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装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了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装置，利用太赫兹衰减全反射倏逝波的穿透深度与细胞层厚度匹配的特点，利用双ATR棱镜进行太赫兹时域衰减全反射测量，通过太赫兹时域光谱技术直接获得细胞在太赫兹波段的时域电场和复数介电常数（或复数折射率），可实现对整个细胞内部生理变化过程的实时监测，避免了传统透射式和反射式太赫兹光谱易受极性液体高吸收率影响的局限，也避免了传统细胞生物学方法需要对细胞染色和侵入的缺点；本实用新型专利技术光学系统集成度高，保证太赫兹光路的准确性，省去了实验中光学元件的调节，可方便地实现整个光谱系统的便携和移动，很适合在细胞生物学实验室内使用。

An experimental device for real time monitoring of living cells based on terahertz time domain attenuated total reflectance spectroscopy

The utility model discloses a device for real-time monitoring of living cell experimental terahertz time-domain attenuated total reflection spectrum based on terahertz attenuation characteristics of penetration depth and cell thickness, total reflection evanescent wave, THz time-domain ATR measurement using double ATR prism by terahertz time-domain spectroscopy to directly obtain cells in the terahertz band the time domain electric field and complex dielectric constant (or complex refractive index), can achieve real-time monitoring of physiological changes within the entire cell process, to avoid the traditional transmissive and reflective terahertz spectrums susceptible to polar liquid with high absorption rate of limitation, also avoid the traditional method of cell biology cell staining and invasion the optical system of the utility model has shortcomings; the high degree of integration, in order to ensure the accuracy of terahertz optical path, eliminating the experiment in Guang Xueyuan It is convenient to realize the portable and mobile spectrum system, and it is very suitable for use in cell biology laboratory.

【技术实现步骤摘要】
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装置
本专利技术属于太赫兹光谱技术及应用领域，具体涉及一种基于太赫兹时域衰减全反射光谱（THzTD-ATR光谱）的测量和分析装置，本专利技术适用于体外活细胞生理及病理等生命过程的实时监测。
技术介绍
