下來說明圖2B定位結構形成方式，首先在基材20上形成雙電極陣列，其係以電子槍蒸鍍的方式分別鍍上Cr 10nm/Au 100nm，作為電刺激裝置之電極。接著在基材20上形成一層光阻層，然後利用光罩和曝光製程，如：紫外光，形成具有複數個光阻凹槽之凹槽陣列，每一凹槽對應一對電極。接著，於複數個光阻凹槽上形成金屬層與相應的電極電性連接，再將光阻層去除。該金屬層對應該支撐架的結構。以圖2B為例，支撐架206上具有孔洞206a。最後利用蝕刻製程，經由該孔洞206a蝕刻該基板，以形成具有複數個凹槽205(定位結構)的基材20，每一個凹槽205上具有支撐架206，用以承載細胞90。
再回到圖1A所示，該偵測光源21，用以產生一偵測光210投射至該熱場之一位置，該偵測光210通過該熱場，因為介質3的折射率改變，而產生 一偏折量D。在一實施例中，該偵測光源21為雷射，例如：He-Ne雷射，但不以此為限制。為了使雷射偵測光210強度不會造成熱累積，使用衰減片211來減弱光強度，再透過聚焦透鏡212聚焦於樣品的表面上之一特定位置P。該偵測單元22，用以接收通過該位置P之該偵測光，以量測偏折之該偵測光，進而解析出該偵測光的偏折量D，並根據該偏折量D，決定該位置之一熱量值。在本實施例中，該偵測單元22包括有一位置偵測器220以及一訊號處理電路221。該位置偵測器220，用以感測該偏折量D，並產生相應之一電訊號。該訊號處理電路221，用以對該電訊號進行訊號放大處理，例如：鎖相放大處理，以得到一處理訊號。在一實施例中，該訊號處理電路221包括有一前置放大器222、電壓計223與該前置放大器222電訊連接以及一鎖相放大器224與該電壓計223以及該運算單元23電訊連接。
由於細胞的發熱現象造成探測偵測光偏折，經由後方的位置偵測器220接收通過細胞表面上方特定位置的偵測光訊號的偏折位置，再由前置放大器222處理後，經過電壓計223讀取接收到的電壓值，並藉由鎖相放大器224擷取並放大樣品微弱的處理訊號。該運算單元23，本實施例為電腦，用以執行訊號處理程式，處理經由鎖相放大的處理訊號，並根據該處理訊號解析出偏折量，進而定量出細胞的發熱功率值。前述的方式，為利用圖2A的定位結構，細胞的發熱方式可以透過化學刺激，例如：藥物，或者是物理刺激，例如：光或超音波的方式，讓細胞發熱。該運算單元22更根據該處理訊號所對應的發熱功率值，建立關於該物體外部空間的熱分佈影像，並產生一熱分佈影像訊號輸出至顯示器。該熱分佈影像訊號可以藉由顯示器顯示出關於該物體表面外部的二維或三維熱分佈狀態。在一實施例中，該熱分佈狀態為在物體表面外圍之不同位置， 根據其熱量大小以不同的顏色表示，但不以此為限制。
在另一實施例中，以圖2B的定位結構為例，如圖3所示，本實施例為透過通電的方式誘導細胞發熱。在本實施例中，該光熱偏折熱量測系統2更包括有電刺激裝置25，與電極電性連接，用以提供每一支撐架一電刺激訊號，進而刺激該細胞發熱。在一實施例中，電刺激裝置25可調整的參數含電壓大小、脈衝寬度、頻率和延遲時間。電壓振幅範圍介於±20V，頻率固定50Hz，脈衝寬度設定為5ms。電刺激裝置與細胞固定掏空電極平台連結作用時，施以不同電刺激參數(電刺激參數從10~20V、頻率50Hz、刺激脈衝寬度為5ms，作用1.5小時)，量測電刺激作用時對背景溶液所產生之微發熱量。
此外，在另一實施例中，如圖4所示，該圖為本發明之光熱偏折熱量測系統另一實施例示意圖。在本實施例中，基本上與圖一相似，差異的是，本實施例中更具有顯微影像擷取裝置26，包括有顯微鏡260與影像擷取器261的組合，可以擷取細胞的影像。透過該影像定性地觀察細胞受到不同物理刺激時所產生的生物反應機制，包括細胞的耐熱受性與熱休克蛋白的生成，藉以釐清細胞受到刺激時造成細胞內部胞器或是蛋白質之熱作用影響，進而洞悉熱因子在其中所起的具體作用，搭配微尺度細胞熱傳理論模型與實際量測到之熱耗散訊號值，相互驗證與修正。要說明的是，圖4的架構中的基材20可以選擇圖2A或圖2C的結構，如果使用圖2C則會在搭配電刺激裝置25以調整刺激該細胞發熱的電訊號參數。
