一种基于悬空热电偶阵列的微米级单细胞光热评估系统

1.本发明涉及单细胞光热效应技术领域，具体为一种评估微米级激光
‑
单细胞相互作用时光热效应的客观定量评估系统。


背景技术：

2.激光
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生物组织的光热效应不仅在医疗切割和康复理疗中起着非常重要的作用，在光调节神经兴奋的研究中也起着非常重要的作用。越来越多的研究证实，在非转基因条件下，光可以直接引起神经元兴奋。但是，激光引起未经基因转染的神经或螺旋神经节细胞兴奋的机理至今尚不清楚，目前学术界普遍认为这是是光声效应和光热效应单独或联合作用的结果。对各频段激光的光热响应进行系统性研究，对于评估医疗激光的热安全性、明确光诱导神经兴奋的机理均具有非常重要的意义。
3.目前激光
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组织的光热效应评估的研究多是通过受试者的主观感受进行疼痛评分量表打分，不够客观；或是对厘米级或毫米级激光的光热效应进行温度变化评估，客观却缺乏精准性。考虑到刺激的准确性，对光引起神经兴奋的研究往往采用直径为微米的激光束。然而，目前缺乏针对微米级激光
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组织光热效应评估的有效测温方法及系统；首先，微米级激光束决定了对温度传感器的微米尺寸要求；其次，微米级的激光束很难用肉眼和人工操作定位到微米级的传感区域。因此，本技术设计了一款在微米尺度上客观量化评估激光
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细胞相互作用时光热效应的系统。


