一种单细胞与工程界面摩擦的直观表征装置及方法

技术领域

本发明涉及表面分析技术领域，具体地，涉及表面分析装置和表面分析方法，更具体地，涉及单细胞与工程界面摩擦的直观表征装置及方法。

背景技术

在相关技术中，生物体与工程界面的摩擦对于优化体内和体外生物微流体装置的界面具有重要意义。生物细胞与工程界面的摩擦会导致细胞形变，刺激细胞内部的机械传感，进而发生粘附、破裂等现象，最后引起微通道堵塞和体内置入装置的涂层的破坏等状况。

目前常用的细胞摩擦研究装置(也即细胞的表面分析装置)包括原子力显微镜、表面力仪和石英晶体微天平等。原子力显微镜利用原子间的范德华力作用来呈现样品的表面特性，扫描过程中微悬臂的方向可与快速扫描的方向垂直，其针尖检测到垂直方向的作用力，样品之间的摩擦力使微悬臂横向扭转，进而反馈到原子力显微镜系统。因此，原子力显微镜可表征单细胞的摩擦特性，具有较高的力灵敏度，但仅通过原子力显微镜无法实现高时间分辨率的观测。而荧光显微成像(例如倒置荧光显微镜)通过合适的荧光标记策略，可表征单细胞在运动过程中的动态行为，探究其生物功能的分子机制，但其无法操控细胞并实现摩擦力的感测。

因而，现有的表面分析装置的相关技术仍有待改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种可以实现单细胞与工程界面间的高分辨率的直观摩擦表征和细胞摩擦响应、使用原子力显微镜实现微观下单细胞的摩擦力的操控、检测、通过荧光倒置显微镜观测在不同摩擦力、时间的作用下单细胞的形貌及荧光标记的蛋白的变化、从而研究单细胞在工程界面下的摩擦感知、生理反馈、进而满足微观条件下生物摩擦学的研究需求的表面分析装置。

在本发明的一个方面，本发明提供了一种表面分析装置。根据本发明的实施例，该表面分析装置包括：原子力显微镜，所述原子力显微镜具有探头和基座，所述探头设置在所述基座的一侧，所述基座上具有载物台和压电陶瓷，所述探头包括：探针，所述探针在竖直方向上的正投影位于所述载物台的范围内，所述探针用于固定待测物体并提供力学信号；激光发射器，所述激光发射器设置在所述探针的一侧，所述激光发射器用于发射激光照射到所述探针的第一表面上；激光接收器，所述激光接收器设置在所述探针的另一侧，所述激光接收器用于接收照射到所述第一表面上的所述激光的反射光；所述压电陶瓷可通过自身的移动来控制所述载物台的移动，用于使所述待测物体在所述探针上的接触面发生形变，以改变所述激光接收器上接收到的所述反射光的强度变化；倒置荧光显微镜，所述倒置荧光显微镜具有荧光光源和荧光接收模块，所述倒置荧光显微镜位于所述原子力显微镜的正下方，所述荧光光源设置在所述探针的一侧，所述荧光光源从所述载物台处自下向上将荧光射入所述探针的第二表面，以激发所述待测物体的荧光信号，并使所述荧光信号垂直反射到所述荧光接收模块上。该表面分析装置可以实现单细胞与工程界面间的高分辨率的直观摩擦表征和细胞摩擦响应，即使用原子力显微镜实现微观下单细胞的摩擦力的操控和检测，通过荧光倒置显微镜观测在不同摩擦力和时间的作用下单细胞的形貌及荧光标记的蛋白的变化，从而研究单细胞在工程界面下的摩擦感知和生理反馈，进而满足微观条件下生物摩擦学的研究需求。

根据本发明的实施例，所述表面分析装置还包括：控制系统，所述控制系统包括控制机箱和计算机控制系统，所述控制机箱和所述计算机控制系统用于与所述探头和所述压电陶瓷之间信号的交互、所述探头内的所述激光接收器的信号的接收及信号的转换。

根据本发明的实施例，满足以下条件的至少之一：所述探针是可移动式安装的，所述探针在使用时放置于所述基座的固定位置上，所述探针是通过卡槽进行固定的；所述探头、所述载物台和所述倒置荧光显微镜的目镜的相对位置可通过调节旋钮进行调节。

