用于确定生物系统的质量和/或机械特性的测量装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于确定生物系统的质量和/或机械特性的测量装置和方法。所述生物系统附着到微型悬臂，所述微型悬臂受到强度经过调制的光源的激励。由所述微型悬臂的谐振频率的变化计算质量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及一种用于确定生物系统的质量和/或机械特性的测量装置和方法。当前技术中已知用于确定生物系统的质量和/或机械特性的测量装置。在ParkK、JangJ、IrimiaD、SturgisJ、LeeJ、RobinsonJP、TonerM、BashirR.的Livingcantileverarraysforcharacterizationofmassofsinglelivecellsinfluids.，LabonaChip.8:1034-41(2008)(“用于表征流体中的单个活细胞的质量的活性悬臂阵列”)中，开发了悬臂阵列来确定溶液中的细胞的质量。这些阵列通过两组彼此对置的悬臂形成。外部正弦电源以180°相移连接到对置的悬臂组，以便生成不均匀电场，不均匀电场通过介电泳捕捉细胞。没有有效的激励方法使悬臂振荡。悬臂仅仅由于热噪声而振动，这样会降低这个装置测量质量变化的敏感性和时间分辨率。在开始质量测量之前，需要几天(通常三天)让细胞在悬臂上生长。这意味着选择随机细胞进行实验。由于这个装置的设计，它的使用无法与用于生物学的现代的光学显微技术(例如微分干涉差(DIC)、荧光、共聚焦或相衬显微技术)兼容。这些技术在生物学中是非常重要的，因为它们提供了关于所表征的细胞或生物系统的额外形态和功能信息。ParkK、MilletLJ、KimN、LiH、JinX、PopescuG、AluruNR、HsiaKJ、BashirR.的研究Measurementofadherentcellmassandgrowth.PNAS,107:20691-6(2010)(“粘附细胞质量和生长的测量”)显示了一种使用微型隔膜谐振器确定流体中的单个粘附细胞的质量和机械特性的装置。使用洛仑兹力使隔膜有效地受到激励。为了执行此操作，将隔膜浸没到均匀磁场中，交流电流流过隔膜。通过使用激光多普勒干涉仪(LDI)检测到隔膜的移动。为了将细胞附着到隔膜，在装置上培养细胞。这样做，一些细胞将随机附着到隔膜的顶部。一旦细胞被注射到装置中，在开始测量之前需要至少两个小时的等待时间，这样会显著限制有待研究的细胞过程。这个系统与荧光兼容，但是无法与DIC或相衬显微技术兼容。S.Son、A.Tzur、Y.Weng、P.Jorgensen、J.Kim、M.W.Kirschner、S.R.Manalis.的Directobservationofmammaliancellgrowthandsizeregulation.Nat.Methods.9:910-2(2012)(“哺乳动物细胞生长和大小调节的直接观察”)中的装置是基于微型通道谐振器，这是一个被真空包围的中空悬臂。漂浮在流体中的悬浮细胞可以被泵吸到悬臂中并且通过悬臂。当细胞经过悬臂的自由端时，细胞的漂浮质量会使悬臂的总质量增加，这样会降低悬臂的谐振频率。此外，只能对穿过单独的储集器的细胞而不是在细胞通过质量传感器时执行高分辨率荧光显微技术。这个工具并不适合于粘附细胞，因为该细胞必须悬浮才能够漂浮通过悬臂。此外，无法研究一些细胞过程，因为该装置只能检测到漂浮质量。这种检验的另一个不利问题是，既无法长时间(>>1秒)也无法同时持续地采集单个细胞的荧光信号(例如显微技术)和漂浮质量，从而导致很难使漂浮质量与细胞状态相关。本专利技术的目标是改善这些已知装置。根据本专利技术的第一方面，通过提供一种用于确定生物系统的质量和/或机械特性的测量装置来实现这个技术难题的解决方案，该测量装置包括微型悬臂和激励悬臂的强度经过调制的光源，优选的是激光，其中该悬臂经过功能化(functionalized)以附着到生物系统。该测量装置允许随时间并且在生理上相关的环境中确定例如单个细胞或小组织的生物系统的质量和/或机械特性。此外，该测量装置可用于研究细胞与细胞或者细胞与组织的相互作用。“生物系统”是例如一个细胞、细胞群组或小组织。细胞可以是粘附的或非粘附的并且有各种来源，例如人、动物、酵母和细菌。“光源”是任何能够生成具有优选地但不限于350nm到750nm的范围的波长的电磁信号的装置。该电磁信号可以是相干的或不相干的，单色的或者非单色的。为了附着例如细胞之类的生物系统，使悬臂功能化。悬臂的功能化可能意味着，悬臂被物理地或化学地改变以便展现不同的物理、化学或生物特性。功能化可以具有不同于例如将生物样本附着到悬臂或诱发样本的特殊表现的应用。作为悬臂的化学功能化的替代方案，其它将生物系统附着到悬臂的方法也是可能的。