[发明专利]生理环境下细胞磁力显微操纵方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及在生理环境下细胞磁力显微操纵方法和系统，其潜在应用包括以下科技领域：生物科学、医学、电子学、计算机科学等。

技术背景

纳米尺度磁学测量是非常重要的纳米技术之一，其应用前景极为广泛，尤其是在生物医学领域的研究具有重要意义。

1990年，IBM的Eigler等在高真空和极低温度条件下，利用扫描隧道显微镜把35个氙原子在镍表面拼成了“IBM”字样，从而首次实现了原子的搬迁。1998年Stark等利用原子力显微镜探针对DNA进行了成像及切断操作试验。2012年Kim等利用原子力显微镜发现癌细胞凋亡的性质与表面形貌粗糙度及刚性的变化有关，形貌和生物特性的改变可以评估抗癌药物的活性。

国内一些科研机构开展了微操作机器人系统及其在生物技术方面的研究工作。北航机器人研究所研制了基于光学显微技术的生物细胞微操作系统，进行了小鼠卵细胞的基因注入研究；南开大学机器人所研制了基于光学显微视觉的面向生物工程的微操作机器人系统，并进行了小麦染色体的切割试验；清华大学精密仪器国家重点实验室也构建了激光微束操作试验系统，通过精确控制阱台位置实现微粒的光镊捕获与光刀切割，并借助该系统实现了孢子操作、染色体切割等试验。

由于细胞基本上没有磁性，且在生理环境下对生物细胞进行操纵又存在一定难度，所以将微纳操纵技术应用于体外细胞的磁性研究目前尚未见到相关报道。基于细胞磁力显微操纵系统与磁性纳米粒子相结合，利用磁性探针对含有磁性纳米粒子的单个细胞按选择区域逐点测量并记录磁力大小，在纳米尺度同时获得磁力和形貌点阵图像，精确定位磁性细胞和磁性纳米粒子，进而用磁性探针对单个细胞进行操作、移动、搬运、注射及测试。在生理环境下对细胞磁力显微操纵方法和系统为生命科学领域提供了直接在细胞、亚细胞或分子水平研究生命现象的技术及工具，可以为癌细胞的诊断及治疗提供科学的理论依据。

发明内容

本发明的目的在于提供生理环境下细胞磁力显微操纵方法和系统，通过对生物活体细胞在生长环境中实时检测、操纵来实现活体细胞整体形态、物理特性、动态过程、表面受体的分布以及活动状态等信息的获得，对生物医学研究领域提供了直接在细胞、亚细胞及分子水平研究生命现象的技术与工具。

本发明的实现方法为：在生理环境下，将由磁性探针、探针纳米偏移检测模块、三维位移平台、倒置/正置光学显微镜、磁性探针控制模块及位移控制模块组成的系统置于精密控制的适合细胞体外生长的培养环境中，利用磁性探针对含有磁性纳米粒子的单个细胞按选择区域逐点测量并记录磁力大小，在纳米尺度同时获得磁力和形貌点阵图像，精确定位磁性细胞和磁性纳米粒子，进而用磁性探针对单个细胞进行操作、移动、搬运、注射及测试。

本发明有以下优点：

磁力显微镜与倒置/正置光学显微镜相结合可精确定位磁性细胞和磁性纳米粒子，提高扫描效率与扫描精准度。对细胞磁力显微操纵的系统与细胞体外培养环境的结合使用，可实现对体外活细胞的操作，在纳米尺度同时获得磁力和形貌点阵图像，可采用磁性探针对单个细胞进行操作、移动、搬运、注射及测试。

具体实施方式

如图1所示，对细胞磁力显微操纵系统包括由磁性探针、探针纳米偏移检测模块、三维位移平台、倒置/正置光学显微镜、磁性探针控制模块、位移控制模块及环境控制系统组成。液体池放置在扫描器上方，且池中放置长有细胞的盖玻片，压电陶瓷管在外加电压的作用下，可以控制液体池在X、Y和Z方向上独立运动。二极管激光器发出的激光束经过光学系统聚焦在微悬臂背面，再经微悬臂背面反射到光电探测器上。由于样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，在样品扫描时，微悬臂将随着样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，进而就可以通过检测光斑位置的变化获得被测样品的表面形貌信息，同时，利用磁性探针对含有磁性纳米粒子的单个细胞按选择区域逐点测量并记录磁力大小，在纳米尺度同时获得磁力和形貌点阵图像，精确定位磁性细胞和磁性纳米粒子，进而用磁性探针对单个细胞进行操作、移动、搬运、注射及测试。