一种基于电化学调制离子透镜的细胞电活动成像装置及测量方法

本发明属于光学电生理学领域，具体涉及一种免标记的基于电化学调制离子透镜的细胞电活动成像装置及测量方法。

背景技术：

1、神经元之间的沟通是人类感知、信息处理和决策的基础，测量和监测神经元产生和传输的电信号是理解神经元之间沟通的关键。现代电生理学使人们能够获得从体内神经网络或心肌细胞活动到体外细胞膜上单个离子通道的所有层次的信息。膜片钳技术可以直接记录细胞内的动作电位，具有高信噪比和高时间分辨率，成为了测量细胞内动作电位的金标准。然而，由于需要破坏质膜，记录时间被限制在数十分钟内。同时，膜片钳的操作十分复杂，通常只能同时记录一到两个细胞。采用微电极阵列的细胞外记录方法是非侵入的，但不能检测亚阈值动态，且无法像电流或电压钳那样对细胞进行精确的操作。

2、近十年来，免标记的光电生理学方法备受关注。其使用光作为传感器，不涉及分子探针，在探测区域提供空间灵活性，与样品之间无需电线连接，允许成像和多通路测量。细胞的电活动会引起细胞固有性质的改变，如细胞体积、细胞膜光散射强度或双折射强度，这些特征被用来检测细胞的电生理活动。然而，除干涉成像外，目前大多数免标记成像技术仍然需要数据平均来检测细胞电活动信号，毫秒级的时间灵敏度尚未达到；为了以高保真度检测单个动作电位，仍然需要提高信噪比；同时，以成像为基础的电生理学方法仍停留在全细胞信号分析阶段，无法进一步获得单个离子通道的活性信息。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于电化学调制离子透镜的细胞电活动成像装置及测量方法，能够在不使用任何标记物质的前提下，同时在全细胞和单通道水平上对细胞的电学活动过程进行成像检测和分析。

2、技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

3、本申请提供一种基于电化学调制离子透镜的细胞电活动成像装置，包括提供调制电压信号的电化学调制模块、产生单色激光并调整所述激光强度和光斑大小的激光调节模块、对伴随细胞电活动产生的细胞膜表面电荷密度改变进行干涉散射成像的成像检测模块以及同步电化学调制电压和图像采集触发信号的信号输入模块。其中，所述电化学调制模块与成像检测模块和信号输入模块分别相连，所述激光调节模块与成像检测模块相连。

4、本申请还提供一种所述的基于电化学调制离子透镜的细胞电活动成像装置进行细胞电活动过程的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

5、步骤1：搭建并连接所述激光调节模块、成像检测模块、电化学调制模块和信号输入模块；

6、步骤2：将细胞培养在所述电化学池中，加入磷酸缓冲盐溶液，通过所述电化学调制模块施加电化学调制，其中，将细胞培养在电化学池中是细胞传代过程中将细胞悬液均匀滴加在电化学池中，所述细胞在电化学池表面生长；

7、步骤3：对所述细胞的细胞电活动过程进行成像；

8、步骤4：基于细胞的电活动成像结果处理并计算得到所述细胞的电信号。

9、有益效果：本发明的基于电化学调制离子透镜的细胞电活动成像装置，使用电化学工作站对细胞施加正弦交流电压，然后通过激光调节模块和成像检测模块收集细胞在电活动过程中的干涉散射图像。与现有技术相比，本发明的有点在于：第一，所测量的信号来自于细胞电活动过程中产生的离子透镜，测量过程无需任何标记物质，不会干扰细胞的正常生理活动，从而实现对细胞的长时间非侵入式测量；第二，同时具备全细胞和单通道水平的测量能力，既能够研究细胞在电活动过程中的整体电学响应，同时可以提取单个离子通道的开放和关闭信息；第三，能够以微秒级时间分辨率实现对一个细胞或细胞群体的高通量成像检测，具备膜片钳和电压敏感成像的双重功能，为研究细胞社群通讯等过程提供了新的工具。

