一种测量生物细胞电特性的光诱导电极扫描显微镜及方法技术

本发明专利技术公开一种测量生物细胞电特性的光诱导电极扫描显微镜及方法，该显微镜利用投影到光敏芯片上的光图案形成相应的光诱导电极，通过移动光图案或者光敏芯片的位置实现光诱导电极扫描模式，主要用于生物细胞电特性测量和定位。将设计好的光图案照射到镀有光敏材料的芯片上，使光敏层被照射区域的电导率增大，在芯片上产生由光图案定义的电极，即光诱导电极。本发明专利技术用光诱导电极取代传统的固定电极，可以根据需要实时改变电极的位置和形状，实现无创、灵活地测量生物细胞电特性，可以通过移动光图案或者光敏芯片的位置实现光诱导电极扫描模式，用于在二维平面或三维空间上进行生物细胞电特性测量与定位。物细胞电特性测量与定位。物细胞电特性测量与定位。

【技术实现步骤摘要】
一种测量生物细胞电特性的光诱导电极扫描显微镜及方法


[0001]本专利技术涉及生物细胞电特性测量领域，尤其涉及一种测量生物细胞电特性的光诱导电极扫描显微镜及方法。

技术介绍

[0002]研究生物细胞的电特性对人类疾病的防预与治疗有着至关重要的意义，测量生物细胞的电特性对疾病诊断、细胞再生康复以及高通量药物筛选等领域均可能带来重大突破。因此，生物细胞电特性检测技术的发展为我们在细胞水平研究生物体的生理和病理过程提供了有力工具。
[0003]目前，微电极阵列被广泛用于检测生物细胞的电特性，该检测技术直接在器件表面培养生物细胞，通过芯片上的引脚与外部信号采集设备相连，将信号采集出来。可以选用多种材料设计制备各种形状的电极，包括圆盘状、插指状、火山形和井状等，制备方法主要包括模板法、刻蚀法和自组装法等。这些传统电极的制备需要设计复杂的物理电极，物理电极的设计存在设计复杂、制作周期长、成本高等问题，且只能检测固定位置处细胞的电特性。而对生物细胞无接触、无损伤的光诱导电极目前可用于细胞操纵、分离或捕获粒子等，并未应用于生物细胞电特性测量领域。本专利技术提出一种测量生物细胞电特性的光诱导电极扫描显微镜，用光诱导电极取代传统的固定电极，避免了复杂的加工过程，极大地降低了成本，同时可以根据需要实时改变电极的位置和形状，以实现生物细胞电特性的灵活测量，还可以通过光图案的动态扫描或者位移平台对芯片进行X和Y方向的移动实现光诱导电极扫描模式，从而进行细胞定位。

