[實用新型]一種對細胞成像的近場微波顯微裝置

有效

• 申請號: 201821171356.1
• 申請日: 2018-07-24
• 公開（公告）號: CN208568632U
• 公開（公告）日: 2019-03-01
• 發明（設計）人: 吳喆;張顯鋒;劉高;甘偉偉;柳建龍;曾葆青
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01N22/00
• 分類號: G01N22/00
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 陳一鑫

本實用新型公開了一種對細胞成像的近場微波顯微裝置，屬于近場微波特性顯微領域。該裝置包括：帶針尖修飾的柔性金屬探針、四分之一波長同軸諧振腔、濾波裝置、數據采集單元組、三維位移臺、成像分析單元、活體維持裝置；對成像樣品細胞無添加劑、無損害、快速成像的特點；成像技術利用了微波的穿透特性，揭示樣品本征特性的特點，能夠通過簡單方便地操作實現活體細胞成像。此裝置被配置為接收來自樣品微擾近場回波信號的探針，耦合到探針的四分之一波長同軸諧振腔被配置為放大來自樣品微擾信號產生的近場回波信號，活體維持裝置被配置為維持細胞樣品的活性，由成像分析單元對來自信號處理器所采集到相應的參數進行分析并反演繪制參數圖像。

技術領域

本發明屬于近場微波特性顯微領域。

背景技術

在活細胞內生物單分子尺寸下研究各種各樣的生物化學和遺傳尤其重要。這樣的研究意味著要在不影響細胞正常生命周期活動的前提下實現單分子顯微探測，在眾多單分子顯微技術中人們首先想到了光學的方法。其中，當前發展潛力最大的是熒光成像法，因其有靈敏度高且成像“可視化”、形貌可見等優點。然而，活體細胞自身不僅具有高散射性，而且細胞內含有大量只發熒光物質，這些都影響了熒光成像圖像的質量。所以，熒光成像法在圖像信噪比和成像速度上受到影響。雖然近年來發展了一些包括轉盤式共聚焦顯微術(SDCM)、全內反射熒光顯微術(TIRFM)和熒光共振能量轉移技術(FRET)在內的單分子熒光成像技術，但是仍不滿足應用于活細胞毒性小的無損檢測技術的發展需求。不管使用哪種成像技術，考慮活體細胞的健康性是很非常重要的。細胞很容易發生光損傷，特別是熒光團存在的情況下，熒光團在光漂白的情況下會產生自由基損害細胞組織，這就是熒光蛋白質具有毒性的原因。所以，在眾多使用于活體細胞成像的技術中，應該考慮到三種因素：探測靈敏度、圖像質量、樣品的生存能力。

另一方面，成像中用到的顯微鏡也是成像技術中一個很關鍵的因素。顯微鏡是研究微觀物體結構和特征的工具。它通過將某種波動能量作用于物體，然后探測帶有物體信息的載波來重構物體某種特征的空間信息。經過長期的發展，遠場顯微鏡及其相應的理論己經日臻成熟，并在科技的發展中起了至關重要的作用。然而，由于受到阿貝衍射現象的影響，遠場顯微鏡不能分辨出物體尺寸小于二分之一載波波長的細節。于是，人們又發展了近場顯微鏡。近場顯微鏡突破了衍射極限，可以分辨出小于二分之一載波波長的物體。在光學近場顯微鏡中，已經能觀測到最短光波長的十分之一以下的物體尺寸，但是可見光僅限于物體表面特征。而是在微波頻段研究物體本征特性的一種測量方法。與遠場顯微鏡相同，近場微波顯微鏡是用波動來探測物體，然后通過載波帶的信息來重構物體。近場掃描顯微鏡通過探針探測到來自樣品微擾而產生的諧振頻率偏移、品質因數變化、反射系數變化，可以推測出樣品的許多本征性質，如，樣品不同微小區域內的介電常數，導電系數，壓電系數等。因而，近場微波顯微鏡被用于研究導體材料、半導體材料、介質材料、及生物材料的局部微觀特性。

在現有報道中，未見到有使用近場微波技術用作活體細胞成像的應用及方法，僅在醫學檢測成像技術領域中，報道了一種微波近場探測空間內的介電常數差異分布檢測方法，為早期乳腺腫瘤微波成像提供直觀和有效的三維信息。一方面該專利方案在測量點與被測目標3 λ～5λ的距離內進行測量，而根據近場微波顯微理論，近場顯微術的基本思想是要將遠小于波長的“點”源或“點”探測器控制在離樣品足夠近的距離之內，說明此技術方案嚴格意義上沒有利用近場微波技術進行成像。另一方面，該技術方案對乳腺癌成像技術是根據乳腺癌組織和正常乳腺組織的介電常數的差異，通過分析回波的特性，進而確定探測目標的特性，并通過對多個探測點的數據進行聯合分析，反演計算得出乳腺內部的介電常數特性分布，進而顯示成像的技術。從分辨率上來看，該技術方案檢測出6mm左右的乳腺腫瘤團，這僅用于確定乳腺癌的大小形狀及位置，而沒有對單個細胞進行成像，因為該技術方案的分辨率遠遠達不到微米左右的量級。而本發明的技術方案中，探測器和“源”與樣品的距離嚴格控制在一個波長內掃描，因此檢測到的回波為隱失波，這是遠場探測所檢測不到的回波，遠場顯微術的分辨能力受波動衍射極限的制約，對小于1/2波長的細節，遠場顯微術無能為力，本發明專利分辨率可達到微米以下的高分辨率。

發明內容