光子晶体显微镜和细胞力学测量方法技术

本公开实施例提供一种光子晶体显微镜和细胞力学测量方法。光子晶体显微镜包括光子晶体基底、载物台、探测光源和成像组件，光子晶体基底在载物台上方，探测光源和成像组件依次位于载物台背离光子晶体基底的一侧，光子晶体基底用于培养待测细胞，并且，在待测细胞在光子晶体基底上生长时，光子晶体基底能够产生形变；其中，探测光源，用于向光子晶体基底发出探测光；光子晶体基底反射探测光至成像组件；成像组件，接收来自光子晶体基底的反射光进行成像，以利用成像图形得到待测细胞与光子晶体基底之间的作用力信息。在保证亚细胞测量精度的前提下实现了通量的大幅度提高，简化了算法的复杂度、提高了时间分辨率、降低装置成本与实验的复杂度。

【技术实现步骤摘要】
光子晶体显微镜和细胞力学测量方法
本公开属于晶体显微镜
，具体涉及一种光子晶体显微镜和细胞力学测量方法。
技术介绍
细胞产生的力是细胞粘附、信号传递和功能的关键调节器，它们也是发育中形态发生事件的重要驱动力。在过去的数十年中，已经开发了多种方法来测量这些力。虽然广大研究人员对了解这些力在生物学中的贡献有很大的兴趣，但对他们进行广泛的测量仍然具有挑战性。表征细胞力存在的最简单方法涉及测量细胞、基质或组织的变形，而不试图将这些变形与实际的力联系起来。例如，嵌入在胶原蛋白凝胶中的细胞将压缩凝胶，可模仿在伤口愈合期间发生的收缩。通过在孔板中聚合的凝胶的直径变化来初步判断细胞力的大小。这种方法的优点是，不需要复杂的理论或测量方法对被变形的材料的机械变形进行复杂计算，以转换变形为力。然而，基于变形的方法也有缺点。隐含在分析中的假设是，更多的压实或回缩意味着更多的细胞力，但断裂，塑性和材料的粘弹性可能会使这个假设无效。此外，活体材料的力学性能可以主动改变对扰动的反应，导致组织在恒定的力下发生或多或少的压实。此外，这些变形测定的时间尺度不允许力波动的测量，无法进行重要的快速收缩细胞，如肌细胞的研究。另一种方法被用来测量压实水凝胶中产生的力。第一种方法是使用足够大的凝胶，以连接到外部等力传感器。这些传感器是现成的设备，力会改变其电压或电阻。因此，力，而不是位移，是直接从收缩组织测量。这种系统已被用于测量由细胞产生的力从高度收缩的组织，包括皮肤成纤维细胞，心肌细胞和骨骼肌细胞。虽然这些系统提供了连续和长期的组织收缩力的测量，所需的信号处理，从力传感器的电信号输出转换为实际的力所需的技能超出了大多数标准生物实验室的能力范围。此外，这些方法是有限的吞吐量，因为传感器的工作范围的下限通常是在微到毫微牛顿需要使用大型设备并手动安装到力传感器。第二种方法是在系统中加入已知刚度的悬臂，这样当组织收缩时，悬臂就会弯曲。悬臂自由端的位移可以用光学显微镜检测并通过位移来理论计算组织收缩力。该系统的一个优点是可以快速测量许多悬臂的变形。该系统也可以比上述电子检测系统具有更紧凑，这意味着它们仅需要更少的细胞和更少的细胞外基质材料且不需要手动安装到单个传感器上。最近，垂直悬臂已经可以从硅弹性体创建的系统，可以测量力低至100-600个细胞的合力。这些系统已经成为越来越重要的工具，用于测量细胞的力，如心肌细胞。虽然使用这些微制造的构造测量力只需要一个具有适当长工作距离的显微镜但系统的制造同样需要生物实验室中的非标技术。悬臂是由软光刻复制成型。然而，创建原始硅母片需要微细加工设施。虽然代工厂会以一定的成本制造硅母片，但需要指定专业的技术设计。测量组织构建产生的净收缩力可以提供有关驱动组织变形的信号的定量信息，特别是ECM的作用。然而，ECM重塑和细胞力是耦合在所产生的集合测量，因此，这取决于用于生成含细胞的ECM凝胶的具体配方。这些因素使得很难比较不同研究之间的测量结果，也很难分离出单个细胞产生的力量。细胞牵引力显微镜（TFM）通过跟踪合成的弹性聚合物基体的变形进行力学测量。这种方法，及其变体，是用于测量细胞力最广泛使用的技术。在标准的TFM中，小（≤1微米）荧光珠混合到硅胶或聚丙烯酰胺（PA）基质中，作为受托标记，可以在空间和时间上被光学显微镜跟踪。一个典型的TFM实验涉及以下内容：光学成像珠子在受压状态下的分布，通过细胞裂解、分离、或肌球蛋白抑制释放细胞牵引力;然后再次对荧光微珠成像，以确定它们在非受压状态下的位置。算法是通过分析所产生的两个图像（或图像序列）来确定由细胞引起的珠子的位移和所需的力。由于微珠远小于细胞，TFM允许细胞的力量被映射与亚细胞分辨率。该方法已经应用于各种细胞生物学过程的测量，如粘附成熟、迁移、分化和恶性转化的力动力学的表征。计算微珠位移和力所需的计算分析一直是一个重大的障碍，TFM的计算是复杂、细微和难以验证。这在一定程度上是由于测量微珠位置的微小误差可以引起较大误差的力计算和数学上的非适定性。此外，微珠标记的大小和间距和显微镜的光学分辨率决定了观察到的变形场的空间分辨率，反过来，决定了力学分辨率。因此，绘制高分辨率的牵引力图需要高分辨率的成像，极大的限制了该方法的应用。高分辨需要的高倍物镜还使得通量受到限制。高剂量的光毒性，也会对待测样本本身造成较大的干扰。尽管基于微柱阵列的方法和基于荧光共振能量转移的方法得到了长足的发展，但仍然存在制备困难和测量设备要求高等局限。此外，目前的方法仅局限于宏观组织或微观的数个细胞的力学测量，无法进行毫米视野范围内亚细胞分辨率的力学测量。
技术实现思路
本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种光子晶体显微镜和细胞力学测量方法。本公开的一个方面，提供一种光子晶体显微镜，所述光子晶体显微镜包括光子晶体基底、载物台、探测光源和成像组件，所述光子晶体基底在所述载物台上方，所述探测光源和所述成像组件依次位于所述载物台背离所述光子晶体基底的一侧，所述光子晶体基底用于培养待测细胞，并且，在所述待测细胞在所述光子晶体基底上生长时，所述光子晶体基底能够产生形变；其中，所述探测光源，用于向所述光子晶体基底发出探测光；所述光子晶体基底，用于反射所述探测光至所述成像组件；所述成像组件，用于接收来自所述光子晶体基底的反射光进行成像，以利用成像图形得到所述待测细胞与所述光子晶体基底之间的作用力信息。在一些可选地实施方式中，所述光子晶体基底包括：透光的支撑层；光子晶体薄膜，所述光子晶体薄膜设置在所述支撑层背离所述载物台的一侧。在一些可选地实施方式中，所述光子晶体薄膜在430nm~700nm波段内的最强反射波段反射率大于35%，非禁带范围透光率大于70%。在一些可选地实施方式中，所述光子晶体薄膜的厚度范围为20μm~80μm。在一些可选地实施方式中，所述光子晶体薄膜的杨氏模量范围为0.5kPa~100kPa。在一些可选地实施方式中，所述光子晶体薄膜的光子禁带范围为430nm~700nm。在一些可选地实施方式中，所述光子晶体显微镜还包括物镜，所述物镜设置在所述载物台和所述探测光源之间。在一些可选地实施方式中，所述物镜的数值孔径范围为0.1~0.9，和/或，所述物镜的放大倍率范围为1倍~100倍。在一些可选地实施方式中，所述成像组件包括滤光器和感光元件，所述滤光器所在光路位于所述感光元件和所述载物台之间。本公开的另一方面，提供一种细胞力学测量方法，采用前文记载的所述的光子晶体显微镜，所述方法包括：将所述光子晶体基底置于所述载物台上，观察所述光子晶体基底在待测细胞作用下发生形变；所述探测光源向所述光子晶体基底发出探测光；所述光子晶体基底反射所述探测光至所述成像组件；所述成像组件接收来自所述光子晶体基底的反射光进行成像，以利用成像图形得到所述待测细胞与所述光子晶体基底之间的作用力信息。本公开的光子晶体显微镜和细胞力学测量方法，提出了使用光子晶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光子晶体显微镜，其特征在于，所述光子晶体显微镜包括光子晶体基底、载物台、探测光源和成像组件，所述光子晶体基底在所述载物台上方，所述探测光源和所述成像组件依次位于所述载物台背离所述光子晶体基底的一侧，所述光子晶体基底用于培养待测细胞，并且，在所述待测细胞在所述光子晶体基底上生长时，所述光子晶体基底能够产生形变；其中，/n所述探测光源，用于向所述光子晶体基底发出探测光；/n所述光子晶体基底，用于反射所述探测光至所述成像组件，并且，发生形变的所述光子晶体基底可以改变反射光的波长分量；/n所述成像组件，用于接收来自所述光子晶体基底的反射光进行成像，以利用成像图形得到所述待测细胞与所述光子晶体基底之间的作用力信息；/n所述光子晶体基底包括：/n透光的支撑层；/n光子晶体薄膜，所述光子晶体薄膜设置在所述支撑层背离所述载物台的一侧。/n

