一种基于空间光调制技术的纳秒脉冲激光穿孔系统和方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于空间光调制技术的纳秒脉冲激光穿孔系统和方法，利用空间光调制器对单脉冲激光的空间光场进行调制；调制后的脉冲激光经过物镜聚焦后在微流控芯片中形成可控的微射流，并利用高速的微射流来实现对细胞的穿孔和外源性物质的导入，这种新型的细胞膜微手术方法具有精准控制导入剂量，提高穿孔效率和成功率的潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于空间光调制技术的纳秒脉冲激光穿孔系统和方法
本专利技术涉及液体的光致击穿以及细胞光穿孔领域，尤其涉及一种基于空间光调制技术的纳秒脉冲激光穿孔系统和方法。
技术介绍
细胞膜微手术对于我们深度解析生命过程以及疾病的发病机制具有很大的科学意义，例如将一些外源性的生物大分子如蛋白质、DNA、RNA及siRNA等引入到活细胞中可干预蛋白质功能表达甚至在微观领域靶向的杀死或者逆转病变细胞。在这个过程中，如何实现在尽量不影响细胞活性的情况下对细胞进行可恢复性穿孔是一个关键步骤。将外源物质导入细胞过程中，具有主动导入的能力是提高导入效率、成功率以及剂量可控的关键，同时，实现对细胞的靶向性、高通量的操作亦是非常重要的要求。传统的细胞膜微手术方法包括毛细管微注射、电穿孔、声穿孔以及病毒或者化学运载等。此外，随着激光技术的发展，一种具有非侵入、非接触且能实现靶向性操作的光穿孔方法被应用于细胞膜微手术领域。一方面，可以利用紧聚焦激光实现对单个细胞的靶向性穿孔，另一方面，可借助于一些金属纳米材料对激光的强吸收来实现对细胞群的高通量穿孔。但这两种方法在实现穿孔之后，都是利用外源性物质的被动扩散来进入细胞，因此存在导入剂量不可控，重复性差的缺点。鉴于此，一种利用双脉冲激光器在水中诱导多点击穿所形成的微射流来对单细胞进行靶向性穿孔的方法被提出。微射流高速运动过程会带动周围介质的移动，因此，这种存在主动靶向导入的能量和剂量可控的应用潜力。但是，利用两个脉冲激光器诱导射流形成来实现细胞光穿孔存在造价高，操作复杂等缺点。专利
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于空间光调制技术的纳秒脉冲激光穿孔系统和方法，利用单脉冲诱导的可控射流，在微流控芯片中实现对细胞靶向性及高通量穿孔，且系统简单，操作容易，造价低。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种基于空间光调制技术的纳秒脉冲激光穿孔系统，包括脉冲激光器、空间光调制器、白光光源、能量测量模块和系统控制存储模块；脉冲激光器发出的脉冲激光入射在空间光调制器上，经空间光调制器反射的脉冲激光传播方向上依次设置有线偏振片和第一凸透镜；白光光源发出的连续光传播方向上依次设置有微流控芯片、物镜、二向色镜和高速成像仪；从第一凸透镜透过的脉冲激光经二向色镜反射后进入物镜；微流控芯片设置有细胞流动通道和试剂流动通道，试剂流动通道中存在击穿腔，击穿腔通过射流口与细胞流动通道相通；经物镜聚焦后的脉冲激光入射在击穿腔内；能量测量模块用于测量脉冲激光器发出的脉冲激光能量；系统控制存储模块与脉冲激光器、空间光调制器和高速成像仪电连接；用于控制脉冲激光器、空间光调制器和高速成像仪之间的时序和触发并控制脉冲激光器的脉冲激光能量和空间光调制器的相位全息图载入，接收和存储高速成像仪的图像数据。优选的，能量测量模块包括分束棱镜和能量计；分束棱镜设置在脉冲激光器的脉冲激光传播方向上，能量计设置在分束棱镜反射的脉冲激光传播方向上，能量计与系统控制存储模块与电连接。优选的，脉冲激光器的脉冲激光传播方向上依次设置有二分之一波片、凹透镜和第二凸透镜，从第二凸透镜透射的脉冲激光入射在空间光调制器上。优选的，脉冲激光器的脉冲激光传播方向上设置有第一反射镜，在经第一反射镜反射后的脉冲光传播方向上设置有第二反射镜，空间光调制器置于经第二反射镜反射的脉冲光传播方向上。进一步的，第一反射镜与脉冲激光器的脉冲激光传播方向的夹角为逆时针45°，第二反射镜与第一反射镜反射的脉冲光传播方向夹角为逆时针85°；空间光调制器镜面与第二反射镜镜面平行。优选的，白光光源和微流控芯片之间设置有凸透镜。优选的，二向色镜和高速成像仪之间设置有陷波片。优选的，还包括压力泵，压力泵用于向微流控芯片的细胞流动通道和试剂流动通道中分别泵入悬浮细胞溶液和试剂；压力泵与系统控制存储模块电连接。一种基于空间光调制技术的纳秒脉冲激光穿孔方法，基于所述的基于空间光调制技术的纳秒脉冲激光穿孔系统，包括：S1、系统调试：建立微射流强弱和方向与脉冲激光器发出的脉冲激光能量和载入空间光调制器的相位全息图之间的关系；S2、微流控芯片中悬浮细胞溶液与试剂溶液的导入：将悬浮细胞溶液注入细胞流动通道中，将外源性试剂溶液注入试剂流动通道中；S3、细胞穿孔和外源性物质的导入：利用高速成像仪对微流控芯片细胞流动通道内细胞进行实时动态监控；当监测到有细胞处于穿孔位置时，系统根据细胞所处位置及S1得到的微射流强弱和方向与脉冲激光器发出的脉冲激光能量和载入空间光调制器的相位全息图之间的关系，向空间光调制器载入对应的相位全息图，并以合适的延时向脉冲激光器发出触发信号，控制脉冲激光器发出对应能量的脉冲激光并在微流控芯片击穿腔内形成微射流，实现对单个细胞的靶向可逆性穿孔，并利用微射流引起的定向流将试剂流动通道内的试剂溶液注射进入穿孔细胞。