陶瓷納米位移平臺(tái)2，移動(dòng)原子力顯微鏡導(dǎo)電探針I(yè)及壓電陶瓷納米位移平臺(tái)2，將原子力顯微鏡導(dǎo)電探針I(yè)精確定位到目標(biāo)壓電陶瓷納米位移平臺(tái)上2的心肌細(xì)胞上；
[0035](2)在光學(xué)顯微鏡5下，觀察心肌細(xì)胞狀態(tài)，移動(dòng)原子力顯微鏡導(dǎo)電探針I(yè)將其尖端放到待測(cè)心肌細(xì)胞的正上方；
[0036](3)設(shè)定軟件參數(shù)，使原子力顯微鏡導(dǎo)電探針I(yè)與心肌細(xì)胞膜在非恒力模式下接觸，同時(shí)測(cè)量心肌細(xì)胞的動(dòng)作電位及心肌細(xì)胞跳動(dòng)的形貌變化；
[0037](4)設(shè)定軟件參數(shù)及跟蹤模式，使原子力顯微鏡導(dǎo)電探針I(yè)與心肌細(xì)胞在恒力模式下接觸，穩(wěn)定測(cè)量心肌細(xì)胞的動(dòng)作電位；
[0038](5)設(shè)定軟件參數(shù)及跟蹤模式，在原子力顯微鏡導(dǎo)電探針與心肌細(xì)胞恒力接觸模式下，測(cè)量心肌細(xì)胞在不同藥物下的動(dòng)作電位:首先，測(cè)量一組未加藥物心肌細(xì)胞的動(dòng)作電位波形，作為對(duì)照組;然后，向心肌細(xì)胞培養(yǎng)皿中直接加入ISO(異丙腎上腺素)藥物，測(cè)量心肌細(xì)胞動(dòng)作電位;最后，向心肌細(xì)胞培養(yǎng)皿中直接加入ACh(乙酰膽堿)藥物，測(cè)量心肌細(xì)胞動(dòng)作電位。
[0039]所述原子力顯微鏡導(dǎo)電探針I(yè)為導(dǎo)電鉑探針，針尖為四錐形，針尖尖端半徑為20-25nm0
[0040]所述壓電陶瓷納米位移平臺(tái)4，位移范圍為100μπιΧ100μπιΧ100μπι，移動(dòng)精度為2nm，能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位。
[0041]所述步驟(3)中的軟件參數(shù)設(shè)定通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)，設(shè)定為使原子力顯微鏡導(dǎo)電探針I(yè)進(jìn)針以50nm的步長(zhǎng)逐漸接近心肌細(xì)胞，待針尖與心肌細(xì)胞膜接觸后，停止進(jìn)針，同時(shí)測(cè)量心肌細(xì)胞的動(dòng)作電位及跳動(dòng)力變化信號(hào)。
[0042]所述步驟(4)中的軟件參數(shù)及跟蹤模式設(shè)定通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)，使原子力顯微鏡導(dǎo)電探針進(jìn)針以50nm的步長(zhǎng)逐漸接觸心肌細(xì)胞，并同時(shí)啟動(dòng)原子力顯微鏡導(dǎo)電探針的恒力跟蹤模式，使探針隨心肌細(xì)胞跳動(dòng)，從而探針與心肌細(xì)胞保持穩(wěn)定的接觸，測(cè)量心肌細(xì)胞的動(dòng)作電位，能夠獲得穩(wěn)定的動(dòng)作電位波形。
[0043]所述步驟(5)中的軟件參數(shù)及跟蹤模式設(shè)定通過(guò)軟件編程設(shè)定，設(shè)定為探針恒力跟蹤模式，使探針與心肌細(xì)胞穩(wěn)定接觸，并在培養(yǎng)皿中直接測(cè)量一組未加藥心肌細(xì)胞的動(dòng)作電位;然后，直接在心肌細(xì)胞培養(yǎng)皿中加入IS0，待藥物作用3min之后，測(cè)量穩(wěn)定動(dòng)作電位信號(hào);最后，直接在心肌細(xì)胞培養(yǎng)皿中加入ACh，待藥物作用3min后，測(cè)量穩(wěn)定的動(dòng)作電位信號(hào)。
[0044]所述步驟(5)和(6)中通過(guò)軟件程序控制，使得原子力顯微鏡導(dǎo)電探針I(yè)與心肌細(xì)胞膜之間恒力接觸，探針能夠跟蹤心肌細(xì)胞跳動(dòng)，通過(guò)原子力顯微鏡中光杠桿原理形成的力反饋模塊，當(dāng)心肌細(xì)胞收縮時(shí)，探針跟隨細(xì)胞向上移動(dòng)；當(dāng)心肌細(xì)胞舒張時(shí)，探針跟隨細(xì)胞向下移動(dòng)，從而在心肌細(xì)胞跳動(dòng)周期內(nèi)，探針與心肌細(xì)胞始終為恒力接觸，因此，探針與心肌細(xì)胞膜的封接穩(wěn)定，獲得可靠的信號(hào)波形。
[0045]如圖3所示，為本發(fā)明在光學(xué)顯微鏡的光學(xué)鏡頭下，原子力顯微鏡導(dǎo)電探針定位到待測(cè)心肌細(xì)胞上的光學(xué)圖像;通過(guò)軟件控制壓電陶瓷納米位移平臺(tái)，將目標(biāo)細(xì)胞移動(dòng)到探針下。