【技术特征摘要】
1.一种光子晶体显微镜，其特征在于，所述光子晶体显微镜包括光子晶体基底、载物台、探测光源和成像组件，所述光子晶体基底在所述载物台上方，所述探测光源和所述成像组件依次位于所述载物台背离所述光子晶体基底的一侧，所述光子晶体基底用于培养待测细胞，并且，在所述待测细胞在所述光子晶体基底上生长时，所述光子晶体基底能够产生形变；其中，
所述探测光源，用于向所述光子晶体基底发出探测光；
所述光子晶体基底，用于反射所述探测光至所述成像组件，并且，发生形变的所述光子晶体基底可以改变反射光的波长分量；
所述成像组件，用于接收来自所述光子晶体基底的反射光进行成像，以利用成像图形得到所述待测细胞与所述光子晶体基底之间的作用力信息；
所述光子晶体基底包括：
透光的支撑层；
光子晶体薄膜，所述光子晶体薄膜设置在所述支撑层背离所述载物台的一侧。


2.根据权利要求1所述的光子晶体显微镜，其特征在于，所述光子晶体薄膜在430nm~700nm波段内的最强反射波段反射率大于35%，非禁带范围透光率大于70%。


3.根据权利要求1所述的光子晶体显微镜，其特征在于，所述光子晶体薄膜的厚度范围为20μm~80μm。


4.根据权利要求1所述的光子晶体显微镜，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾忠泽，李奇维，陈早早，
申请(专利权)人：东南大学苏州医疗器械研究院，
类型：发明
国别省市：江苏;32