技术实现要素：

4.针对上述存在的技术不足，本发明的目的是克服现有激光光热评估方法在客观性或准确性方面存在的不足，提出了一种基于悬空热电偶阵列的微米级单细胞光热评估系统。
5.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
6.一种基于悬空热电偶阵列的微米级单细胞光热评估系统，其特征在于，包括：激光发射模块、三维定位模块、温度感应模块和数据采集与处理模块；
7.所述激光发射模块用于输出参数可调的激光，所述三维定位模块用于将微米级激光准确定位照射到所述温度感应芯片上单细胞生长的薄膜热电偶结区位置，所述温度感应模块用于将激光照射单细胞后产生的温度变化转变为电压数据，所述数据采集与处理模块用于实时读取并可视化所采集的电压数据，并根据薄膜热电偶温度传感器的塞贝克系数将电压数据转变为对应的温度数据，从而实现微米级激光
‑
单细胞光热效应的实时监测和客观定量评估；
8.所述激光发射模块包括激光光源、控制电路、光纤与光纤连接端口；所述激光光源为光纤耦合输出的半导体激光器，用于产生激光；所述控制电路用于选择和编辑所需要的光参数，光参数包括激光波长、强度、模式、光脉宽和重复频率；所述光纤连接端口用于将激光能量传输至光纤，所述光纤用于传输激光至待测细胞处；
9.所述三维定位模块为xyz三维定位仪；所述xyz三维定位仪通过夹持光纤的方式和激光发射模块连接；
10.所述温度感应模块包括温度感应芯片，温度感应芯片由pd/cr薄膜热电偶阵列组成；所述pd/cr薄膜热电偶阵列用于将激光照射单细胞后产生的温度变化转变为pd和cr冷端端口之间的微弱电压；所述热电偶阵列通过外接4
‑
100条引线经杜邦插线和数据采集与处理模块连接；
11.所述数据采集与处理模块包括多路选通器、纳伏表和labview控制程序；所述多路选通器用于依次打开各个被监测热电偶的通路以便纳伏表对所述各个热电偶输出电压进行循环测量，所述纳伏表用于读取所述被监测热电偶的电压数据传输到labview控制程序，所述labview控制程序用于控制所述多路选通器的数据采集范围、次序和间隔，并实时显示采集自热电偶阵列的电压数据；所述多路选通器通过杜邦插线和温度感应模块连接，所述纳伏表分别与所述多路选通器和labview控制程序连接；所述纳伏表通过串口线和多路选通器连接，读取被监测热电偶的电压数据；所述纳伏表通过gpib
‑
hs将电压数据传输到labview控制程序。
12.进一步的，所述激光光源的光波长范围包括红外光和可见光波段：450
‑
1,500nm。
13.进一步的，所述激光的强度范围为：最高单位时间单位面积的能量密度可达9549.3j/cm2，最高功率可达3w。
14.进一步的，所述激光的模式分为连续光和脉冲光。
15.进一步的，所述脉冲激光的脉宽调节范围从10μs至无穷大，脉冲重复频率范围在0
‑
100khz。
16.进一步的，所述xyz三维定位仪定位精度可达0.03mm。
17.进一步的，所述热电偶阵列的阵列范围为：1
×1‑
10
×
10。
18.进一步的，所述pd
‑
cr热电偶阵列的测温结区制备在氮化硅悬空平台上，冷端制备在芯片边缘，测温精度高21
±
0.1μv/k，室温下热噪声为20mk。
19.进一步的，所述多路选通器同时监测同一个氮化硅窗口上的四个热电偶单元时，每0.3s左右即可对它们全部完成一次测量。
20.本发明的有益效果在于：采用本发明的技术方案，微米级激光与单细胞发生光热效应时引起的温度变化可以被实时定量地监测评估，不仅能为今后微米级激光与其他生物组织材料间相互作用的光热效应评估提供实时监测方法和系统，也将为激光与其他生物组织材料间相互作用的光热效应模型提供基础数据。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明提供的一种基于悬空热电偶阵列的微米级单细胞光热评估系统的流程框图；
23.图2为本发明提供的一种基于悬空热电偶阵列的微米级单细胞光热评估系统三维
定位模块的激光精准定位过程示意图；
24.图3为本发明提供的一种基于悬空热电偶阵列的微米级单细胞光热评估系统三维定位模块的激光精准定位过程示意图；
25.图4为本发明提供的一种基于悬空热电偶阵列的微米级单细胞光热评估系统三维定位模块的激光精准定位过程示意图；
26.图5为本发明提供的一种基于悬空热电偶阵列的微米级单细胞光热评估系统labview控制程序绘制的单个细胞光热效应的电压波形图。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.如图1
‑
图5所示，一种基于悬空热电偶阵列的微米级单细胞光热评估系统，包括：激光发射模块、三维定位模块、温度感应模块和数据采集与处理模块；
29.所述激光发射模块用于输出参数可调的激光，所述三维定位模块用于将微米级激光准确定位照射到所述温度感应芯片上单细胞生长的薄膜热电偶结区位置，所述温度感应模块用于将激光照射单细胞后产生的温度变化转变为电压数据，所述数据采集与处理模块用于实时读取并可视化所采集的电压数据，并根据薄膜热电偶温度传感器的塞贝克系数将电压数据转变为对应的温度数据，从而实现微米级激光
‑
单细胞光热效应的实时监测和客观定量评估；
30.所述激光发射模块包括激光光源、控制电路、光纤与光纤连接端口；所述激光光源为光纤耦合输出的半导体激光器，用于产生激光；所述控制电路用于选择和编辑所需要的光参数，光参数包括激光波长、强度、模式、光脉宽和重复频率；所述光纤连接端口用于将激光能量传输至光纤，所述光纤用于传输激光至待测细胞处；