[0046]如圖4所示，為本發(fā)明采用原子力顯微鏡導(dǎo)電探針，探針表面鍍有鉑層，具有良好的導(dǎo)電性，探針成四錐形，尖端半徑為20-25nm，采用此種導(dǎo)電探針能夠提高探針針尖與心肌細(xì)胞的接觸穩(wěn)定性，從而可以穩(wěn)定精確的測(cè)量心肌細(xì)胞的動(dòng)作電位信號(hào)。
[0047]如圖5所示，為本發(fā)明采用探針與細(xì)胞非恒力接觸模式，同時(shí)測(cè)量心肌細(xì)胞的動(dòng)作電位及搏動(dòng)力變化波形。首先，將探針定位到待測(cè)跳動(dòng)的細(xì)胞之上，手動(dòng)進(jìn)針，使得探針與細(xì)胞膜輕微接觸，保持探針不動(dòng)及壓電陶瓷納米位移平臺(tái)不動(dòng)，進(jìn)行心肌細(xì)胞的動(dòng)作電位及搏動(dòng)力變化測(cè)量。如圖5中的(a)所示，為所測(cè)心肌細(xì)胞的動(dòng)作電位波形，可以看出噪聲干擾比較明顯。圖5中的(b)為所測(cè)心肌細(xì)胞的搏動(dòng)力變化波形，可以看出波形呈現(xiàn)出規(guī)律性起伏變化。
[0048]如圖6所示，為本發(fā)明采用探針與細(xì)胞恒力接觸模式，首先設(shè)置軟件為恒力跟蹤模式，使得探針與跳動(dòng)的心肌細(xì)胞始終保持恒力接觸。如圖6中的(a)所示，為加藥前心肌細(xì)胞動(dòng)作電位信號(hào)，從圖6(a)可以看出，加藥前心肌細(xì)胞動(dòng)作電位信號(hào)頻率0.9Hz。加ISO后，圖6中的(b)所示測(cè)量到的動(dòng)作電位的頻率有明顯增加，其值為1.3Hz。在此基礎(chǔ)上，加入ACh后動(dòng)作電位的頻率降低為0.4Hz，如圖6中的(c)所示。實(shí)驗(yàn)表明，ISO和ACh對(duì)單個(gè)心肌細(xì)胞動(dòng)作電位影響顯著，與藥物功效一致。同時(shí)，驗(yàn)證了本系統(tǒng)能夠在納米尺度上有效探測(cè)單個(gè)心肌細(xì)胞動(dòng)作電位信號(hào)的細(xì)微變化。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種原子力顯微鏡測(cè)量單個(gè)活心肌細(xì)胞動(dòng)作電位及搏動(dòng)力的方法，其特征在于:將原子力顯微鏡導(dǎo)電探針作為納米電極，在恒力和非恒力接觸模式下測(cè)量心肌細(xì)胞電學(xué)及力學(xué)信號(hào)，包括以下步驟: (1)控制納米位移平臺(tái)，移動(dòng)原子力顯微鏡導(dǎo)電探針及樣品臺(tái)，將原子力顯微鏡導(dǎo)電探針精確定位到目標(biāo)心肌細(xì)胞上； (2)在光學(xué)顯微鏡下，觀察心肌細(xì)胞狀態(tài)，移動(dòng)原子力顯微鏡導(dǎo)電探針將其尖端放到待測(cè)細(xì)胞的正上方； (3)設(shè)定軟件參數(shù)，使原子力顯微鏡導(dǎo)電探針與心肌細(xì)胞膜在非恒力模式下接觸，同時(shí)測(cè)量心肌細(xì)胞的動(dòng)作電位及心肌細(xì)胞跳動(dòng)的力變化； (4)設(shè)定軟件參數(shù)及跟蹤模式，使原子力顯微鏡導(dǎo)電探針與心肌細(xì)胞在恒力模式下接觸，穩(wěn)定測(cè)量心肌細(xì)胞的動(dòng)作電位； (5)設(shè)定軟件參數(shù)及跟蹤模式，在探針與心肌細(xì)胞恒力接觸模式下，測(cè)量心肌細(xì)胞在不同藥物下的動(dòng)作電位:首先，測(cè)量一組未加藥物心肌細(xì)胞的動(dòng)作電位波形，作為對(duì)照組;然后，向心肌細(xì)胞培養(yǎng)皿中直接加入ISO(異丙腎上腺素)藥物，測(cè)量心肌細(xì)胞動(dòng)作電位;最后，向心肌細(xì)胞培養(yǎng)皿中直接加入ACh (乙酰膽堿)藥物，測(cè)量心肌細(xì)胞動(dòng)作電位。