[发明专利]单层活细胞的太赫兹ATR光谱快速测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种单层活细胞的太赫兹ATR光谱快速测量装置及方法，太赫兹光电导辐射源经第一太赫兹离轴抛面镜、第二太赫兹离轴抛面镜、全反射棱镜后聚焦入射到硅皿上表面，并与硅皿中的单层活细胞和细胞培养液发生相互作用；携带样品信息的太赫兹波经第三太赫兹离轴抛面镜、第四太赫兹离轴抛面镜、太赫兹光电导探测器的探测实现待测样品的光谱测量；探测信号传输到计算机分析系统中，经过现傅里叶光谱变换原理，得到活细胞样品在太赫兹波段的介电响应信息。本发明在多个硅皿结构中培养细胞，并将硅皿结构置于全反射棱镜上表面，该方法操作简单，真正实现单层细胞太赫兹光谱的快速检测；同时背景和样品信号的测量时间间隔小，实验结果的误差范围明显缩小。

技术领域

本发明涉及太赫兹衰减全反射(ATR)时域光谱领域，尤其涉及一种单层活细胞的太赫兹ATR光谱快速测量装置及方法。

背景技术

太赫兹(Terahertz，简称THz，1THz＝10¹²Hz)波是指频率从0.1THz-10THz范围的电磁波，波长范围为0.03mm到3mm，介于远红外光与微波之间的电磁波谱区域。其具有很多独特的性质，如瞬态性、宽带性、低能性等。因此，THz波光谱技术在生命科学、医学检测等领域有着极大的应用前景与应用价值，尤其是各类细胞的太赫兹光谱测量，已经成为当今的研究热点。

当前常见的单层细胞太赫兹光谱检测方式分为透射式检测技术和衰减全反射式(attenuated total reflection,ATR)检测技术。透射式细胞光谱检测技术具有较高的灵敏度，但是由于细胞内的液体环境对太赫兹波有强烈的吸收，同时考虑到水分挥发问题，在检测过程中往往要做到严格的水分密封，检测难度较大。目前基于透射式的细胞光谱测量方法，一般集中于干燥的脱水细胞。与透射式细胞光谱测量方法相比，衰减全反射式测量能更长时间地保持细胞活性，同时准确性更高。由于倏逝波的穿透深度大于细胞层的厚度，为了准确测量活细胞在太赫兹波段的介电响应，科研人员提出并使用了双层ATR测量模型。其中单层活细胞作为底层样品，细胞层之上的细胞培养液作为上层样品。但这种方法也存在一些问题，其一：由于将活细胞培养在全反射棱镜上表面，每种全反射棱镜上只能实现一种细胞的波谱测量。为了重复实验，需要在多个全反射棱镜上表面培养细胞，在完成一次测量后，必须不断更换全反射棱镜，导致实验操作过程繁琐复杂，实验效率降低。其二：在测量背景信号前，需将全反射棱镜上表面的单层细胞清洗干净。如果背景信号与样品信号的测量时间间隔增大，由于太赫兹时域光谱系统(terahertz time-domain spectroscopysystem,TDS)自身相位的不稳定性，导致实验结果的误差范围明显增大。

2017年，一种基于ATR双光路的细胞光谱测量方法被提出，将空白棱镜和覆盖细胞的样品棱镜分别置于机械位移台中，在光路中可以实现自由的机械切换，从而达到更换棱镜的作用。但是基于双光路的实验方法，实验装置体积较大。以上问题都直接限制活细胞在太赫兹时域光谱中的应用，制约了其在科学研究、医学诊断等领域的发展。

发明内容

本发明提供了一种单层活细胞的太赫兹ATR光谱快速测量装置及方法，本发明在多个棱镜表面培养细胞，操作简单，真正实现单层细胞太赫兹光谱的快速检测；同时背景和样品信号的测量时间间隔小，实验结果的误差范围明显缩小，详见下文描述：

一种单层活细胞的太赫兹ATR光谱快速测量装置，所述装置包括：

太赫兹光电导辐射源经第一太赫兹离轴抛面镜、第二太赫兹离轴抛面镜、全反射棱镜后聚焦入射到硅皿上表面，并与硅皿中的单层活细胞和细胞培养液发生相互作用；

携带样品信息的太赫兹波经第三太赫兹离轴抛面镜、第四太赫兹离轴抛面镜、太赫兹光电导探测器的探测实现待测样品的光谱测量。

一种基于单层活细胞的太赫兹ATR光谱快速测量方法，所述方法包括以下步骤：

1)将待测细胞培养在相同规格的硅皿结构中，待细胞贴壁生长完成后，将待测硅皿紧密贴合在全反射棱镜的上表面；