根据本发明的实施例，所述表面分析装置还包括：探头外壳、驱动器、套筒、支撑螺杆、螺母、激光接收器支撑架、激光接收器、激光发射器支撑架、激光发射器、激光接收器位置调整旋钮、激光发射器位置调整旋钮、探针架和探针夹片。

根据本发明的实施例，所述探头外壳为中空腔体结构，所述驱动器固定在所述探头外壳的内部，所述驱动器的输出端和所述套筒相连，所述套筒的内部包括管壁上开有键槽的销钉结构，所述支撑螺杆通过所述键槽的所述销钉结构，一端滑动镶嵌在所述套筒内，所述螺母固接在所述探头外壳上，并与所述支撑螺杆螺纹连接。

根据本发明的实施例，所述激光发射器支撑架和所述激光接收器支撑架均由上支撑架和下支撑架构成，上支撑架与下支撑架在同一水平面上并以所述探针为轴对称，相对位置根据所述探针反射光强通过所述激光接收器位置调整旋钮和所述激光发射器位置调整旋钮在水平方向上进行调节，所述激光发射器以与水平方向呈一定夹角向所述探针方向发出激光，所述激光接收器接收所述探针反射的激光，光强度转换成电压信号，发送到所述计算机控制系统内。

根据本发明的实施例，所述表面分析装置还满足以下条件的至少一种：所述探针架固接在所述探头外壳的内部，所述探针夹片为一弹性金属片，一端固接在所述探针架上，另一端通过弹性力按压在所述原子力显微镜的所述探针上；所述基座包括水平方向上的调整旋钮和移动平台，并与所述倒置荧光显微镜相接；所述压电陶瓷固定在所述基座上，所述压电陶瓷为中空腔体结构，所述中空腔体结构的中空部分放置有载物台，所述载物台固定在所述压电陶瓷的中空位置上，与所述荧光接收模块在竖直方向上呈中心对称，通过施加电压的不同控制所述压电陶瓷的移动，以引起所述载物台在水平方向和竖直方向上的位置的调整；还包括液池，所述液池放置于所述载物台内，所述液池为适于储存所述载物台内的透明液体的容器，所述液池位于所述载物台的底部中心。

根据本发明的实施例，所述表面分析装置还包括：滤光片，所述滤光片为一接收荧光蛋白发射光的带通滤波片，位于所述荧光倒置显微镜的内部。

在本发明的另一个方面，本发明还提供了一种基于前面所述的表面分析装置的表面分析方法。根据本发明的实施例，该表面分析方法包括：(1)将目标细胞相应蛋白荧光染色；(2)将染色后的所述目标细胞固定在所述原子力显微镜的所述探针上；(3)将工程界面固定在所述载物台上；(4)将所述原子力显微镜的所述探头安装在所述载物台上；(5)通过所述原子力显微镜的所述探针对所述目标细胞和所述工程界面施加作用力并移动；(6)通过所述原子力显微镜检测所述目标细胞与所述工程界面之间的摩擦力；(7)通过工程倒置荧光显微镜观察摩擦之前与摩擦之后的所述目标细胞的情况。该表面分析方法可以实现单细胞与工程界面间的高分辨率的直观摩擦表征和细胞摩擦响应，即使用原子力显微镜实现微观下单细胞的摩擦力的操控和检测，通过荧光倒置显微镜观测在不同摩擦力和时间的作用下单细胞的形貌及荧光标记的蛋白的变化，从而研究单细胞在工程界面下的摩擦感知和生理反馈，进而满足微观条件下生物摩擦学的研究需求。

根据本发明的实施例，该表面分析方法还满足以下条件的至少一种：在步骤(1)中，使用一种或多种荧光材料将所述目标细胞相应蛋白荧光染色；在步骤(2)中，使用固定胶或生物素-链霉亲和素将染色后的所述目标细胞固定在所述原子力显微镜的所述探针上；在步骤(3)中，将所述工程界面放置于液池的内部。

附图说明

图1是本发明的一个表面分析装置的立体外观图。

图2是图1所示实施例的表面分析装置的正面外观图。

图3是图1所示实施例的表面分析装置的剖视图。

附图标记：

1：基座11：基座x方向调整旋钮12：基座y方向调整旋钮2：压电陶瓷3：探头301：探头外壳302：驱动器(电机)303：套筒304：支撑螺杆305：螺母306：激光接收器支撑架307：激光接收器308：激光发射器支撑架309：激光发射器310：激光接收器位置调整旋钮311：激光发射器位置调整旋钮312：探针架313：探针夹片314：探针315：液相镜片316：液体(水)317：液池4：显微镜物镜5：载物台

