基于光激发扫描探针的细胞电生理探测方法、装置和系统制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于光激发扫描探针的细胞电生理探测方法、装置和系统。该方法包括：驱动扫描探针的导电针尖与位于样品基底之上的细胞膜样品接触，采用激光光源激发所述细胞膜样品,使得所述细胞膜样品获得光电特性响应；通过所述导电针尖对所述细胞膜样品外加激励电信号；采用所述扫描探针记录所述细胞膜样品在光激发下和外加激励电信号时的离子通道形貌和光电响应电信号。本发明专利技术能同时探测细胞膜离子通道光电特性和离子通道纳米尺度三维形貌，并且不破坏样品结构和性质。

【技术实现步骤摘要】
基于光激发扫描探针的细胞电生理探测方法、装置和系统
本专利技术实施例涉及生物电探测
，尤其涉及一种基于光激发扫描探针的细胞电生理探测方法、装置和系统。
技术介绍
生物电在植物生长生命活动中发挥重要作用，电信号对植物的许多生理活动都会产生重要影响，细胞间通过电信号传导信息是植物信息传导的基本方式之一。科学家在生物电产生机制的研究中发现了细胞生物膜对离子通透性的变化。离子通道由细胞产生的特殊蛋白质构成，它们聚集起来并镶嵌在细胞膜上。离子通道的活性对实现细胞各种功能具有重要意义。细胞膜上离子通道的功能，除了可以调节细胞内外的渗透压，也是维持细胞膜电位的重要分子，而细胞要进行电讯号传导，便是靠离子的进出以造成膜电位的变化。激光作用可显著影响视蛋白光敏离子通道稳态激活和失活过程。弱光作用光敏离子通道细胞膜可以改变电压门控离子通道特性，从而影响动作电位的形成和发放，调节生理功能。目前对光敏离子通道的探测方法尚缺乏，能同时获取细胞膜光激发生物电信号和细胞膜蛋白高精度结构的技术手段尚不足。传统研究细胞膜电特性和离子通道性能的方法包括：膜片钳技术、通道蛋白分离纯化等生化技术、人工膜离子通道重建技术及一些物理和化学技术。应用膜片钳技术可以直接观察和分辨光敏离子通道或光色素调控离子通道电流及其开闭时程，但是无法实时探测细胞膜纳米结构形貌，不能同时获取细胞膜纳米尺度的结构信息和电特性。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于光激发扫描探针的细胞电生理探测方法、装置和系统，以实现在样品表面探测纳米尺度形貌的同时，实时获取细胞膜离子通道光激发电信号。第一方面，本专利技术实施例提供了一种基于光激发扫描探针的细胞电生理探测方法，该方法包括：驱动扫描探针的导电针尖与位于样品基底之上的细胞膜样品接触，采用激光光源激发所述细胞膜样品，使得所述细胞膜样品获得光电特性响应；通过所述导电针尖对所述细胞膜样品外加激励电信号；采用所述扫描探针记录所述细胞膜样品在光激发和外加激励电信号下的离子通道形貌和光电响应电信号。优选地，采用所述扫描探针记录所述细胞膜样品在光激发和外加激励电信号下的离子通道形貌和电信号具体包括：采用所述扫描探针扫描探测所述细胞膜样品在光激发条件下的离子通道形貌，采用所述扫描探针探测所述细胞膜样品在光激发条件下的离子通道的光电响应电信号；采用所述扫描探针记录所述细胞膜样品在光激发和外加激励电信号下的离子通道形貌和光电响应电信号之后，还包括：根据离子通道形貌生成细胞膜样品的离子通道形貌图，根据各离子通道的光电响应电信号生成细胞膜样品的光电响应电信号分布图。优选地，采用激光光源激发所述细胞膜样品具体包括：调控激光光源的激光波长和强度，采用不同波长和不同强度的激光激发所述细胞膜样品；采用所述扫描探针记录所述细胞膜样品在光激发和外加激励电信号下的离子通道形貌和光电响应电信号具体包括：采用所述扫描探针记录所述细胞膜样品在不同波长和不同强度的激光激发下的离子通道形貌和光电响应电信号。优选地，采用所述扫描探针记录所述细胞膜样品在光激发和外加激励电信号下的离子通道形貌和光电响应电信号之后，还包括：根据所述细胞膜样品的离子通道形貌和光电响应电信号，驱动所述导电针尖定位于细胞膜样品的离子通道定点，改变所述激光光源的波长和/或强度，采用扫描探针记录细胞膜样品的离子通道定点在不同的波长和/或强度的激光激发下的局域光电响应电信号变化。优选地，采用所述扫描探针记录所述细胞膜样品在光激发和外加激励电信号下的离子通道形貌和光电响应电信号之后，还包括：改变细胞膜样品环境，探测细胞膜样品在不同环境条件下的光电响应电信号变化，生成不同环境条件下的离子通道形貌图像和光电响应电信号图像；或根据所述细胞膜样品的离子通道形貌和光电响应电信号，驱动所述导电针尖定位于细胞膜样品的单个离子通道，改变细胞膜样品环境，采用扫描探针观测细胞膜样品的单个离子通道在不同环境条件下的光电响应电信号变化。第二方面，本专利技术实施例还提供了一种基于光激发扫描探针的细胞电生理探测装置，该装置包括：扫描探针驱动模块，用于驱动扫描探针的导电针尖与位于样品基底之上的细胞膜样品接触；光激发执行模块，用于采用激光光源激发所述细胞膜样品，使得所述细胞膜样品获得光电特性响应；外加电信号执行模块，用于通过所述导电针尖对所述细胞膜样品外加激励电信号；形貌和光电响应电信号记录执行模块，用于采用所述扫描探针记录所述细胞膜样品在光激发下的离子通道形貌和光电响应电信号。优选地，所述光激发执行模块具体用于：调控激光光源的激光波长和强度，采用不同波长和强度的激光激发细胞膜样品；所述形貌和电信号记录执行模块具体用于：采用所述扫描探针记录所述细胞膜样品在不同波长和强度的激光激发下的离子通道形貌和光电响应电信号。优选地，该装置还包括：定点电信号记录执行模块，用于根据所述细胞膜样品的离子通道形貌和光电响应电信号，驱动所述导电针尖定位于细胞膜样品的离子通道定点，改变所述激光光源的波长和/或强度，采用扫描探针记录细胞膜样品的离子通道定点在不同的波长和/或强度的激光激发下的局域光电响应电信号变化。第三方面，本专利技术实施例还提供了一种基于光激发扫描探针的细胞电生理探测系统，包括扫描探针，还包括激光光源和第二方面所述的装置，所述装置分别连接所述扫描探针和激光光源，所述扫描探针的导电针尖位于激光光源发射的激光的中心。优选地，该系统还包括样品室，所述细胞膜样品、扫描探针与样品基底均位于所述样品室，所述样品室与水气泵相连，所述水气泵可将水蒸气泵入样品室；所述样品室内设置有控温元件。本专利技术提供的基于光激发扫描探针的生理探测细胞膜电特性和离子通道的方法、装置和系统，可以直接在样品表面探测纳米尺度形貌的同时，实时获取细胞膜的通道电流及电学特性，并且不破坏样品结构和性质。附图说明图1是本专利技术实施例一中的一种基于光激发扫描探针的细胞电生理探测方法流程图；图2是本专利技术实施例二中的一种基于光激发扫描探针的细胞电生理探测方法流程图；图3是本专利技术实施例三中的一种基于光激发扫描探针的细胞电生理探测方法流程图；图4是本专利技术实施例四中的一种基于光激发扫描探针的细胞电生理探测装置结构示意图；图5是本专利技术实施例五中的一种基于光激发扫描探针的细胞电生理探测装置结构示意图；图6是本专利技术实施例六中的一种基于光激发扫描探针的细胞电生理探测装置结构示意图；图7是本专利技术实施例七中的一种基于光激发扫描探针的细胞电生理探测系统结构示意图；图8是本专利技术实施例七中的另一种基于光激发扫描探针的细胞电生理探测系统结构示意图；图9是本专利技术实施例七中的另一种基于光激发扫描探针的细胞电生理探测系统结构示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本专利技术，而非对本专利技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本专利技术相关的部分而非全部结构。实施例一图1为本专利技术实施例一提供的一种基于光激发扫描探针的细胞电生理探测方法的流程图，本实施例可适用于细胞电特性和离子通道探测的情况，例如，水稻叶片细胞电学特性和离子通道探测，农作物/植物光敏色素对细胞离子通道和质子泵的调控机制，视蛋白光敏离子通道，表达有视蛋白的神经元细胞能被特异性地激活，研究神本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光激发扫描探针的细胞电生理探测方法，其特征在于，该方法包括：驱动扫描探针的导电针尖与位于样品基底之上的细胞膜样品接触，采用激光光源激发所述细胞膜样品，使得所述细胞膜样品获得光电特性响应；通过所述导电针尖对所述细胞膜样品外加激励电信号；采用所述扫描探针记录所述细胞膜样品在光激发和外加激励电信号下的离子通道形貌和光电响应电信号。