细胞是生命体结构和生命活动的基本单位。生命体的生长发育依靠细胞增殖、细胞分化与细胞凋亡来实现，一切疾病的发病机制也以细胞病变研究为基础。传统的细胞生物学方法包括蛋白免疫印记（WesternBlot）、酶联免疫组化（ELISA）和细胞免疫组化（IC）等，需要复杂的样品前处理，如细胞固定、成分提取、荧光标记等。这些技术存在侵入性、耗时以及假阳性/阴性结果等缺点，难以实时、原位地获取细胞内物质结构的具体信息以及监测细胞增殖、分化、凋亡、坏死等生理或病理过程。目前，基于光谱技术监测活细胞的生理或病理过程主要包括荧光光谱，红外光谱，激光拉曼光谱。荧光光谱依赖于荧光探针，而荧光探针的引入可能对细胞的生理状态造成一定影响；红外光谱受水背景干扰较大；水的拉曼散射光谱极弱，而其他生物物质的拉曼信息却很丰富，因此拉曼光谱适于研究测定活细胞尤其是连续监测单个活细胞，但拉曼信噪比不高，难以从中获得有关物质分子的明显谱锋，通常采用提高激光功率、增加曝光时间等方法提高信噪比，但这些方法会增加细胞受扰以至受损的风险。生物大分子的振动和转动能级多处于太赫兹波段，同时太赫兹波光子能量低，不会引起电离辐射，适用于生物分子，细胞和组织的诊断检测研究。但传统太赫兹光谱技术也易受到水环境的影响，因此并不适于活细胞的原位监测。
技术实现思路
本专利技术的目的是基于太赫兹光的物理特性，提出一种基于太赫兹时域衰减全反射光谱（THzTD-ATR光谱）的分析和测量装置，以解决对体外活细胞生理及病理等生命过程进行实时监测的问题。为了满足上述上述目的，本专利技术采用如下技术手段：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，包括以下步骤：步骤一：将活细胞消化重悬后接种在灭菌消毒过的ATR硅棱镜上，在细胞培养液中培养，使活细胞在贴着ATR硅棱镜的表面生长；步骤二：测量时，先将一个不带有活细胞的ATR硅棱镜作为参考ATR棱镜设置到太赫兹光路中，测得其太赫兹时域电场；步骤三：将带有活细胞的ATR硅棱镜作为样品ATR棱镜设置到太赫兹光路中，测得其太赫兹时域电场；步骤四：利用获得的参考光和样品光太赫兹电场进行快速傅立叶变换，获得其各自的复数频域电场，用样品光频域电场比参考光频域电场得到系统复数传递函数，再结合复数菲涅耳方程进行求解，得到细胞样品的复数介电常数；步骤五：在不同时刻重复步骤一到四，获得样品复数介电常数的变化，并结合显微镜观测结果，对细胞样品的生理变化过程进行监测。在上述技术方案中，所述一种活细胞消化重悬后的浓度为为1x106cells/mL。在上述技术方案中，所述活细胞在温度为37°C，含有5%的CO2细胞培养液中培养。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装置，包括：用于光学元件定位和夹持的机械平台，所述机械平台上设置有导轨，所述导轨上设置有可以沿着导轨滑动的样品ATR硅棱镜和参考ATR棱镜，所述样品ATR硅棱镜的观察面上设置有培养室，所述导轨两侧分别设置有一组离轴抛物面镜，一侧的离轴抛物面镜用于将太赫兹发射头的光汇集到导轨上的ATR棱镜区域，另一侧的离轴抛物面镜用于将太赫兹光汇集到太赫兹探头，所述导轨上的太赫兹光路上方设置有反射式显微镜，用于实时观测样品ATR棱镜上的活细胞变化，所述样品ATR硅棱镜、参考ATR棱镜通过光纤或电缆连接到系统主机。在上述技术方案中，所示样品ATR硅棱镜和参考ATR棱镜均为基于高阻硅制作的全反射棱镜，所述棱镜的折射率为3.42，电阻率大于2kΩ.cm。在上述技术方案中，所述样品ATR硅棱镜上的培养室包括一个粘贴在样品ATR硅棱镜表面的围栏结构，所述围栏结构与样品ATR硅棱镜表面构成一个上端开口的密封腔体。在上述技术方案中，所述密封腔体的开口处设置有可以取放的石英窗口，所述石英窗口为透明窗口。在上述技术方案中，所述一组离轴抛物面镜包括两个90°离轴抛物面镜，两组四个90°离轴抛物面镜和太赫兹探头、太赫兹发射头构成8f集成式太赫兹时域衰减全反射测量光学系统。在上述技术方案中，所述导轨为一根由金属材料制作而成的V型槽，所述V型槽用于支撑样品ATR棱镜和参考ATR棱镜。在上述技术方案中，所述样品ATR棱镜和参考ATR棱镜的底部为V型状，与导轨的V型槽相互匹。在上述技术方案中，所示导轨上左右两侧分别设置有一个窗口，用于光路的通过。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：1.利用太赫兹时域衰减全反射技术实现活细胞的太赫兹光谱响应测量，其优点在于利用太赫兹衰减全反射倏逝波的穿透深度与细胞层厚度匹配的特点，通过太赫兹时域光谱技术直接获得细胞在太赫兹波段的时域电场和复数介电常数（或复数折射率），可实现对整个细胞内部生理变化过程的实时监测，避免了传统透射式和反射式太赫兹光谱易受极性液体高吸收率影响的局限，也避免了传统细胞生物学方法需要对细胞染色和侵入的缺点。