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

本发明所提供的表面分析装置，其由原子力显微镜测力模块和显微镜荧光检测模块组成，其中，原子力显微镜用于测量目标细胞和生物材料表面间的摩擦力，显微镜模块用于表征细胞在摩擦力作用下的激活响应。通过共用的载物平台集成了测力模块和荧光检测模块，测力模块在平台上方，测力模块的探头内的激光器与接收器分布在探针两侧，中心位置为探针模块，正下方固定荧光检测模块。测力模块的激光由探针一侧倾斜射入探针上，随后探针上的反射光射入接收器上，进而检测探针上的形变，实现测力。荧光检测模块的汞灯光源由物镜的正下方向上激发，随后其荧光修饰的蛋白的发射光反射到物镜，实现荧光检测。在测量方法上，首先将荧光染色的目标细胞固定在原子力显微镜的探针上，放入装有目标工程界面的载物台内，随后通过原子力显微镜对细胞施加作用力并检测界面间摩擦力，最后通过荧光倒置显微镜观测细胞在历经摩擦前后的状态。

在本发明的一个方面，本发明提供了一种表面分析装置(也即：单细胞与工程界面摩擦的直观表征装置)。根据本发明的实施例，参照图1、图2和图3，该表面分析装置包括：原子力显微镜，所述原子力显微镜具有探头3和基座1，所述探头3设置在所述基座1的一侧，所述基座1上具有载物台5和压电陶瓷2，所述探头3包括：探针314，所述探针314在竖直方向上的正投影位于所述载物台5的范围内，所述探针314用于固定待测物体(例如可以是细胞)并提供力学信号；激光发射器309，所述激光发射器309设置在所述探针314的一侧，所述激光发射器309用于发射激光照射到所述探针314的第一表面上；激光接收器307，所述激光接收器307设置在所述探针314的另一侧，所述激光接收器307用于接收照射到所述第一表面上的所述激光的反射光；所述压电陶瓷2可通过自身的移动来控制所述载物台的移动，用于使所述待测物体在所述探针上的接触面发生形变，以改变所述激光接收器307上接收到的所述反射光的强度变化；倒置荧光显微镜，所述倒置荧光显微镜具有荧光光源和荧光接收模块，所述倒置荧光显微镜位于所述原子力显微镜的正下方，所述荧光光源设置在所述探针3的一侧，所述荧光光源从所述载物台处自下向上将荧光射入所述探针3的第二表面，所述第二表面与所述第一表面相对，以激发所述待测物体的荧光信号，并使所述荧光信号垂直反射到所述荧光接收模块上。该表面分析装置可以实现单细胞与工程界面间的高分辨率的直观摩擦表征和细胞摩擦响应，即使用原子力显微镜实现微观下单细胞的摩擦力的操控和检测，通过荧光倒置显微镜观测在不同摩擦力和时间的作用下单细胞的形貌及荧光标记的蛋白的变化，从而研究单细胞在工程界面下的摩擦感知和生理反馈，进而满足微观条件下生物摩擦学的研究需求。

下面根据本发明的具体示例，对该表面分析装置的其他各个部件进行详细说明：

根据本发明的实施例，所述基座包括水平方向上的调整旋钮和移动平台，并与下方倒置荧光显微镜以任意方式固定相连，调整旋钮用于调节载物台与显微镜水平方向的相对位置，同时，所述基座还用于支撑探头和载物台。

根据本发明的实施例，所述表面分析装置还包括：控制系统，所述控制系统包括控制机箱和计算机控制系统，所述控制机箱和所述计算机控制系统用于与所述探头和所述压电陶瓷之间信号的交互、所述探头内的所述激光接收器的信号的接收及信号的转换。

根据本发明的实施例，所述探针是可移动式安装的，所述探针在使用时放置于所述基座的固定位置上，所述探针是通过卡槽进行固定的。

根据本发明的实施例，所述探头、所述载物台和所述倒置荧光显微镜的目镜的相对位置可通过调节旋钮进行调节。

根据本发明的实施例，所述表面分析装置还包括：探头外壳、驱动器、套筒、支撑螺杆、螺母、激光接收器支撑架、激光接收器、激光发射器支撑架、激光发射器、激光接收器位置调整旋钮、激光发射器位置调整旋钮、探针架和探针夹片。

