[發明專利]一種單細胞與工程界面摩擦的直觀表征裝置及方法

在審

• 申請號: 202110251708.4
• 申請日: 2021-03-08
• 公開（公告）號: CN113009186A
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發明（設計）人: 陳皓生;王禹賀;李永健;祝天一
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01Q60/24
• 分類號: G01Q60/24;G01N21/64;G01N33/483
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 尹璐

本發明提供了表面分析裝置和表面分析方法。該表面分析裝置包括原子力顯微鏡，具有探頭和基座，探頭設置在基座的一側，基座上具有載物臺和壓電陶瓷，探頭包括：探針，在豎直方向上的正投影位于載物臺的范圍內，用于固定待測物體并提供力學信號；激光發射器，用于發射激光照射到探針的第一表面上；激光接收器，用于接收照射到第一表面上的反射光；壓電陶瓷用于使待測物體發生形變，改變激光接收器上接收到的反射光的強度變化。倒置熒光顯微鏡，具有熒光光源和熒光接收模塊，熒光光源將熒光射入探針的第二表面，激發待測物體的熒光信號，使熒光信號反射到熒光接收模塊上，進而可實現單細胞與工程界面間的高分辨率的直觀摩擦表征和細胞摩擦響應。

技術領域

本發明涉及表面分析技術領域，具體地，涉及表面分析裝置和表面分析方法，更具體地，涉及單細胞與工程界面摩擦的直觀表征裝置及方法。

背景技術

在相關技術中，生物體與工程界面的摩擦對于優化體內和體外生物微流體裝置的界面具有重要意義。生物細胞與工程界面的摩擦會導致細胞形變，刺激細胞內部的機械傳感，進而發生粘附、破裂等現象，最后引起微通道堵塞和體內置入裝置的涂層的破壞等狀況。

目前常用的細胞摩擦研究裝置(也即細胞的表面分析裝置)包括原子力顯微鏡、表面力儀和石英晶體微天平等。原子力顯微鏡利用原子間的范德華力作用來呈現樣品的表面特性，掃描過程中微懸臂的方向可與快速掃描的方向垂直，其針尖檢測到垂直方向的作用力，樣品之間的摩擦力使微懸臂橫向扭轉，進而反饋到原子力顯微鏡系統。因此，原子力顯微鏡可表征單細胞的摩擦特性，具有較高的力靈敏度，但僅通過原子力顯微鏡無法實現高時間分辨率的觀測。而熒光顯微成像(例如倒置熒光顯微鏡)通過合適的熒光標記策略，可表征單細胞在運動過程中的動態行為，探究其生物功能的分子機制，但其無法操控細胞并實現摩擦力的感測。

因而，現有的表面分析裝置的相關技術仍有待改進。

發明內容

本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此，本發明的一個目的在于提出一種可以實現單細胞與工程界面間的高分辨率的直觀摩擦表征和細胞摩擦響應、使用原子力顯微鏡實現微觀下單細胞的摩擦力的操控、檢測、通過熒光倒置顯微鏡觀測在不同摩擦力、時間的作用下單細胞的形貌及熒光標記的蛋白的變化、從而研究單細胞在工程界面下的摩擦感知、生理反饋、進而滿足微觀條件下生物摩擦學的研究需求的表面分析裝置。

在本發明的一個方面，本發明提供了一種表面分析裝置。根據本發明的實施例，該表面分析裝置包括：原子力顯微鏡，所述原子力顯微鏡具有探頭和基座，所述探頭設置在所述基座的一側，所述基座上具有載物臺和壓電陶瓷，所述探頭包括：探針，所述探針在豎直方向上的正投影位于所述載物臺的范圍內，所述探針用于固定待測物體并提供力學信號；激光發射器，所述激光發射器設置在所述探針的一側，所述激光發射器用于發射激光照射到所述探針的第一表面上；激光接收器，所述激光接收器設置在所述探針的另一側，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；所述壓電陶瓷可通過自身的移動來控制所述載物臺的移動，用于使所述待測物體在所述探針上的接觸面發生形變，以改變所述激光接收器上接收到的所述反射光的強度變化；倒置熒光顯微鏡，所述倒置熒光顯微鏡具有熒光光源和熒光接收模塊，所述倒置熒光顯微鏡位于所述原子力顯微鏡的正下方，所述熒光光源設置在所述探針的一側，所述熒光光源從所述載物臺處自下向上將熒光射入所述探針的第二表面，以激發所述待測物體的熒光信號，并使所述熒光信號垂直反射到所述熒光接收模塊上。該表面分析裝置可以實現單細胞與工程界面間的高分辨率的直觀摩擦表征和細胞摩擦響應，即使用原子力顯微鏡實現微觀下單細胞的摩擦力的操控和檢測，通過熒光倒置顯微鏡觀測在不同摩擦力和時間的作用下單細胞的形貌及熒光標記的蛋白的變化，從而研究單細胞在工程界面下的摩擦感知和生理反饋，進而滿足微觀條件下生物摩擦學的研究需求。

根據本發明的實施例，所述表面分析裝置還包括：控制系統，所述控制系統包括控制機箱和計算機控制系統，所述控制機箱和所述計算機控制系統用于與所述探頭和所述壓電陶瓷之間信號的交互、所述探頭內的所述激光接收器的信號的接收及信號的轉換。