2.利用高阻硅制作衰减全反射（ATR）棱镜，其优点在于利用高阻硅在太赫兹波段高折射率、低吸收的特点，可实现具有较大折射率范围样品（如细胞和培养液）的衰减全反射测量，并可减小太赫兹波在棱镜中的传输损耗。3.利用直接在ATR棱镜上表面粘贴“围栏”的方法制作细胞培养室，实现待测活细胞在硅棱镜表面的贴壁生长，其优点在于利用贴壁生长的活细胞层，可使沿硅棱镜表面传输的太赫兹倏逝波只与被测细胞充分作用，减小了环境因素的影响，从而可获得准确度更高的细胞太赫兹光谱响应数据。4.利用双ATR棱镜进行太赫兹时域衰减全反射测量，用其中一个空ATR棱镜进行参考光测量，另一个装有样品的ATR棱镜进行样品光测量，用导轨滑动实现参考ATR棱镜和样品ATR棱镜间的测量转换，通过交替测量参考光和样品光来获得每一时刻的细胞样品太赫兹光谱，其优点在于利用在短时间间隔内利用导轨滑动进行参考光和样品光的交替测量，可避免实验操作引入的ATR棱镜对准误差，并可减小太赫兹光源信号自身波动对测量结果的影响，克服只采用一个ATR棱镜进行测量时，无法在每一个时刻都进行参考光测量的缺点。5.利用在ATR棱镜的细胞培养室上方设置反射式显微镜的方式实现对细胞形貌变化的实时观测，其优点在于利用显微镜实时观测获得细胞生理状态，可方便地实现与实时太赫兹光谱的直接比对，从而更准确地获得不同时刻细胞生理状态变化与细胞太赫兹衰减全反射光谱变化的对应关系。6.利用4个90°离轴抛物面镜作为太赫兹光束传输和准直光学元件，结合模块化太赫兹发射和探测光电导天线构成8f集成式太赫兹时域衰减全反射测量光学系统，其优点在于利用集成式光学系统构架，基于合理设计光学元件的机械夹持方式和采用合理的机械加工精度来保证太赫兹光路的准确性，省去了实验中光学元件的调节，可方便地实现整个光谱系统的便携和移动，很适合在细胞生物学实验室内使用。附图说明本专利技术将通过例子并参照附图的方式说明，其中：图1是用于活细胞实时监测的太赫兹时域衰减全反射光谱实验系统布局示意图；图2是带细胞培养室的样品ATR棱镜和反射式显微镜布局本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于太赫兹时域衰减全反射光谱的活细胞实时监测的实验装置，其特征在于包括：用于光学元件定位和夹持的机械平台，所述机械平台上设置有导轨，所述导轨上设置有可以沿着导轨滑动的样品ATR硅棱镜和参考ATR棱镜，所述样品ATR硅棱镜的观察面上设置有培养室，所述导轨两侧分别设置有一组离轴抛物面镜，一侧的离轴抛物面镜用于将太赫兹发射头的光汇集到导轨上的 ATR棱镜区域，另一侧的离轴抛物面镜用于将太赫兹光汇集到太赫兹探头，所述导轨上的太赫兹光路上方设置有反射式显微镜，用于实时观测样品ATR棱镜上的活细胞变化，所述样品ATR硅棱镜、参考ATR棱镜通过光纤或电缆连接到系统主机。

【技术特征摘要】
1.一种基于太赫兹时域衰减全反射光谱的活细胞实时监测的实验装置，其特征在于包括：用于光学元件定位和夹持的机械平台，所述机械平台上设置有导轨，所述导轨上设置有可以沿着导轨滑动的样品ATR硅棱镜和参考ATR棱镜，所述样品ATR硅棱镜的观察面上设置有培养室，所述导轨两侧分别设置有一组离轴抛物面镜，一侧的离轴抛物面镜用于将太赫兹发射头的光汇集到导轨上的ATR棱镜区域，另一侧的离轴抛物面镜用于将太赫兹光汇集到太赫兹探头，所述导轨上的太赫兹光路上方设置有反射式显微镜，用于实时观测样品ATR棱镜上的活细胞变化，所述样品ATR硅棱镜、参考ATR棱镜通过光纤或电缆连接到系统主机。2.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹时域衰减全反射光谱的活细胞实时监测的实验装置，其特征在于所示样品ATR硅棱镜和参考ATR棱镜均为基于高阻硅制作的全反射棱镜，所述棱镜的折射率为3.42，电阻率大于2kΩ.cm。3.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹时域衰减全反射光谱的活细胞实时监测的实验装置，其特征在于所述样品ATR硅棱镜上的培养室包括一个粘贴在样品ATR硅棱镜表面的围栏结构，所述围栏结...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹逸，刘乔，黄华川，朱礼国，李江，翟召辉，钟森城，周平伟，杜良辉，王德田，蒙建华，彭其先，李泽仁，赵剑衡，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院流体物理研究所，
类型：新型
国别省市：四川,51