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述原子力顯微鏡導(dǎo)電探針為導(dǎo)電鉑探針，針尖為四錐形，針尖尖端半徑為20-25nm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述納米位移平臺(tái)為壓電陶瓷，位移范圍為10ymX 10ymX ΙΟΟμπι，移動(dòng)精度為2nm，能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟(3)中的軟件參數(shù)設(shè)定通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)，設(shè)定為使原子力顯微鏡導(dǎo)電探針進(jìn)針以50nm-70nm的步長(zhǎng)逐漸接近細(xì)胞，待針尖與心肌細(xì)胞膜接觸后，停止進(jìn)針，同時(shí)測(cè)量心肌細(xì)胞的動(dòng)作電位及跳動(dòng)力變化信號(hào)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟(4)中的軟件參數(shù)及跟蹤模式設(shè)定通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)，使原子力顯微鏡導(dǎo)電探針進(jìn)針以50nm的步長(zhǎng)逐漸接觸心肌細(xì)胞，并同時(shí)啟動(dòng)原子力顯微鏡導(dǎo)電探針的恒力跟蹤模式，使探針隨心肌細(xì)胞跳動(dòng)，從而探針與心肌細(xì)胞保持穩(wěn)定的接觸，測(cè)量心肌細(xì)胞的動(dòng)作電位，能夠獲得穩(wěn)定的動(dòng)作電位波形。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟(5)中的軟件參數(shù)及跟蹤模式設(shè)定通過(guò)軟件編程設(shè)定，設(shè)定為探針恒力跟蹤模式，使探針與心肌細(xì)胞穩(wěn)定接觸，并在培養(yǎng)皿中直接測(cè)量一組未加藥心肌細(xì)胞的動(dòng)作電位;然后，直接在心肌細(xì)胞培養(yǎng)皿中加入ISO，待藥物作用3min之后，測(cè)量穩(wěn)定動(dòng)作電位信號(hào);最后，直接在心肌細(xì)胞培養(yǎng)皿中加入ACh，待藥物作用3min后，測(cè)量穩(wěn)定的動(dòng)作電位信號(hào)。7.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的方法，其特征在于:步驟(5)和(6)中通過(guò)軟件程序控制，使得探針與心肌細(xì)胞膜之間恒力接觸，探針能夠跟蹤心肌細(xì)胞跳動(dòng)，通過(guò)原子力顯微鏡中光杠桿原理形成的力反饋模塊，當(dāng)心肌細(xì)胞收縮時(shí)，探針跟隨細(xì)胞向上移動(dòng)；當(dāng)心肌細(xì)胞舒張時(shí)，探針跟隨細(xì)胞向下移動(dòng)，從而在心肌細(xì)胞跳動(dòng)周期內(nèi)，探針與心肌細(xì)胞始終為恒力接觸，因此，探針與心肌細(xì)胞膜的封接穩(wěn)定，獲得可靠的信號(hào)波形。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種原子力顯微鏡測(cè)量單個(gè)活心肌細(xì)胞動(dòng)作電位及搏動(dòng)力的方法，其由原子力顯微鏡導(dǎo)電探針作為納米電極測(cè)量單個(gè)跳動(dòng)的小鼠心肌細(xì)胞動(dòng)作電位。通過(guò)自主研發(fā)的原子力顯微鏡以及根據(jù)其力反饋系統(tǒng)使得探針精確定位到待測(cè)細(xì)胞上。探針和細(xì)胞表面接觸有兩種模式即恒力接觸模式和非恒力接觸模式。通過(guò)這兩種模式分別對(duì)心肌細(xì)胞進(jìn)行動(dòng)作電位和跳動(dòng)力的變化測(cè)量。本發(fā)明對(duì)心肌細(xì)胞動(dòng)作電位的測(cè)量能夠精確定位心肌細(xì)胞位置，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)測(cè)量。同時(shí)在恒力接觸模式下，能夠獲取高信噪比動(dòng)作電位信號(hào)波形。在非恒力模式下，能夠同時(shí)測(cè)量心肌細(xì)胞的動(dòng)作電位即跳動(dòng)力變化信號(hào)。
【IPC分類(lèi)】G01Q60/40, G01Q60/24
【公開(kāi)號(hào)】CN105527462
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610039845
【發(fā)明人】王作斌, 張思微, 王國(guó)梁, 王馨悅, 曲英敏, 趙立, 張楠, 張志堅(jiān), 董莉彤, 宋正勛, 翁占坤
【申請(qǐng)人】長(zhǎng)春理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年4月27日
【申請(qǐng)日】2016年1月21日