請參閱圖5所示，該圖為本發明之光熱偏折熱量測系統又一實施例架構示意圖。在本實施例中，基本上與圖一相似，差異的是，本實施例中，在基材上的細胞內具有複數個磁性粒子，例如：磁性奈米粒子，以及具有交變磁 場產生裝置29。要說明的是，支撐結構可以使用圖2A或圖2B的結構，並無一定之限制。此外，更可以使用如圖4所示的顯微影像擷取裝置26。在本實施例中，利用交變磁場95產生裝置產生高週波儀產生頻率42kHz(不以此為限制)的交變磁場，誘使細胞內的磁性粒子於交變磁場作用下，因磁性損耗便會產生熱能而溫昇，並運用光熱偏折系統量測單一細胞的溫度變化。在一實施例中，該細胞為癌細胞。運用交變磁場與磁性粒子，可以應用於癌症細胞的熱治療。而熱治療是否會對周遭組織產生傷害，仍是不可輕忽之議題。因此以本發明之光熱偏折系統結合熱治療模式，從單一細胞之層級評估細胞對熱治療之傷害，進而研究熱治療所需之最小能量，亦即透過交變磁場95的控制達到控制細胞內部磁性粒子的發熱狀態，進而達到治療效率之提升。要說明的是，在某些實施例中，交變磁場也可以用在不具有磁性粒子的情況下使物體發熱，例如透過特定強渡的交變磁場，可以讓物體產生共振而發熱。
請參閱圖6A與6B所示，該圖為本發明之固定結構另一實施例示意圖。在圖6A的實施例中，在基材20上的該固定結構27為微夾具，每一微夾具的結構具有一驅動部270以及一對夾鉗271，該驅動部270可以透過電、磁或熱的方式，控制夾鉗271挾持物體。在圖6B的實施例中，基材20具有微米或奈米等級的纖維28可以用來作為支撐物體，例如：蛋白質，的載具。
以上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

Claims (10)

  1. 一種光熱偏折熱量測系統，包括有：一基材，其係具有複數個定位結構，每一定位結構用以承載一物體，該物體散發一熱場；一偵測光源，用以產生一偵測光投射至該熱場之一位置，該偵測光通過該熱場產生一偏折量；一偵測單元，用以接收通過該位置之該偵測光，以產生對應該偏折量之電訊號，該偵測單元更具有一訊號處理電路，用以對該電訊號進行放大處理，以得到對應該偏折量之一處理訊號；以及一運算單元，與該偵測單元電訊連接，該運算單元根據該處理訊號，決定該位置之一熱量值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光熱偏折熱量測系統，其中該偵測單元更包括有：一位置偵測器，用以感測該偏折量，並產生相應之該電訊號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光熱偏折熱量測系統，其係更具有一顯微影像擷取裝置，用以擷取該物體之影像。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之光熱偏折熱量測系統，其中，該定位結構為一槽體。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之光熱偏折熱量測系統，其中，每一槽體之上方具有一支撐架，其係以複數個懸臂與相應槽體的周圍相連接，每一支撐架用以支撐該物體。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之光熱偏折熱量測系統，其中每一支撐架更包括有一第一電極以及一第二電極，分別連接該槽體之外圍，該第一電極與該第二電極之間具有一承載體。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之光熱偏折熱量測系統，其中，該定位結構為一微夾具或者是纖維。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之光熱偏折熱量測系統，其係更包括有一發熱手段，用以刺激該物體發熱。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之光熱偏折熱量測系統，其中該發熱手段更包括有利用光、化學藥物、交變磁場或者是電的方式使該物體發熱。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之光熱偏折熱量測系統，其中該運算單元更根據該處理訊號所對應的熱量值，建立關於該物體之一熱分佈影像。
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