根据本发明的实施例，所述探头外壳为中空腔体结构，所述驱动器固定在所述探头外壳的内部，所述驱动器的输出端和所述套筒相连，所述套筒的内部包括管壁上开有键槽的销钉结构，所述支撑螺杆通过所述键槽的所述销钉结构，一端滑动镶嵌在所述套筒内，所述螺母固接在所述探头外壳上，并与所述支撑螺杆螺纹连接。

根据本发明的实施例，所述激光发射器支撑架和所述激光接收器支撑架均由上支撑架和下支撑架构成，上支撑架与下支撑架在同一水平面上并以所述探针为轴对称，相对位置根据所述探针反射光强通过所述激光接收器位置调整旋钮和所述激光发射器位置调整旋钮在水平方向上进行调节，所述激光发射器以与水平方向呈一定夹角向所述探针方向发出激光，所述激光接收器接收所述探针反射的激光，光强度转换成电压信号，发送到所述计算机控制系统内。所述激光接收器根据荧光倒置显微镜的激发光的波段可选配接收器的滤光模块，用于屏蔽荧光倒置显微镜的激发光的影响。

根据本发明的实施例，所述探针架固接在所述探头外壳的内部，所述探针夹片为一弹性金属片，一端固接在所述探针架上，另一端通过弹性力按压在所述原子力显微镜的所述探针上，其上方固定一平面石英玻璃透视窗，用于压住液面，避免在扫描过程中液体表面张力和液面波动对光路产生影响，还便于观察探针和调节光路。

根据本发明的实施例，所述载物台固定在具有所述中空腔体结构的压电陶瓷内部，中空部分与所述倒置荧光显微镜的所述荧光接收模块在竖直方向上中心对称，用于观察摩擦界面，所述液池为一适于所述中空腔体结构的透明液体储存容器，位于所述中空平台的底部中心，用于工程界面与单细胞在液体中的摩擦观察，液池可根据实际需求选配。

根据本发明的实施例，所述压电陶瓷固定在所述基座上，通过施加电压的不同进行所述载物台的水平和竖直方向上的位置的调整。

根据本发明的实施例，所述表面分析装置还包括：滤光片，所述滤光片为一接收荧光蛋白发射光的带通滤波片，位于所述荧光倒置显微镜的内部。

根据本发明的实施例，倒置荧光倒置显微镜还包括荧光附件。所述荧光附件可选用常规的荧光倒置显微镜的组成部分；所述滤光片为细胞荧光颗粒反射光的带通滤光片，位于显微镜内部，用于屏蔽原子力显微镜扫描过程中的激光和荧光显微镜的激发光对于信号的影响；所述荧光倒置显微镜的载物台已被移除，上方固接所述原子力显微镜的基座。

根据本发明的实施例，具体地，作为优选，在原子力显微镜探头内，所述探头外壳为一圆形中空腔体结构，所述驱动器(电机)固接在探头外壳内部，所述驱动器(电机)的输出端和圆形套筒相连，所述套筒内部包括但不限于管壁上开有键槽的中空结构，所述支撑螺杆通过上述键槽销钉结构，一端滑动镶嵌在套筒内，另一端支撑在基座上，所述螺母固接在探头外壳上，并与支撑螺杆螺纹连接。

根据本发明的实施例，具体地，作为优选，在原子力显微镜探头内，所述激光接收器支撑架由上支撑架与下支撑架两部分构成，上支撑架与下支撑架之间的相对位置可以调节，所述调节装置采用连杆、齿轮、齿条、链条、腱绳中的一种或多种的混合，所述调节装置为齿轮齿条结构，并通过激光接收器位置调整旋钮对其进行调整，所述上支撑架与激光接收器固接，所述下支撑架与探头外壳固接。

根据本发明的实施例，具体地，作为优选，在原子力显微镜探头内，所述探针架固接在探头外壳内部，所述探针夹片为一弹性金属片，材质为不锈钢，一端固接在探针架上，另一端通过弹性力按压在所述原子力显微镜探针上。在液相环境下使用时，需要液相镜片配合使用，液相镜片固接在探针架上，为一透明镜片。