优选的，所述的S1的具体实现步骤为：(1)在微流控芯片的细胞流动通道和试剂流动通道中分别注入悬浮细胞溶液和试剂溶液；(2)调整脉冲激光能量，在不同的脉冲激光能量范围内，载入不同的相位全息图，控制在击穿腔内击穿点的数量、相对位置和大小；利用高速成像仪对空泡和微射流的演变过程进行实时成像；(3)利用高速成像仪拍摄到的图像，记录微射流的方向，计算微射流的强弱信息；建立脉冲激光能量和相位全息图与微射流的强弱和方向之间的关系。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术利用空间光调制器对单脉冲激光进行光场调制，从而实现单脉冲激光在聚焦的焦平面形成大小、数量以及位置可控的多点击穿；多点击穿空泡在振荡过程中的相互作用会形成定向的微射流，最终利用微射流来实现对单细胞的靶向性穿孔，并借助空泡的非对称振荡引起的定向流将外源性物质经穿孔处导入到细胞内，实现导入剂量的可控，且将整个穿孔过程置于微流控通道内，能显著增加穿孔速度和通量。通过设置高速成像仪可对微射流的形成过程进行清晰高时空分辨率的成像，同时在穿孔过程可对细胞的位置和流动进行实时监控。进一步的，二分之一波片用于调整入射激光的偏振方向，凹透镜和第一凸透镜可实现对脉冲激光的扩束与准直。进一步的，设置第一反射镜和第二反射镜，用于调整脉冲激光入射到空间光调制器的入射角度。进一步的，白光光源和微流控芯片之间设置第二凸透镜，用于对白光光源进行准直。进一步的，二向色镜和高速成像仪之间设置有陷波片，用于防止脉冲激光进入高速成像仪，起到保护高速成像仪的作用。本专利技术引入了一个简单的可行的微射流细胞穿孔方式，为细胞膜微手术提供了新的技术方案，具体具有以下优点：(1)微射流的形成方式和可控性方案简单，只需要载入不同的相位全息图和调整合适的脉冲激光能量输入就能实现；(2)微射流的靶向性穿孔具有主动导入能力，能更精准的控制外源性物质的导入剂量，且微射流尺寸更小，引起的细胞损伤更加可控；(3)整个穿孔过程在微流控芯片中进行，且对穿孔细胞进行实时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于空间光调制技术的纳秒脉冲激光穿孔系统，其特征在于，包括脉冲激光器(1)、空间光调制器(9)、白光光源(12)、能量测量模块和系统控制存储模块(19)；/n脉冲激光器(1)发出的脉冲激光入射在空间光调制器(9)上，经空间光调制器(9)反射的脉冲激光传播方向上依次设置有线偏振片(10)和第一凸透镜(11)；/n白光光源(12)发出的连续光传播方向上依次设置有微流控芯片(14)、物镜(15)、二向色镜(16)和高速成像仪(18)；从第一凸透镜(11)透过的脉冲激光经二向色镜(16)反射后进入物镜(15)；/n微流控芯片(14)设置有细胞流动通道和试剂流动通道，试剂流动通道中存在击穿腔，击穿腔通过射流口与细胞流动通道相通；经物镜(15)聚焦后的脉冲激光入射在击穿腔内；/n能量测量模块用于测量脉冲激光器(1)发出的脉冲激光能量；/n系统控制存储模块(19)与脉冲激光器(1)、空间光调制器(9)和高速成像仪(18)电连接；用于控制脉冲激光器(1)、空间光调制器(9)和高速成像仪(18)之间的时序和触发并控制脉冲激光器(1)的脉冲激光能量和空间光调制器(9)的相位全息图载入，接收和存储高速成像仪(18)的图像数据。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于空间光调制技术的纳秒脉冲激光穿孔系统，其特征在于，包括脉冲激光器(1)、空间光调制器(9)、白光光源(12)、能量测量模块和系统控制存储模块(19)；
脉冲激光器(1)发出的脉冲激光入射在空间光调制器(9)上，经空间光调制器(9)反射的脉冲激光传播方向上依次设置有线偏振片(10)和第一凸透镜(11)；
白光光源(12)发出的连续光传播方向上依次设置有微流控芯片(14)、物镜(15)、二向色镜(16)和高速成像仪(18)；从第一凸透镜(11)透过的脉冲激光经二向色镜(16)反射后进入物镜(15)；
微流控芯片(14)设置有细胞流动通道和试剂流动通道，试剂流动通道中存在击穿腔，击穿腔通过射流口与细胞流动通道相通；经物镜(15)聚焦后的脉冲激光入射在击穿腔内；
能量测量模块用于测量脉冲激光器(1)发出的脉冲激光能量；
系统控制存储模块(19)与脉冲激光器(1)、空间光调制器(9)和高速成像仪(18)电连接；用于控制脉冲激光器(1)、空间光调制器(9)和高速成像仪(18)之间的时序和触发并控制脉冲激光器(1)的脉冲激光能量和空间光调制器(9)的相位全息图载入，接收和存储高速成像仪(18)的图像数据。


