基于多线光阱实现对不同尺寸细胞的全局动态捕获操控方法技术

本发明专利技术提供的是基于多线光阱实现对不同尺寸细胞的全局动态捕获操控方法。其特征是：使用两束中心波长为不可见光的近红外激光器出射的激光经过柱面透镜整形形成的线光阱，经过低数值孔径的显微物镜系统后形成线形光阱，第一束线光阱将样品捕获悬浮样品，同时可以调整激光的入射角度调整捕获的悬浮细胞的位置，第二束线光阱实现对固定的样品全局的动态操控，施加周期性的力学作用，通过中心波长为可见光的激光器出射的光束探测细胞产生的形变，为测量细胞全局的流变性提供非接触、非侵入式、动态的力学方法。现代医学研究的基础是细胞，细胞是生命结构与功能的基本单位，如何在保持细胞生理特性的情况下研究细胞是揭示生命奥妙，攻克疾病的关键。该方法采用非接触式光镊，具有精准操控性质，并且不会对被测样品产生影响，具有光损伤小、空间分辨率高、操作灵活、成本低等特点，在医学和生命科学等研究领域中具有广泛的应用前景。域中具有广泛的应用前景。域中具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于多线光阱实现对不同尺寸细胞的全局动态捕获操控方法


[0001]本专利技术提供的是基于多线光阱实现对不同尺寸细胞的全局动态捕获操控方法。本专利技术中使用到了三个激光器，两个中心波长为近红外激光器出射的光束通过整形变为线光阱，分别用来捕获与操控被测样品，可用来检测样品的力学特性，更加方便灵活，准确性高，中心波长为可见光激光器产生的激光用来将被测样品的形变信息转化为散射电信号，最终使用四象限探测器检测，实现细胞的快速扫描，获取高时间和空间分辨率的细胞形变信息，属于光操控和光学显微成像领域。