下面结合附图详细描述本发明的实施例。本发明设计的一种单细胞表面与工程界面间摩擦的观察装置及方法的第一种实施例，如图2和图3所示，包括基座1、压电陶瓷2、探头3、显微镜物镜4、载物台5；所述基座包括基座x方向调整旋钮11，基座y方向调整旋钮12；所述压电陶瓷2与基座1固接，所述探头3放置在基座1上，所述探头3包括探头外壳301、驱动器(电机)302、套筒303、支撑螺杆304、螺母305、激光接收器支撑架306、激光接收器307、激光发射器支撑架308、激光发射器309、激光接收器位置调整旋钮310、激光发射器位置调整旋钮311、探针架312、探针夹片313、探针314、液相镜片315、液体(水)316、液池317。

根据本发明的实施例，驱动器(电机)302转动，通过套筒303带动支撑螺杆304一起转动，通过螺母305中的螺纹，使得支撑螺杆304在转动的同时向上运动，使得探头3整体位置向下运动。所述激光发射器309发射激光，通过调整激光发射器位置调整旋钮311调整激光位置，使激光照射于所述探针314上，通过调整激光接收器位置调整旋钮310位置，使照射到探针314上的激光的反射光被激光接收器307所接收。当探头3在驱动器(电机)302的作用下整体向下运动时，探针314在固接于探头外壳301的探针夹片313以及探针架312的共同作用力下，一同向下运动，直至探针314与物体接触，使得激光接收器307所接收的光发生变化时，驱动器302(电机)停止，整体探头3停止向下运动。随后压电陶瓷2的输入电压改变，使得压电陶瓷2发生变形，由于载物台5与压电陶瓷2内部固接，使得载物台5随着压电陶瓷2的变形开始运动，并在电压作用下开始进行往复扫描运动。所述物体放置于载物台5上，随着载物台5一起进行往复扫描运动，物体与探针314之间不断相对运动，使得探针314的形变不断发生变化，从而使得激光接收器307接收到的反射光不断发生变化，最终得到激光接收器307电压变化的数值，即可通过处理转变为物体与探针314之间的摩擦力测量值。同时可通过显微镜物镜4观察物体的变化，在本实施例中，物体为一经过荧光染色细胞，可以通过荧光观察，将细胞摩擦与细胞行为结合在一起，进而可以实现单细胞与工程界面间的高分辨率的直观摩擦表征和细胞摩擦响应，即使用原子力显微镜实现微观下单细胞的摩擦力的操控和检测，通过荧光倒置显微镜观测在不同摩擦力和时间的作用下单细胞的形貌及荧光标记的蛋白的变化，从而研究单细胞在工程界面下的摩擦感知和生理反馈，进而满足微观条件下生物摩擦学的研究需求。

在本发明的另一个方面，本发明还提供了一种基于前面所述的表面分析装置的表面分析方法(也即：单细胞与工程界面摩擦的直观表征方法)。根据本发明的实施例，该表面分析方法包括：(1)将目标细胞相应蛋白荧光染色；(2)将染色后的所述目标细胞固定在所述原子力显微镜的所述探针上；(3)将工程界面固定在所述载物台上；(4)将所述原子力显微镜的所述探头安装在所述载物台上；(5)通过所述原子力显微镜的所述探针对所述目标细胞和所述工程界面施加作用力并移动；(6)通过所述原子力显微镜检测所述目标细胞与所述工程界面之间的摩擦力；(7)通过工程倒置荧光显微镜观察摩擦之前与摩擦之后的所述目标细胞的情况。该表面分析方法可以实现单细胞与工程界面间的高分辨率的直观摩擦表征和细胞摩擦响应，即使用原子力显微镜实现微观下单细胞的摩擦力的操控和检测，通过荧光倒置显微镜观测在不同摩擦力和时间的作用下单细胞的形貌及荧光标记的蛋白的变化，从而研究单细胞在工程界面下的摩擦感知和生理反馈，进而满足微观条件下生物摩擦学的研究需求。

根据本发明的实施例，在步骤(1)中，使用一种或多种荧光材料将所述目标细胞相应蛋白荧光染色。

根据本发明的实施例，在步骤(2)中，使用固定胶或生物素-链霉亲和素将染色后的所述目标细胞固定在所述原子力显微镜的所述探针上。

根据本发明的实施例，在步骤(3)中，将所述工程界面放置于液池的内部。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。