技术实现思路

[0004]本专利技术技术解决问题：1)传统电极的制备存在复杂的电极制造问题，且样品制备难、成本高；2)传统电极的形状、位置固定，对生物细胞的电特性测量不够灵活，分辨率低，有测量死角；3)由于传统电极位置固定，无法通过测量细胞电特性的方式确定细胞的位置。本专利技术提供了一种测量生物细胞电特性的光诱导电极扫描显微镜及方法，使用光诱导电极代替传统的物理电极，避免了复杂的电极制造工艺，且电极连续(无测量死角)、分辨率高、效率高、成本低；进一步地，可以根据需要实时改变光诱导电极的形状和位置，以实现生物细胞电特性测量图案化、灵活化；进一步地，可以利用光图案的动态扫描或者位移平台对芯片进行X和Y方向的移动实现光诱导电极扫描模式，从而在二维平面进行贴壁细胞定位；进一步地，对贴壁细胞上表面和悬浮细胞产生的电信号，可以通过扫描过程中的信号序列分析计算获得其空间位置，进而实现在三维空间上的细胞定位。进一步地，将光诱导电极应用于生物细胞电特性测量领域，突破了固定电极或电极阵列的局限性。
[0005]本专利技术提供的一种测量生物细胞电特性的光诱导电极扫描显微镜及方法，目的可通过以下的技术措施来实现：
[0006]一种测量生物细胞电特性的光诱导电极扫描显微镜，包括：位移平台(1)，投影装
置(2)，第一正透镜(3)，第二正透镜(4)，物镜(5)，光敏芯片(6)，光学显微镜(7)，CCD(8)，计算机(9)。
[0007]位移平台(1)，包括：微米位移台(粗调，25mm行程，分辨率0.1μm)和纳米位移台(细调，100μm行程，分辨率0.2nm)，用于对光敏芯片(6)进行三维调节，X和Y方向用于水平调节光敏芯片位置，实现光诱导电极扫描模式，Z方向用于竖直调节光敏芯片位置以调节成像焦距，使细胞成像于计算机(9)的显示器上。
[0008]投影装置(2)、第一正透镜(3)、第二正透镜(4)、物镜(5)，用于将设计好的光图案投影到光敏芯片(6)上，通过调节投影装置(2)、第一正透镜(3)和第二正透镜(4)之间的间距改变光图案尺寸。
[0009]光敏芯片(6)，光敏层的被照射区域产生光生载流子使电导率增加，从而在芯片上产生由光图案定义的光诱导电极。将培养皿环粘附于光敏芯片(6)上形成光敏芯片培养皿，提取心肌细胞并接种于培养皿中，进行电特性测量实验。
[0010]光学显微镜(7)、CCD(8)，用于获取光图案和细胞图像。
[0011]计算机(9)，用于实时观测光图案和细胞图像，同时作为外部采集设备进行细胞电信号的采集与处理。计算机(9)带有信号放大器和数据采集卡(24bits，200KS/s)。
[0012]所述的光敏芯片(6)，从上到下依次由本征氢化非晶硅光敏层(11)、n型掺杂氢化非晶硅层(12)，氧化铟锡导电层(13)和玻璃基底(14)组成。其中，本征氢化非晶硅光敏层(11)厚度为100nm
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1000nm，n型掺杂氢化非晶硅层(12)厚度为20nm
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100nm，氧化铟锡导电层厚度为20nm
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200nm。氧化铟锡导电层用于纵向收集载流子并向外部电路传输，同时可以减少光学反射。氢化非晶硅对光极其敏感，在光照条件下电阻变小，利用有光照处导通和无光照处截止的特性获得光诱导电极，且氢化非晶硅具有高光暗电导比(≥103)和高吸收率，因此选用氢化非晶硅作为光敏材料。光敏材料由本征氢化非晶硅光敏层(11)和n型掺杂氢化非晶硅层(12)两部分组成。本征氢化非晶硅光敏层(11)是光生载流子的产生区，只有本征氢化非晶硅光敏层(11)具有光电转化作用；n型掺杂氢化非晶硅层(12)是为了降低本征氢化非晶硅光敏层(11)和氧化铟锡导电层(13)之间的接触电阻。
[0013]进一步地，投影装置(2)将设计好的光图案投影，依次经过第一正透镜(3)、第二正透镜(4)的汇聚、物镜(5)的缩放照射到光敏芯片(6)上。
[0014]进一步地，所述的投影装置(2)，也可以用以下方法实现：1)两光束激光干涉产生的微米或纳米条纹扫描，2)激光振镜控制光点扫描，或3)空间光调制器结合光敏芯片成像扫描。
[0015]取1
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3天新生大鼠3只，提取心肌细胞并接种于培养皿中，进行以下电特性检测实验。
[0016]一种测量生物细胞电特性的光诱导电极扫描显微方法，使用如上任一所述的显微镜，具体操作步骤包括如下：
[0017]提取1
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3天新生大鼠的心肌细胞，培养在光敏芯片(6)培养皿中。投影装置(2)将设计好的光图案进行投影，经过第一正透镜(3)、第二正透镜(4)的汇聚、物镜(5)的缩放照射到光敏芯片(6)上。光敏芯片(6)的被照射区域产生光生载流子使电导率增加，从而在芯片上产生由光图案定义的光诱导电极。通过调整投影装置(2)、第一正透镜(3)和第二正透镜(4)之间的距离调节光图案尺寸。同时利用光学显微镜(7)、CCD(8)和计算机(9)对细胞和光
图案进行实时观测。调节光图案的投影位置，或移动位移平台(1)使光图案照射于待测细胞下方。将导线一端连接光敏芯片(6)的氧化铟锡导电层(13)作为测量电极，另一端接外部采集设备计算机(9)，参考电极置于细胞上方。观察计算机(9)采集软件的示数，实时检测细胞的电特性，从而实现了利用光诱导电极测量生物细胞的电特性。
[0018]光诱导电极扫描显微镜扫描模式的两种实现方式。方法一，光图案的动态扫描：利用投影装置(2)使光图案进行移本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种测量生物细胞电特性的光诱导电极扫描显微镜，其特征在于，系统包括：位移平台(1)，投影装置(2)，第一正透镜(3)，第二正透镜(4)，物镜(5)，光敏芯片(6)，光学显微镜(7)，CCD(8)，计算机(9)；光敏芯片(6)安装于所述位移平台(1)上；位移平台(1)，包括：微米位移台(粗调，25mm行程，分辨率0.1μm)和纳米位移台(细调，100μm行程，分辨率0.2nm)，用于对光敏芯片(6)进行三维调节，X和Y方向用于水平调节光敏芯片位置，实现光诱导电极扫描模式，Z方向用于竖直调节光敏芯片位置以调节成像焦距，使细胞成像于计算机(9)的显示器上；投影装置(2)、第一正透镜(3)、第二正透镜(4)和物镜(5)，用于将设计好的光图案投影到光敏芯片(6)上，通过调节投影装置(2)、第一正透镜(3)和第二正透镜(4)之间的距离改变光图案尺寸；光敏芯片(6)，光敏层的被照射区域产生光生载流子使电导率增加，从而在芯片上产生由光图案定义的光诱导电极；光学显微镜(7)和CCD(8)，用于获取光图案和细胞图像；计算机(9)带有信号放大器和数据采集卡(24bits，200KS/s)，用于实时观测光图案和细胞图像，同时作为外部采集设备进行细胞电信号的采集与处理。2.根据权利要求1所述的一种测量生物细胞电特性的光诱导电极扫描显微镜，其特征在于：所述光敏芯片(6)从上到下依次由本征氢化非晶硅光敏层(11)、n型掺杂氢化非晶硅层(12)，氧化铟锡导电层(13)和玻璃基底(14)组成；其中，本征氢化非晶硅光敏层(11)的厚度为100nm
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1000nm，n型掺杂氢化非晶硅层(12)的厚度为20nm
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100nm，氧化铟锡导电层(13)的厚度为20nm
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200nm；本征氢化非晶硅光敏层(11)是光生载流子的产生区，具有光电转化作用，n型掺杂氢化非晶硅层(12)能够降低本征氢化非晶硅光敏层(11)和氧化铟锡导电层(13)之间的接触电阻。3.根据权利要求1所述的一种测量生物细胞电特性的光诱导电极扫描显微镜，其特征在于：投影装置(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：王作斌，侯峰燕，杨焕洲，姜晓琳，王睿，曲凯歌，田立国，杨帆，王建飞，董建军，朱文禹，陈玉娟，宋正勋，翁占坤，许红梅，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：