技术介绍

[0002]细胞是生命结构和功能的基本单位，没有细胞就没有完整的生命，对细胞的深入研究是探索生命奥秘、征服疾病和改造生命的关键。自细胞被发现以来，广大科研工作者对其物理、化学和生物学等特性开展了广泛而深入的研究工作，揭示了众多关于细胞的秘密。
[0003]长期以来，人们普遍认为构成不同种类细胞族群的单个细胞的生物学特性基本是一致的。基于这种认识，通常的生命科学研究主要以大量同类型细胞构成的细胞族群为研究对象。近年来，人们逐渐认识到构成同类型细胞族群的细胞个体之间存在着显著的微观不均一性，即异质性特征。有研究证明，即便是同一族群的细胞个体，在基因的转录和翻译、蛋白活性，以及多个水平上都会存在显著的差异，基于大量细胞的研究结果很难以反映细胞水平上的生命活动规律。因此，基于细胞的检测技术将能在更深层次上揭示生命活动的本质和基本规律，为探究重大疾病的起因、发展和治疗提供更加可靠的科学依据。
[0004]光镊技术对于发现细胞力学特性，以及研究其功能起到了至关重要的作用。随着对细胞结构和功能研究的深入，我们所面临的挑战是以展开生命活动的大环境活细胞作为“试管”，在尽量避免影响细胞自身性质及其所处微环境的前提下，以非接触、无损伤的方式获取活体细胞的力学特性，细胞生命过程中不同种类生物分子的空间分布及其变化信息，以及细胞器和生物分子、不同种类生物分子之间相互作用过程的功能信息，为在更深层次上揭示生命活动的本质和基本规律提供可靠的科学依据。
[0005]随着光学光镊的技术、激光技术、微弱信号探测技术和计算机技术的快速发展，现代光学镊子的技术能够以前所未有的时间和空间分辨率来捕获并控制微小颗粒，并能够获得图样以及被测样品的形变信息。特别是目前的线激光光镊捕获微小粒子技术，以及四象限探测器的信号检测技术，两者相结合组成的捕获控制检测设备，采用非接触，不仅不会伤害被测样品，而且灵活性好、准确性高，从而可以利用单片机控制的机电设备可以实现对被测样品的周期性力学特性的检测。
[0006]在过去的几十年里，聚焦激光束，即所谓的光镊，已成功地用于捕获和操纵小型介电物体，包括微米级的珠子和生物物体，如细胞。通过光折射在粒子表面转移的动量产生指向激光焦点的恢复力，该力可用于刚性微观物体的强定位。然而，当捕获包括活细胞在内的软介电颗粒时，这些表面力会引起变形。因此，光镊为非接触、无损伤地探测细胞的弹性行为提供了一种极好的方法，这是一种相关的测量方法，因为机械性能通常与它们的健康和
活力有关。为证明这一点，点激光源已被用于拉伸红细胞，方法是操纵附着的胶体颗粒，通过使用两个反向传播光束的光压。双阱光镊操作微粒的方法是将两个二氧化硅微珠连接到细胞上，并使用两束光束捕获微珠并拉伸细胞；该方法的优点是对细胞施加简单的应力状态，例如拉伸，变形量可控；一个潜在的缺点是细胞膜和微珠之间的接触区域的位置和面积在实验中难以高精度控制，导致拉伸力校准的不确定性，由于微珠的侵入，可能会对被测样品产生不可逆的影响，最终会导致测量结果的不准确；同时双阱光镊是将一个激光器出射的激光通过分束的方法来进行控制，需要调节的地方更多，并且调节难度更大，所需设备更多，操作不够简易，不够灵活；两个激光器组成的线光阱不会像双阱光镊分束后的两束光存在相互干扰的现象，线激光光镊可以仅改变一个激光器来达到某个目标，而双阱光镊需要对分束后的光束进行改变，不仅光的能量会减少，而且需要添加更多的透镜，不方便操作，而且会增加更多的误差。我们研究了一种基于变形能力的细胞捕获控制技术，该技术使用单线形光阱固有地诱导正常的对跖表面力。从理论上证明，这些相反的力是在弯曲的微观物体表面上同时产生的，在低数值孔径下具有最佳幅度，从而允许使用单个弱聚焦激光源定向拉伸弹性细胞。
[0007]然而，在双阱光镊系统中，一个激光器出射的激光通过分束，实现双阱光镊，但是分束后的光镊通过更多的透镜不仅功率的大打折扣，而且可操作性不高，设备不够灵活使用，同时需要在被测样品中植入二氧化硅小球，长时间可能会引起被测样品的损伤；在成像中，运用四象限探测器探测被测样品的形变信号的散射信号。准确性好，不会像激光扫描共焦荧光显微技术，长时间激光照射会产生光毒性、光损伤和光致漂白的无法回避的问题。此外，这些系统的结果复杂，因此，广大科研工作者一直致力于开发一种简单的光镊技术以及检测技术。
[0008]线激光光镊技术与四象限探测技术有机地结合在一起，使研究人员从对活细胞进行被动的观察转而成为主动的操控，为解决上述问题提供了一种有效的途径。线激光光镊技术利用光场的力学效应，可以在不影响细胞内部及周围环境的条件下，以非接触、无损伤的方式稳定捕捉、精准操控和快速筛选单个病毒、细胞甚至生物大分子，为长时间观察处于液态环境中的活细胞获取其内部结构，进而深入研究细胞生命活动过程的生物调控机制等打开了大门。
[0009]随着光学光镊美国亚利桑那大学Benjamin Blehm等人提出的传统光阱系统不仅需要使用一个大数值孔径物镜和复杂的光路系统，通过AOD的快速扫描形成线光阱来操控样品，而且在使用过程中受到许多因素，要考虑能量、可操控性以及精确度的问题(专利公开号：US2018202913A1)，本文基于柱面透镜整形的线光阱技术使用低数值孔径的显微物镜，可以获得更长的线光阱，同时可以对悬浮在低折射率溶液的样品进行捕获、调整和拉伸等精准操控，实现动态性与全局性的对大尺寸样品进行操控，达到周期性检测力学特性的目的，且系统结构简单、体积小、可操作性强，具有很高的可集成度和灵活性。
[0010]本专利技术提供的是基于多线光阱实现对不同尺寸细胞的全局动态捕获操控方法，可广泛应用于以非接触、无损伤的方式稳定捕获和精准操控活体单细胞。两个中心波长为不可见光的激光器出射的激光分别经过整形形成线光阱，经过低数值孔径的显微物镜系统后形成线形光阱，第一束线光阱将样品捕获悬浮样品(样品的折射率高于周围液体的折射率，样品被困在线光阱中)，同时可以调整激光的入射角度调整捕获的悬浮细胞的位置，第二束
线光阱实现对细胞全局的动态操控，围绕中心轴旋转线光阱来对固定的样品施加周期性的力学作用，通过中心波长为可见光的激光器出射的光束探测细胞产生的形变信息，为测量细胞全局的粘弹性，杨氏模量等等提供非接触、非侵入式、动态的力学方法。
[0011]本设计所实现的方法和系统不仅可以以非接触的方式、无损伤的方式稳定捕获和精准操控活体单细胞，而且可以快速获取活体单细胞的高空间分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.本发明提供的是基于多线光阱实现对不同尺寸细胞的全局动态捕获操控方法。其特征是：两个中心波长为不可见光的激光器出射的激光分别经过整形形成线光阱，经过低数值孔径的显微物镜系统后形成线形光阱，第一束线光阱将样品捕获悬浮样品(样品的折射率高于周围液体的折射率，样品被困在线光阱中)，同时可以调整激光的入射角度调整捕获的悬浮细胞的位置，第二束线光阱实现对固定的样品全局的动态操控，围绕中心轴旋转线光阱来对样品施加周期性的力学作用，通过中心波长为可见光的激光器出射的光束探测细胞产生的形变，为测量细胞全局的流变性提供非接触、非侵入式、动态的力学方法。由激光器(1)，激光器(2)，激光器(3)，柱面透镜(4)、(5)、(6)、(7)，平凸透镜(8)、(9)、(10)、(11)，滤光片(12)、(13)、(14)，聚光片(15)，双色镜(16)、(17)、(18)，样品(19)，CCD相机(20)，LED光源(21)，四象限探测器(22)，以及四十倍低数值孔径的显微物镜(23)组成；四个柱面透镜和四个平凸透镜分别组成两条光路，在激光器(2)后放置柱面透镜(4)、(6)以及平凸透镜(8)、(10)，若激光直接由显微物镜准直，由于线性源的细长几何形状，准直光束持续将沿长轴延伸；这种延伸一直持续直到光束到达聚焦物镜，如果离轴光束被阻止进入聚焦物镜的后孔径，就会导致光功率损失并改变光束轮廓；柱面透镜(4)、(6)用于校正光源的延伸，平凸透镜(8)、(10)用于对光束的扩束，也可校正球面像差并提供较长的工作距离，从而在显着通道深度...

【专利技术属性】
技术研发人员：于凌尧，刘帅，尹君，闫克松，韦耀鹏，耿森，苑立波，
申请(专利权)人：南宁桂电电子科技研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：