[发明专利]用于细胞侵袭、迁移能力无标记检测的太赫兹超材料芯片

说明书

本发明涉及一种用于细胞侵袭、迁移能力无标记检测的太赫兹超材料芯片，集成了细胞培养室、多孔薄膜及超材料芯片层，利用太赫兹超材料在垂直方向微米级别分布的局域增强电场，对穿过多孔薄膜的细胞数量进行原位、无标记检测，以评估细胞侵袭及迁移等运动行为。整套装置结构简单，组装便捷，体积小巧，易于整合，可重复使用。

技术领域

本发明属于太赫兹测量技术领域，涉及一种用于细胞侵袭、迁移能力无标记检测的太赫兹超材料芯片。

背景技术

侵袭和转移是恶性肿瘤最主要的生物学特征，其表现为从肿瘤原发部位的恶性细胞脱离病灶，突破基底膜向周围间质浸润性生长，并且进入血液或淋巴液在远端器官黏附、增殖，形成肿瘤细胞转移灶；这也是导致恶性肿瘤患者死亡的重要原因。准确评价肿瘤细胞的侵袭运动能力对于肿瘤转移机制的研究和抗肿瘤药物的研发至关重要。

目前体外评估细胞侵袭运动能力的实验方法主要有：

1.划痕实验，其原理为获得融合紧密的单细胞层，并在单细胞层中间人为制造空白区域，称之为“划痕”，随着培养进行，划痕边缘的细胞会逐渐迁移使空白区域融合，可模拟体内细胞迁移、侵袭过程。该方法操作简便，但重复性差，且在划出痕迹过程中会导致细胞损伤、破碎，残片会阻止边缘细胞的迁移，进而影响实验结果。

2.Transwell细胞实验，是目前应用广泛的方法，其依赖表面分布孔径的薄膜，统计从薄膜上层覆盖的基质(Matrigel)表面穿越转移到薄膜下层的细胞数，评估细胞的迁移能力。此方法常借助染色后光镜下随机视野计数，或者读取细胞裂解液吸光度值进行计数；但此方法操作复杂，染色耗时较长，难以满足无标记、原位高通量筛选需求。

太赫兹(terahertz，THz)波在电磁波频段中处于微波和红外波之间，频率通常为0.1-10THz。太赫兹技术具备应用于细胞检测的独特优势：1THz振荡频率对应0.16皮秒转动，太赫兹技术将传统方法在飞秒尺度上检测水分子运动提升至皮秒及亚皮秒尺度，可以更为精确、实时反应胞内自由水和结合水的水化动力学。然而，传统研究细胞内水化动力学方法包括磁共振、准弹性中子散射和非相干中子散射是无法在空间上严格区分胞内水和胞外水，且需要氢氘置换或低温冷却；无法反应自然状态下细胞内部的水动力学。基于传统透射式太赫兹波谱的细胞检测受限于培养基环境强吸收干扰和检测波长与单细胞层厚度失匹配的制约，较难实现对溶液中活细胞的准确定量和定性评估。太赫兹衰减全反射技术利用太赫兹波在棱镜表面发生全反射时产生的与细胞层厚度相匹配的倏逝波进行贴壁细胞检测，是目前研究活细胞太赫兹介电特性的有效手段；但其光路搭建较为复杂，且棱镜及附属机械结构较大，较难进行微型化或芯片化以整合入现有细胞培养检测体系。

太赫兹超材料传感技术为开发小型化细胞检测芯片提供新思路，其主要利用在硅、石英或其他介质膜上加工周期性排布的亚波长金属结构，形成局域表面等离子共振，以增强待检物质与太赫兹波的相互作用。太赫兹超材料具备应用于细胞无标记检测的独特优势：1.尺寸小巧，易于整合，常规厚度仅约500微米；2.检测灵敏度高，可使狭缝间隙内介质生物分子光谱吸收横截面增加10³-10⁵倍以上，吸收系数也极端增加至10⁶-10⁷cm^-1；3.有效响应区域匹配，其表面激发局域等离子体共振的电场分布范围在数微米级别，与单个细胞厚度相匹配，可完整获得细胞的响应信息。但现有透射式太赫兹超材料的细胞检测芯片，常需要拭去细胞胞外水，且依赖于将单细胞层生长于超材料表面，只能检测静态贴壁细胞对药物诱导凋亡的响应，难以评估测量活细胞的迁移、侵袭等运动行为。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于细胞侵袭、迁移能力无标记检测的太赫兹超材料芯片。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：