31.所述三维定位模块为xyz三维定位仪；所述xyz三维定位仪通过夹持光纤的方式和激光发射模块连接；
32.所述温度感应模块包括温度感应芯片，温度感应芯片由pd/cr薄膜热电偶阵列组成；所述pd/cr薄膜热电偶阵列用于将激光照射单细胞后产生的温度变化转变为pd和cr冷端端口之间的微弱电压；所述热电偶阵列通过外接4
‑
100条引线经杜邦插线和数据采集与处理模块连接；
33.所述数据采集与处理模块包括多路选通器、纳伏表和labview控制程序；所述多路选通器用于依次打开各个被监测热电偶的通路以便纳伏表对所述各个热电偶输出电压进行循环测量，所述纳伏表用于读取所述被监测热电偶的电压数据传输到labview控制程序，所述labview控制程序用于控制所述多路选通器的数据采集范围、次序和间隔，并实时显示采集自热电偶阵列的电压数据；所述多路选通器通过杜邦插线和温度感应模块连接，所述纳伏表分别与所述多路选通器和labview控制程序连接；所述纳伏表通过串口线和多路选通器连接，读取被监测热电偶的电压数据；所述纳伏表通过gpib
‑
hs将电压数据传输到labview控制程序。
34.进一步的，所述激光光源的光波长范围包括红外光和可见光波段：450
‑
1,500nm。
35.进一步的，所述激光的强度范围为：最高单位时间单位面积的能量密度可达9549.3j/cm2，最高功率可达3w。
36.进一步的，所述激光的模式分为连续光和脉冲光。
37.进一步的，所述脉冲激光的脉宽调节范围从10μs至无穷大，脉冲重复频率范围在0
‑
100khz，高精度dac的应用使得脉冲能量调节精度达到1μj/div，能适应不同的实验要求。
38.进一步的，所述xyz三维定位仪定位精度可达0.03mm，帮助将激光束准确定位照射到单细胞生长的微米级热电偶结区。
39.进一步的，所述热电偶阵列的阵列范围为：1
×1‑
10
×
10。
40.进一步的，所述pd
‑
cr热电偶阵列的测温结区制备在氮化硅悬空平台上，冷端制备在芯片边缘，测温精度高21
±
0.1μv/k，室温下热噪声为20mk。
41.进一步的，所述多路选通器同时监测同一个氮化硅窗口上的四个热电偶单元时，每0.3s左右即可对它们全部完成一次测量，近似认为是同时监测。
42.一种微米级激光
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单细胞光热效应评估方法如图1所示，包括如下步骤：(1)使用激光发射模块，进行粗略定位；(2)调节三维定位模块，利用数据采集与处理模块使激光束精准定位到温度感应模块的热敏节点上；(3)使用激光发射模块输出脉冲激光进行实验，使用数据采集与处理模块对单细胞光热效应进行评估。
43.一个优选实施例的微米级激光
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单细胞光热效应评估实验具体操作如下：
44.(1)利用激光发射模块中的控制电路选择和编辑光参数，激光光源输出调好光参数的连续激光，激光经光纤连接端口和光纤传输后粗略照射在pd/cr薄膜热电偶阵列附近；
45.(2)三维定位模块的xyz三轴定位仪通过夹持光纤的方式和激光发射模块连接，通过labview控制程序调节xyz三轴定位仪的x方向刻度；如图2所示，同时密切关注labview控制程序绘制的电压波形图，找到电压数值突然上升且定位仪不再调节而电压数值能够保持在最大时x的刻度，如图3中的位置3；保持x方向刻度，再调节定位仪的y方向刻度，如图2所示，同样找到电压数值突然上升且定位仪不再调节而电压数值能够保持在最大时y的刻度，如图4中的位置6，此时三维定位仪x、y刻度就准确对应温度感应模块上薄膜热电偶的测量点即热敏节点。
46.(3)将单个细胞贴附在所述热敏节点上，调节激光发射模块中的控制电路，设置脉宽和脉冲频率，使激光光源输出脉冲激光，降低三维定位仪高度进行实验。
47.(4)热敏节点将激光照射单细胞后产生的温度变化转变为pd和cr冷端端口之间的微弱电压，热电偶阵列通过外接18条引线经杜邦插线和多路选通器连接。
48.(5)通过labview控制程序控制多路选通器的数据采集范围、次序和间隔等，多路选通器依次打开各个被监测热电偶的通路，通过串口线和多路选通器连接的纳伏表读取所述被监测热电偶的电压数据，两者配合进行循环测量；多路选通器同时监测同一个氮化硅窗口上的四个热电偶单元时，每0.3s左右即可对它们全部完成一次测量，可近似认为是同时监测。
49.(6)纳伏表通过gpib
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hs将电压数据传输到labview控制程序，labview控制程序实时读取所采集的电压数据，绘制出反应单个细胞光热效应的电压波形图，如图5所示，数据采集与处理模块根据薄膜热电偶温度传感器的塞贝克系数将电压数据转变为对应的温度
数据，从而实现微米级激光
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单细胞光热效应的客观和定量评估。
50.采用本发明的技术方案，微米级激光与单细胞发生光热效应时引起的温度变化可以被实时监测评估，不仅能为今后微米级激光与其他生物组织材料间相互作用的光热效应评估提供实时监测方法和系统，也将为激光与其他生物组织材料间相互作用的光热效应模型提供基础数据。
51.以上内容指示详细介绍了一种微米级激光的单细胞光热评估系统及具体实施方法，但本实施例并不是限定本发明专利的保护范围，熟悉本领域的技术人员，若依据本发明的技术进行简单的结构改变等改造应属于本发明专利的保护范围内。