2.根据权利要求1所述的基于空间光调制技术的纳秒脉冲激光穿孔系统，其特征在于，能量测量模块包括分束棱镜(2)和能量计(3)；分束棱镜(2)设置在脉冲激光器(1)的脉冲激光传播方向上，能量计(3)设置在分束棱镜(2)反射的脉冲激光传播方向上，能量计(3)与系统控制存储模块(19)与电连接。


3.根据权利要求1所述的基于空间光调制技术的纳秒脉冲激光穿孔系统，其特征在于，脉冲激光器(1)的脉冲激光传播方向上依次设置有二分之一波片(4)、凹透镜(5)和第二凸透镜(6)，从第二凸透镜(6)透射的脉冲激光入射在空间光调制器(9)上。


4.根据权利要求1所述的基于空间光调制技术的纳秒脉冲激光穿孔系统，其特征在于，脉冲激光器(1)的脉冲激光传播方向上设置有第一反射镜(7)，在经第一反射镜(7)反射后的脉冲光传播方向上设置有第二反射镜(8)，空间光调制器(9)置于经第二反射镜(8)反射的脉冲光传播方向上。


5.根据权利要求4所述的基于空间光调制技术的纳秒脉冲激光穿孔系统，其特征在于，第一反射镜(7)与脉冲激光器(1)的脉冲激光传播方向的夹角为逆时针45°，第二反射镜(8)与第一反射镜(7)反射的脉冲...

【专利技术属性】
技术研发人员：付磊，张镇西，王晶，姚翠萍，王斯佳，王萍，辛静，张璐薇，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61