[实用新型]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

说明书

技术领域

本发明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（THz TD-ATR光谱）的测量和分析装置，本发明适用于体外活细胞生理及病理等生命过程的实时监测。

背景技术

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（Western Blot）、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。

发明内容

本发明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（THz TD-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，本发明采用如下技术手段：

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1x10⁶ cells/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2 kΩ.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。