技术特征：

1.一种基于电化学调制离子透镜的细胞电活动成像装置，其特征在于：包括提供调制电压信号的电化学调制模块、产生单色激光并调整所述激光强度和光斑大小的激光调节模块、对伴随细胞电活动产生的细胞膜表面电荷密度改变进行干涉散射成像的成像检测模块以及同步电化学调制电压和图像采集触发信号的信号输入模块；其中，所述电化学调制模块与成像检测模块和信号输入模块分别相连，所述激光调节模块与成像检测模块相连。

2.根据权利要求1所述基于电化学调制离子透镜的细胞电活动成像装置，其特征在于，所述电化学调制模块包括电化学池(10)和电化学工作站(11)，其中，所述电化学池(10)表面用于培养细胞样品。

3.根据权利要求1所述基于电化学调制离子透镜的细胞电活动成像装置，其特征在于，所述激光调节模块包括连续激光器(1)、光强调节器(2)、光束扩大器(3)、反射镜(4)以及宽场透镜(5)；其中，所述连续激光器(1)用于产生单色激光，所述光强调节器(2)用于调整所述激光的强度，所述光束扩大器(3)用于扩大所述激光的光斑大小。

4.根据权利要求1所述基于电化学调制离子透镜的细胞电活动成像装置，其特征在于，所述成像检测模块包括部分反射分束器(6)、物镜(7)、成像透镜(8)以及cmos相机(9)；其中，经由所述光束扩大器(3)的激光经过所述反射镜(4)，由所述宽场透镜(5)汇聚，由所述部分反射分束器(6)反射进入物镜(7)，聚焦在所述物镜(7)的后焦平面上，在所述电化学池(10)中的细胞上产生宽场探测光斑，用于探测伴随细胞电活动产生细胞膜表面电荷密度改变的信号；所述电化学池(10)中基底反射的探测光和所述电化学池(10)中伴随细胞电活动产生的离子透镜散射的探测光，经部分反射分束器(6)空间滤波，由成像透镜(8)汇聚在cmos相机(9)的像面上干涉成像。

5.根据权利要求4所述基于电化学调制离子透镜的细胞电活动成像装置，其特征在于，所述部分反射分束器(6)为中心镀有金属膜的反射透射比为10:90的分束器。

6.根据权利要求1所述基于电化学调制离子透镜的细胞电活动成像装置，其特征在于，所述信号输入模块包括示波器(12)和双通道数字信号发生器(13)；其中，所述双通道数字信号发生器(13)用于控制电化学工作站(11)给所述电化学池(10)施加频率固定的正弦交流电压信号，同时输出频率固定的方波信号控制所述cmos相机(9)采集图像；所述示波器(12)用于监测所述电化学工作站(11)的实时输出信号和cmos相机(9)的实时采集信号。

7.一种使用权利要求1～6中任意一项所述的基于电化学调制离子透镜的细胞电活动成像装置进行细胞电活动过程的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述细胞电活动过程测量方法，其特征在于，所述步骤3中，对所述细胞的细胞电活动过程进行成像的具体方法为：

9.根据权利要求7所述细胞电活动过程测量方法，其特征在于，所述步骤4中，基于细胞的电活动成像结果处理并计算得到所述细胞的电信号的具体方法为：

10.根据权利要求9所述细胞电活动过程测量方法，其特征在于，所述步骤43中，所述感兴趣区域的选取方法为：将所有时序幅值图像加和，得到累积时间幅值图，在累积时间幅值图像中选择像素值较大区域，定义为感兴趣区域。

技术总结
本申请公开了一种基于电化学调制离子透镜的细胞电活动成像装置及测量方法，属于光学电生理学领域。所述装置包括：电化学调制模块，用于对细胞施加固定频率的调制电压；激光调节模块，用于将单色激光引入干涉散射成像中并调节所述激光的强度和光斑大小；成像检测模块，用于记录伴随细胞电活动产生的细胞膜表面电荷密度变化；信号输入模块，与所述成像检测模块和电化学调制模块相连接，用于输入调制信号和控制成像采集。本申请将电化学调制引入干涉散射成像中，这使得可以在电压调制下通过直接检测细胞膜表面离子透镜的散射场，获得细胞整体水平和单个离子通道水平上细胞电活动的信息。

技术研发人员：康斌,李庆悦,徐静娟,陈洪渊
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22