本发明涉及光电传感器领域，具体涉及一种细胞融合的光电传感器及其成像系统的工作方法。
背景技术：
生物系统进过自然界亿万年的进化和发展有着许多人造系统所无法比拟的优势结构和功能特性。将生物细胞或组织与机电系统相融合构建生机融合系统能够充分利用生物体的结构和功能优势，从而创建出一些更加完善的结构和更加强大的功能特性。目前，在国际许多顶尖刊物上报道了许多以生物活体细胞或组织为驱动或能源的生机融合系统。加利福尼亚大学洛杉矶分校的montemagno等人通过将肌细胞培养在微机械结构，装配成以肌肉驱动和控制的微型装置，实现微型装置的自由运动[j.xi,j.j.schmidt,c.d.montemagno,nat.mater.2005,4,180.]；哈佛大学的parker等人将哺乳动物的心肌细胞装配在微机电系统(mems)上，以驱动微机械装置运动[a.w.feinberg,a.feigel,s.s.shevkoplyas,s.sheehy,g.m.whitesides,k.k.parker,science2007,317,1366.]；伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的bashir等人用光遗传学技术修饰骨骼肌细胞，并通过光调节该细胞的伸缩特性以驱动3d打印的微机械装置的运动，该装置的直线移动距离可达到310um/s或每分钟1.3个身体长度的距离[r.raman,c.cvetkovic,s.g.uzel,r.j.platt,p.sengupta,r.d.kamm,r.bashir,proc.natl.acad.sci.usa.2016,113,3497.]。此外，也有学者用嗅觉细胞和上皮组织与机电装置相融合构建生物传感器以提高传感器的灵敏度[l.du,c.wu,h.peng,l.zhao,l.huang,p.wang,biosens.bioelectron.2013,40,401.]；用哺乳动物的味觉细胞和味觉蓓蕾构建的生物融合传感器能够检测到不同刺激物散发的多种味觉信号[q.liu,d.zhang,f.zhang,y.zhao,k.j.hsia,p.wang,sens.actuators,b2013,176,497.]。这些报道充分说明哺乳动物的活体细胞或组织能够作为非常有潜力的功能单元，用以构建生物驱动、生物嗅觉和味觉等。然而，目前还没有任何关于用活体细胞或组织构建生物融合的光电器件或光敏元件，尽管哺乳动物光敏细胞或组织具有许多人工光敏器件或视觉系统所无法比拟的优势，例如，视杆细胞具有感知单个光子的超高光响应度[d.a.baylor,t.d.lamb,k.w.yau,j.physiol.1979,288,613.]，响尾蛇用1mm大小的颊窝实现红外感知捕获猎物[e.a.newman,p.h.hartline,science1981,213,789.]。利用动物视觉细胞或光敏细胞构建光敏器件能够有效提高器件的光敏特性。
此外，即使用光敏细胞构建了生物融合的光电器件，然而，要用该器件实现高分辨率成像依然存在一个不可跨越的问题。在传统的成像系统中，借助于ccd或cmos等光敏元件阵列实现高分辨率成像，其中，ccd或cmos的每个光敏元件对应获得的图像的一个像素点。然而，针对的这种生物融合的光电器件，目前的技术还难以制造出入ccd或cmos一样的光电器件阵列，无发现传统成像系统一样实现高分辨率成像。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种细胞融合的光电传感器及其成像系统的工作方法，首次用活体细胞作为光敏单元构建了生物融合的光电传感器；针对目前技术难以实现新型光敏器件阵列化而无法实现高分辨率成像的问题，本发明构建了基于单个该生物融合光电器件的单像素成像系统，实现高分辨率的成像。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种细胞融合的光电传感器的制作方法，包括：将莱茵衣藻细胞眼点(eyespot)处提取的视紫红质通道蛋白(chr2)转染到人胚肾293(hek293，humanembryonickidney)细胞内；观测chr2质粒在细胞中的表达，并用膜片钳技术在光刺激进一步验证细胞表达结果；以表达了chr2的hek293细胞为光电传感器的敏感材料，其将器件吸收的光信号转换成离子电流，并以膜片钳技术为该光电传感器的信号采集和处理单元；将该细胞与膜片钳检测设备相结合构成细胞融合光电传感器。
在其中一个实施例中，该人胚肾293(hek293，humanembryonickidney)细胞具体构建过程是：1)使用带有聚合酶(pfu，promega)的校对聚合酶(带有bamhi和hindiii限制性酶切位点的引物)，通过pcr从全长cdna模板(genbank号：af461397)获得全长chop2-315和c末端截短的chop2突变，并将其制成chr2质粒；2)将hek293细胞培养在9.6cm2的培养皿中，其中含有10％胎牛血清和1％双抗的高糖dmem培养基，并将培养皿放置在37℃、含5％浓度的co2的培养箱中，待细胞长满培养皿的1/2时备用；3)利用转染试剂(lipofectamine2000，sigma)将chr2质粒转染到hek293细胞中，并放置在细胞培养箱中培养24小时；4)在培养皿中加入1um的顺式视黄醛(all-transretinal，sigma)，并在培养箱中孵育2小时。
在其中一个实施例中，通过荧光显微镜观测chr2质粒在细胞中的表达。
一种基于细胞融合的光电传感器的成像系统的工作方法，光透过目标图像后，经过第一透镜汇聚到光空间调制器dmd上，通过随机二值图像控制dmd中相应的每一个微镜的翻转以控制反射到第二透镜上面的光强，并汇聚于任一项制作方法制作的生物融合的光电传感器，同时用膜片钳检测细胞的光响应信号；最后，利用膜片钳检测的信号重构出原始图像。
在其中一个实施例中，其中，成像系统的成像方法是基于压缩感知原理，以单个光电探测器实现高分辨率的成像；压缩感知原理可描述为：对于某未知信号x∈rn×1，在测量矩阵φ∈rm×n(m＜n)下的线性观测值为y∈rm×1，则有：
y＝φx；(1)
其中，信号x必需满足稀疏性条件，即x或x转换域内只有k(k＜m)个元素为非零值；根据信号x的稀疏性，从满足式(1)的解中找出最稀疏的，当测量矩阵φ满足限制性等距性质(restrictedisometryproperty,rip：(1-δ)||x||22≤||φx||22≤(1 δ)||x||22)时，这个“最稀疏”的解就是原始信号x；在该系统中，基于压缩感知原理通过dmd将图像的空间信号转换成时间系列信号，然后获得重构图像。
在其中一个实施例中，压缩感知原理具体的过程是：1)假设要获得的信号x，长度为n，测量矩阵φ∈rm×n(m＜n)设计为伯努利随机矩阵，其中每位元素都为1或0；2)将测量矩阵的每一行映射成一个随机二值图像，该图像大小与目标图像尺寸一致；3)依次用随机二值图像控制dmd的翻转，并通过膜片钳检测每次翻转后细胞的离子电流信号，其信号大小可表示为
在其中一个实施例中，通过压缩感知重构算法从获得的采样信号vi和测量矩阵φ∈rm×n重构出原始图像x。
基于同样的发明构思，本申请还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现任一项所述方法的步骤。
基于同样的发明构思，本申请还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现任一项所述方法的步骤。
基于同样的发明构思，本申请还提供一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行任一项所述的方法。
本发明的有益效果：
该传感器用光敏的活体细胞作为感光元件，这种生物融合的光电器件能够充分利用生物体在光感知上或视觉上的优势，从而产生比纯人造装置性能更优新型器件，例如，该细胞融合的光电传感器具有良好的光适应性和更高的饱和度；此外，构建的成像系统首次用细胞融合的光电传感器实现了对宏观物体的高分辨率成像。
附图说明
图1是本发明细胞融合的光电传感器构建的原理示意图。
图2是本发明细胞融合的光电传感器的成像系统的结构简图。
图3是本发明中的成像结果示意图。其中，a～e、目标图像；f～j、细胞融合光电探测器成像结果。
图4是本发明中的细胞融合光电探测器成像结果与一个商业化光电探测器成像结果对比。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明提供了一种细胞融合的光电传感器及其成像系统。细胞融合的光电传感器构建过程如图1所示。将莱茵衣藻细胞眼点(eyespot)处提取的视紫红质通道蛋白(chr2)转染到人胚肾293(hek293，humanembryonickidney)细胞内，该细胞具有良好的光敏特性，并且通过膜片钳技术能够检测出细胞的光响应特性。该光敏细胞具体构建过程是：1)使用带有聚合酶(pfu，promega)的校对聚合酶(带有bamhi和hindiii限制性酶切位点的引物)，通过pcr从全长cdna模板(genbank号：af461397)获得全长chop2-315和c末端截短的chop2突变，并将其制成chr2质粒；2)将hek293细胞培养在9.6cm2的培养皿中，其中含有10％胎牛血清和1％双抗的高糖dmem培养基，并将培养皿放置在37℃、含5％浓度的co2的培养箱中，待细胞长满培养皿的1/2时备用；3)利用转染试剂(lipofectamine2000，sigma)将chr2质粒转染到hek293细胞中，并放置在细胞培养箱中培养24小时；4)在培养皿中加入1um的顺式视黄醛(all-transretinal，sigma)，并在培养箱中孵育2小时。最后，通过荧光显微镜观测chr2质粒在细胞中的表达，并用膜片钳技术在光刺激进一步验证细胞表达结果。以表达了chr2的hek293细胞为光电传感器的敏感材料，其将器件吸收的光信号转换成离子电流，并以膜片钳技术为光电传感器的信号采集和处理单元。将该细胞与膜片钳检测设备相结合构成细胞融合的光电传感器。
基于该细胞融合光电探测器的单像素成像系统结构如图2所示。光透过目标图像后，经过第一透镜汇聚到光空间调制器dmd上，通过随机二值图像控制dmd中相应的每一个微镜的翻转以控制反射到第二透镜上面的光强，并汇聚于生物融合的光电传感器，同时用膜片钳检测细胞的光响应信号。最后，膜片钳检测的信号通过优化算法重构出原始图像。
成像方法是基于压缩感知原理，以单个光电探测器实现高分辨率的成像。压缩感知原理可描述为：对于某未知信号x∈rn×1，在测量矩阵φ∈rm×n(m＜n)下的线性观测值为y∈rm×1，则有：
y＝φx。(1)
其中，信号x必需满足稀疏性条件，即x或x转换域内只有k(k＜m)个元素为非零值。由线性代数理论可知，方程(1)有无穷多个解，无法从观测值y中唯一确定原始信号x。然而，根据信号x的稀疏性，从满足式(1)的解中找出最稀疏的，当测量矩阵φ满足限制性等距性质(restrictedisometryproperty,rip：(1-δ)||x||22≤||φx||22≤(1 δ)||x||22)时，这个“最稀疏”的解就是原始信号x。在该系统中，基于压缩感知原理通过dmd将图像的空间信号转换成时间系列信号，然后，通过优化算法获得重构图像，该图像能够以极高概率与原始图像信息相一致。具体的过程是：1)假设要获得的信号x，长度为n，测量矩阵φ∈rm×n(m＜n)设计为伯努利随机矩阵，其中每位元素都为1或0；2)将测量矩阵的每一行映射成一个随机二值图像，该图像大小与目标图像尺寸一致；3)依次用随机二值图像控制dmd的翻转，并通过膜片钳检测每次翻转后细胞的离子电流信号，其信号大小可表示为
下面介绍一个本发明的具体应用场景：
制造细胞融合的光电探测器的前提在于构建光敏细胞。用转染试剂(lipofectamine2000)将chr2质粒转染到hek293细胞，其中，chr2质粒与培养基(高糖dmem)比例是8ug：0.5ml，lipofectamine与培养基的比例是20ul：0.5ml。将转染后的hek293细胞放置在37℃、含5％浓度的co2的培养箱中孵育24小时候，按顺式视黄醛与培养基为1ul：1ml的比例加入顺式视黄醛，孵育2小时候用于构建细胞融合生物传感器。
用膜片钳装置解析光敏细胞的光响应特性，需要保证细胞内外渗透压并维持细胞长时间的活性，因此，膜片钳的玻璃管内外溶液需要用模拟生理环境的液体。胞外溶液的具体的配置是：140mm的nacl、1mm的cacl2、2mm的mgcl2和10mm的hepes，并用naoh将溶液的ph值调制7.4(室温)；胞内溶液的具体的配置是：140mm的nacl、5mm的egta、2mm的mgcl2和10mm的hepes,并用naoh将溶液的ph值调制7.4(室温)。此外，在检测该细胞光电流之前，先将细胞消化后制成悬浮液，并用多聚赖氨酸将细胞固定在载玻片上，然后，在细胞培养箱中孵育2小时左右。最后，将载玻片放置在移至装有胞外溶液的培养皿中，并放置在膜片钳操作台上。调节成像系统入射光，并检测该光敏细胞的光响应特性。用膜片钳检测细胞离子电流模式是在电压钳下记录全细胞电流，玻璃管是硼硅玻璃毛细管，内径0.5mm外径1mm，经玻璃管拉制造后，玻璃管入液电阻为3.5～5mω。采样频率为10khz，并用2khz低通滤波处理采样数据。封接电阻必须高于1gω，同时补偿液位电阻和电容，以保证细胞离子电流采样准确性和精度。
dmd模块直接使用dlp芯片的discovery系列。dmd类型为0.7英寸vga系列，包含1024×768个数字微镜，每个微镜边长为13.7μm，适用于紫外到近红外的所有波段。控制板刷新率最高可达290hz。每个微镜都能沿着微镜对角线向两边翻转12°，并通过输入的响应数值控制。当该位置的输入为1时，微镜向一个方向翻转12°；当该位置的输入为0时，微镜向另一个方向翻转12°。整个dmd的所有微镜能够用一张1024×768像素的随机二值图片同时控制，图片的像素点与dmd的微镜一一对应。
光源采用的是波长为375nm的激光器，以保证光线的直线性。并用10倍扩束器增加出瞳直径，以保证光线能够覆盖住dmd。
在成像过程中以恒定的光强照射到dmd上，依次用相应的随机二值图片控制着dmd以100ms的周期的速度翻转，其中，dmd按相应图片翻转的停留时间为10ms。针对这个实施例中的光敏细胞，在10ms光脉冲刺激下，细胞离子电流从被激活到失活的整个过程时长约为77ms。为了保证每次检测到的光响应信号的稳定性和准确性，dmd翻转周期应大于77ms。
以图3a～e的字符图形作为目标图像，依次对其进行成像测试。成像结果如图3f～j所示。重构图形分辨率为50×50，采样率为30％。测量矩阵设计为750×2500的伯努利矩阵，其中，每个元素随机设置为1或者0。测量矩阵的每一行转换成一个50×50的模式矩阵()，然后，将其按比例扩增成1000×700matrix()控制dmd中心区域，而dmd周边的剩余微镜对应的数据以0补充，最后，生成相应的1024×768的随机二值图片。而后将膜片钳检测的数据和测量矩阵，通过正交匹配追踪算法生成重构图像(图3f～j)。
为了更直观地观测细胞融合光电探测器的成像效果，以一个商业化的光电二极管作为成像系统的感光元件，对字符“i”的图形进行成像，结果如图4所示。在该实施例中，光源功率分别设置为0.8mw和8mw的，并用着两种探测器在相同条件下分别成像。从结果图4可知，在低的光功率下，两种光电器件都能够清晰地复现出目标图像的信息；而在高的光功率(8mw)下，光电二极管已经无法成像，而细胞融合的光电探测器依然能够较清晰地复现目标形状。在该实施例中，初步凸显了生物融合传感器相对人造器件的优势。
以上对本发明提供的细胞融合的光电传感器及其成像系统的工作方法做了详细的描述，还有以下几点需要说明：
本发明提供了一种基于生物融合光电传感器的单像素成像系统，其特征包括：光源、目标图像、第一透镜、dmd、第二透镜、细胞融合光电传感器和电脑。光源发出的光投射过目标图像后，经过第一透镜汇聚在dmd上，再经dmd反射后经过第二透镜汇聚于光电传感器的光敏细胞上，光敏细胞的光电信号被膜片钳采集后传输到电脑，通过优化算法复现出重构图像。
细胞融合光电传感器包括光敏细胞和膜片钳工具。光敏细胞是用光遗传学工具将视紫红质通道蛋白(chr2)修饰的人胚胎细胞(hek293)构成。
膜片钳的玻璃管是硼硅玻璃毛细管，内径0.5mm外径1mm，经玻璃管拉制造后，玻璃管入液电阻为3.5～5mω。光敏细胞的光电流采用全细胞记录模式以提高细胞的响应幅值。
单像素成像基于压缩感知原理，具体的成像过程为：1)假设要获得的信号x，长度为n，测量矩阵φ∈rm×n(m＜n)设计为伯努利随机矩阵，其中每位元素都为1或0；2)将测量矩阵的每一行映射成一个随机二值图像，该图像大小与目标图像尺寸一致；3)依次用随机二值图像控制dmd的翻转，并通过膜片钳检测每次翻转后细胞的离子电流信号，其信号大小可表示为
电脑用于生成测量矩阵、随机二值图像、膜片钳控制软件，dmd控制软件、存储和处理膜片钳采样数据和重构图像。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
1.一种细胞融合的光电传感器的制作方法，其特征在于，包括：将莱茵衣藻细胞眼点(eyespot)处提取的视紫红质通道蛋白(chr2)转染到人胚肾293(hek293，humanembryonickidney)细胞内；观测chr2质粒在细胞中的表达，并用膜片钳技术在光刺激进一步验证细胞表达结果；以表达了chr2的hek293细胞为光电传感器的敏感材料，其将器件吸收的光信号转换成离子电流，并以膜片钳技术为该光电传感器的信号采集和处理单元；将该细胞与膜片钳检测设备相结合构成细胞融合光电传感器。
2.如权利要求1所述的细胞融合的光电传感器的制作方法，其特征在于，该人胚肾293(hek293，humanembryonickidney)细胞具体构建过程是：1)使用带有聚合酶(pfu，promega)的校对聚合酶(带有bamhi和hindiii限制性酶切位点的引物)，通过pcr从全长cdna模板(genbank号：af461397)获得全长chop2-315和c末端截短的chop2突变，并将其制成chr2质粒；2)将hek293细胞培养在9.6cm2的培养皿中，其中含有10％胎牛血清和1％双抗的高糖dmem培养基，并将培养皿放置在37℃、含5％浓度的co2的培养箱中，待细胞长满培养皿的1/2时备用；3)利用转染试剂(lipofectamine2000，sigma)将chr2质粒转染到hek293细胞中，并放置在细胞培养箱中培养24小时；4)在培养皿中加入1um的顺式视黄醛(all-transretinal，sigma)，并在培养箱中孵育2小时。
3.如权利要求1所述的细胞融合的光电传感器的制作方法，其特征在于，通过荧光显微镜观测chr2质粒在细胞中的表达。
4.一种基于细胞融合的光电传感器的成像系统的工作方法，其特征在于，光透过目标图像后，经过第一透镜汇聚到光空间调制器dmd上，通过随机二值图像控制dmd中相应的每一个微镜的翻转以控制反射到第二透镜上面的光强，并汇聚于权利要求1到3任一项制作方法制作的生物融合的光电传感器，同时用膜片钳检测细胞的光响应信号；最后，利用膜片钳检测的信号重构出原始图像。
5.如权利要求4所述的基于细胞融合的光电传感器的成像系统的工作方法，其特征在于，其中，成像系统的成像方法是基于压缩感知原理，以单个光电探测器实现高分辨率的成像；压缩感知原理可描述为：对于某未知信号x∈rn×1，在测量矩阵φ∈rm×n(m＜n)下的线性观测值为y∈rm×1，则有：
y＝φx；(1)
其中，信号x必需满足稀疏性条件，即x或x转换域内只有k(k＜m)个元素为非零值；根据信号x的稀疏性，从满足式(1)的解中找出最稀疏的，当测量矩阵φ满足限制性等距性质(restrictedisometryproperty,rip：(1-δ)||x||22≤||φx||22≤(1 δ)||x||22)时，这个“最稀疏”的解就是原始信号x；在该系统中，基于压缩感知原理通过dmd将图像的空间信号转换成时间系列信号，然后获得重构图像。
6.如权利要求5所述的基于细胞融合的光电传感器的成像系统的工作方法，其特征在于，压缩感知原理具体的过程是：1)假设要获得的信号x，长度为n，测量矩阵φ∈rm×n(m＜n)设计为伯努利随机矩阵，其中每位元素都为1或0；2)将测量矩阵的每一行映射成一个随机二值图像，该图像大小与目标图像尺寸一致；3)依次用随机二值图像控制dmd的翻转，并通过膜片钳检测每次翻转后细胞的离子电流信号，其信号大小可表示为
7.如权利要求6所述的基于细胞融合的光电传感器的成像系统的工作方法，其特征在于，通过压缩感知重构算法从获得的采样信号vi和测量矩阵φ∈rm×n重构出原始图像x。
8.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1到7任一项所述方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1到7任一项所述方法的步骤。
10.一种处理器，其特征在于，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行权利要求1到7任一项所述的方法。
技术总结