可用于同軸光活化的膜片鉗微電極及夾持器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種可用于同軸光活化的膜片鉗微電極及夾持器，特別是采用在玻璃管微電極內部分填充高折射率液體的方法實現液芯光導，將外部激光傳輸至與玻璃管微電極接觸的細胞以完成光活化。該可用于同軸光活化的膜片鉗微電極及夾持器可以在原位(in situ)完成細胞的光活化和電生理信號的記錄。
【背景技術】
[0002]膜片鉗技術作為一種廣泛應用于生命科學研究的電生理技術，為解決生物信息的跨膜信號傳導問題提供了先進的研究手段。膜片鉗技術的工作原理是用玻璃微電極把僅含1-3個離子通道、面積為幾平方微米的細胞膜通過負壓吸引封接起來，由于電極尖端與細胞膜的高阻封接，在電極尖端下的這片細胞膜在電學上與其他細胞膜分離，因此，通過電壓鉗制或電流鉗制，能夠對生物膜上離子通道的電活動(尤其是可對單通道電流)進行記錄。
[0003]近年來，光遺傳，光解籠鎖(Uncage)等技術先后被應用于神經科學領域。光遺傳技術是通過遺傳技術在實驗動物體內表達光敏感蛋白質，從而通過光控制某個神經元或神經環路的開閉。光解籠鎖技術是用光對包含神經遞質，如GABA，谷氨酸等，的籠狀化合物進行光活化或光刺激使籠狀化合物解籠鎖，釋放出神經遞質，通過與神經元的響應受體結合使神經元產生興奮或抑制。實現這些技術的關鍵是如何將光精確地投射在感興趣的區域，并且能和傳統的膜片鉗微電極及夾持器技術相結合。
[0004]目前，相關研究報道有2013年法國Marat Minlebaev等人(M.Minlebaev etal，“Cell-attached recordings of responses evoked by photorelease of GABA inthe immature cortical neurons，，，Frontiers in Cellular Neuroscience，Volume7，Article83, May 2013)通過將Rub1-GABA(—種GABA的籠狀化合物)填充入玻璃微電極，并將纖芯直徑50um的多模光纖直接插入玻璃微電極對Rub1-GABA進行光活化釋放GABA。2013 年美國 Ilker Ozden 等人(1.0zden et al, uA Coaxial Optrode As Multifunct1nWrite-Read Probe for Optogenetic Studies in Non-Human Primates”J NeurosciMethods.2013S印tember 30 ；219(1):142-154)將外徑125um的多模光纖拉錐后套入外徑165um的塑料管和外徑310um的不銹鋼管中，并在多模光纖的錐部和不銹鋼管連接的部分沉積鉻/金導電層，從而使不銹鋼管完成膜片鉗電極的功能。對于這兩種技術來講，前者未形成一個完整的實驗設備，僅僅是一個臨時性的實驗方法；后者則需要專用電子束沉積設備加工金屬導電層，工藝復雜，價格昂貴。
[0005]因此本發明提出了一種可用于同軸光活化的膜片鉗微電極及夾持器，與上述方案不同，米用在玻璃微電極內部分填充高折射率液體的方法實現液芯光導，將外部激光傳輸至與玻璃管微電極接觸的細胞以完成光活化。該可用于同軸光活化的膜片鉗微電極及夾持器可以在原位完成細胞的光活化和電生理信號的記錄。具有結構簡單，成本低，方便易行的優點，對于神經科學的研究具有重要的意義。

【發明內容】

[0006]本發明的目的在于提出一種可用于同軸光活化的膜片鉗微電極及夾持器，特別是米用在玻璃微電極內部分填充高折射率液體的方法實現液芯光導，將外部激光傳輸至與玻璃管微電極接觸的細胞以完成光活化。該可用于同軸光活化的膜片鉗微電極及夾持器可以在原位完成細胞的光活化和電生理信號的記錄。
[0007]為實現上述目的，本發明采用技術方案是:它包括一根玻璃管，一根電極和一個夾持器。該夾持器包括一個反射鏡，一個光纖接口和一個導液管接口。
[0008]玻璃管的一個輸入端與夾持器的輸出端相連；導液管接口的輸入端與外部導液管相連；光纖接口的輸入端與外部光源的光纖相連；玻璃管的輸出端與外部被測樣品相連；電極的輸入端與玻璃管尖端填充的電極內液相連；電極的輸出端與外部膜片鉗放大器相連；玻璃管的尖端填充有少量導電的電極內液；玻璃管內大部填充折射率高于玻璃管材料的透明液體；光通過光纖輸入光纖接口，經過反射鏡反射90度后，由玻璃管傳導至尖端后投射在樣品完成光活化。
[0009]所述的玻璃管由玻璃拉制而成，材料可以為GG_17(國內)或PYREX(國外)的高硼硅玻璃，但不限于此種玻璃，折射率為(1.4-1.7);
[0010]所述的夾持器用于夾持玻璃管，包括一個反射鏡，一個光纖接口和一個導液管接P ；
[0011]所述的電極為膜片鉗設備常用的金屬電極，材料為銀或銅；
[0012]所述的反射鏡用于將入射光反射90度，可以為平面反射鏡或反射棱鏡，通常表面有高反射率鍍膜；
[0013]所述的光纖接口用于機械連接外部光源的光纖，可以為常用的FC/PC，FC/APC，FC/UPC, SMA 等；
[0014]所述的導液管接口用于連接外部導液管，用于在實驗過程中提供正壓或負壓；
[0015]所述的高折射率透明液體可以為不導電的折射率匹配液，折射率可以為(1.5-1.8)，主要成分是氟氯烴。
[0016]本發明的工作原理是這樣的:首先，將玻璃管的尖端拉制成實驗所需的錐形。向玻璃管內填充少量電極內液，其作用為導電，在樣品和電極之間建立電氣連接。再向玻璃管內填充大量高折射率的折射率匹配液。折射率匹配液與電極內液不相溶，具有明顯的分界面。將玻璃管連接在夾持器上。外部光源的光通過光纖輸入光纖接口，經過反射鏡反射90度后進入玻璃管。由于玻璃管內的折射率匹配液的折射率為1.7 (舉例)，玻璃管的折射率為1.47，因此光在折射率匹配液-玻璃管界面上的全反射角約為59.85度，折合數值孔徑約為0.86，遠大于常用光纖的數值孔徑，如0.13，0.22，0.46等。因此折射率匹配液-玻璃管可以實現液芯光導，低損耗地傳輸光。當光傳輸到玻璃管尖端時，由于玻璃管尖端(例如，玻璃管外徑1.5mm，內徑1.2mm，尖端長4mm，折合半角約為8.5度)的角度較小，光仍可以低損耗地傳輸直到到達折射率匹配液-電極內液界面。當光通過此界面后，電極內液的折射率約為1.33小于玻璃管的折射率，因此電極內液-玻璃管界面不存在全反射條件，光會發散地投射在樣品。附圖2和3中分別展示了玻璃管尖端光傳輸的蒙特卡洛分析設置圖和結果圖。
[0017]本發明由于采用了上述技術方案，具有如下優點:
[0018]1、采用玻璃管