【技术特征摘要】
1.一种基于光激发扫描探针的细胞电生理探测方法，其特征在于，该方法包括：驱动扫描探针的导电针尖与位于样品基底之上的细胞膜样品接触，采用激光光源激发所述细胞膜样品，使得所述细胞膜样品获得光电特性响应；通过所述导电针尖对所述细胞膜样品外加激励电信号；采用所述扫描探针记录所述细胞膜样品在光激发和外加激励电信号下的离子通道形貌和光电响应电信号。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用所述扫描探针记录所述细胞膜样品在光激发和外加激励电信号下的离子通道形貌和电信号具体包括：采用所述扫描探针扫描探测所述细胞膜样品在光激发条件下的离子通道形貌，采用所述扫描探针探测所述细胞膜样品在光激发条件下的离子通道的光电响应电信号；采用所述扫描探针记录所述细胞膜样品在光激发和外加激励电信号下的离子通道形貌和光电响应电信号之后，还包括：根据离子通道形貌生成细胞膜样品的离子通道形貌图，根据各离子通道的光电响应电信号生成细胞膜样品的光电响应电信号分布图。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用激光光源激发所述细胞膜样品具体包括：调控激光光源的激光波长和强度，采用不同波长和不同强度的激光激发所述细胞膜样品；采用所述扫描探针记录所述细胞膜样品在光激发和外加激励电信号下的离子通道形貌和光电响应电信号具体包括：采用所述扫描探针记录所述细胞膜样品在不同波长和不同强度的激光激发下的离子通道形貌和光电响应电信号。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用所述扫描探针记录所述细胞膜样品在光激发和外加激励电信号下的离子通道形貌和光电响应电信号之后，还包括：根据所述细胞膜样品的离子通道形貌和光电响应电信号，驱动所述导电针尖定位于细胞膜样品的离子通道定点，改变所述激光光源的波长和/或强度，采用扫描探针记录细胞膜样品的离子通道定点在不同的波长和/或强度的激光激发下的局域光电响应电信号变化。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用所述扫描探针记录所述细胞膜样品在光激发和外加激励电信号下的离子通道形貌和光电响应电信号之后，还包括：改变细胞膜样品环境...

【专利技术属性】
技术研发人员：李灯华，许世卫，李哲敏，李娴，李燕妮，
申请(专利权)人：中国农业科学院农业信息研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11