具体来说，可使用微型通道悬臂，其借助于抽吸机制将生物系统附着到悬臂。偶尔的情况下，如果因为样本与悬臂之间已经存在物理或化学相互作用，所以生物系统无需特定的结合方式就能附着到悬臂，则特定的功能化将不是必需的。这些替代方案将被所属领域的技术人员视为等效于化学功能化。可以通过使单个细胞(或细胞群组)直接接触悬臂而将其附着到悬臂。测量系统可以从培养的细胞群体中选择和拾取某一细胞，由此允许针对性地测量所选细胞的质量和/或机械特性。此外，非粘附细胞的测量也是可能的，因为它们可以固定在悬臂的末端。这样允许在非常的时间段中进行测量，因为测量可以在细胞被拾取后立刻开始。因而测量可能通常在几秒或最多几分钟时间内开始。测量装置能够直接测量总质量，因为附着到悬臂的生物系统会将它的所有质量添加到悬臂的质量，从而改变悬臂的谐振频率。此外，通过与我们的装置兼容的光学方法，例如SLIM(空间光干涉显微技术)，可以检测到生物样本的干质量。直接检测细胞的总质量的可能性对于理解细胞周期调节或其中细胞可以摄取或释放水的任何其它过程是至关重要的。重要的是应注意，其它当前技术系统不能检测单个细胞的总质量，只能检测其漂浮质量。通过测量在两种不同密度的流体中的单个细胞的漂浮质量并假设细胞的体积和质量在这些条件下保持不变(情况可能并不是这样)，那些系统可能试图估计总质量。然而，每次测量时都要改变细胞存活介质，这样的要求可能对细胞的压力巨大，而且肯定与生理条件相差很大。它还可以用于研究细胞的机械特性，例如粘附力、刚度或流变特性。细胞相对于某一基质或另一细胞的粘附力可以这样测量：首先将细胞固定在悬臂上，然后使得这个细胞在特定的时间量中接触基质或细胞。在前一时间之后，系统从基质或细胞上收回悬臂上的细胞，并且通过测量悬臂的偏转量来测量该过程所必需的力。细胞的刚度可以通过如下方式测量：将细胞限制在悬臂与基质之间，然后在用控制的方式改变悬臂的底部与基质之间的距离的同时分析悬臂的偏转量。还可以通过将细胞附着在悬臂上并且在远离基质的位置(通常数十微米或更大)设立悬臂来确定细胞的刚度。在这些条件下，悬臂以谐振频率振荡，并且它的品质因数的改变可以与细胞的刚度的改变相关。但是，还可以应用其它提取机械特性的可能性。此外，测量装置能够使得单一细胞接触或接近另一细胞或组织，以便研究细胞和组织之间的细胞相互作用。测量装置使用悬臂的光热激励原理，由此允许测量装置提高质量敏感性和时间分辨率。为了直接激励悬臂而不激励装置的任何其它部分(其它部分可能会引入噪声)，将强度经过调制的光源，优选的是激光，选址(addressed)在悬臂上。这个激光产生非常局部化的、经过调制的加热，其相应地激励悬臂。激光可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于确定生物系统的质量和/或机械特性的测量装置，其包括微型悬臂和激励所述悬臂的强度经过调制的光源，其中所述悬臂经过功能化以附着到所述生物系统。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.17 EP 14000560.4;2014.12.16 EP 14004244.11.一种用于确定生物系统的质量和/或机械特性的测量装置，其包括微型悬臂和激励所述悬臂的强度经过调制的光源，其中所述悬臂经过功能化以附着到所述生物系统。2.根据权利要求1所述的测量装置，其中所述悬臂完全浸没在缓冲溶液中。3.尤其根据权利要求1或2所述的测量装置，其中所述悬臂对于可见光谱的波长是可透射的。4.尤其根据权利要求1到3中任一权利要求所述的测量装置，其中所述测量装置包括光学显微镜，尤其是荧光显微镜、共聚焦显微镜、荧光能量转移(FRET)显微镜、DIC和/或相衬显微镜，所有这些显微镜尤其理解为倒置显微镜。5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的测量装置，其中所述悬臂的长度处于10μm到1000μm范围内，优选的是10μm到100μm的大小，和/或谐振频率处于1Hz到10MHz范围内，优选的是处于20kHz到1200kHz范围内，当浸没在水中时优选的是处于20kHz到400kHz范围内，和/或振荡振幅处于0.01nm到300nm范围内，优选的是小于30nm，和/或所述光源是激光，激光的波长处于350nm到750nm范围内，优选的是处于350nm到550nm范围内，优选的是处于350nm到450nm范围内。6.根据前述权利要求中任一权利要求所述的测量装置，其中所述光源聚焦在点上，并且所述光源的点和所述样本附着的位置在所述悬臂的相...

【专利技术属性】
技术研发人员：大卫·马丁内斯马丁，丹尼尔·J·米勒，萨沙·马丁，克里斯托弗·戈伯，本杰明·比歇尔，
申请(专利权)人：巴塞尔大学，苏黎世联邦理工学院，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH