[發明專利]一種力載荷及位移聯合反饋控制的光學鑷子系統

在審

• 申請號: 201611176170.0
• 申請日: 2016-12-19
• 公開（公告）號: CN107037579A
• 公開（公告）日: 2017-08-11
• 發明（設計）人: 鄭躍;張瀟悅;陳云;邵劍;熊偉明;龍天翔
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: G02B21/32
• 分類號: G02B21/32;G21K1/00
• 代理公司: 廣州市深研專利事務所44229
• 代理人: 姜若天

技術領域

本發明涉及光學分析機械領域，是一種力載荷及位移聯合反饋控制的光學鑷子系統。

背景技術

光學鑷子系統可在近似于生理環境下無損地研究細胞及分子的力學特性及相互作用行為，因此在細胞、分子生物學、醫學以及生物力學領域正發揮越來越重要的作用。然而隨著相關研究的深入，對光鑷系統的要求也越來越高。特別是對于細胞和分子的粘彈性、破壞斷裂等非線性力學行為以及細胞與納米顆粒、藥物相互作用等過程的研究，需要載荷依照預定的函數隨時間發生改變，即力載荷控制。由于樣品在測試中會發生蠕變以及位移，而光鑷施加的載荷又由樣品與光阱中心的相對距離決定，因此對光鑷進行力載荷控制往往比較困難。目前，人們對光鑷的改進主要集中于光阱本身，如多光阱系統以及利用聲光控制器對光阱位置進行調控。這些努力雖然很好地改善了樣品操控及位移控制，但依然無法實現光鑷的力載荷控制。一般而言，光鑷對樣品施加力載荷主要通過由聚苯乙烯、玻璃為材料的微球實現。對于小尺寸微球(直徑小于1μm)，雖然可通過瑞利近似以及小球中心與光阱中心距離計算出光鑷施加載荷大小。但是在溶液環境中小尺寸微球受布朗運動影響較大，信噪比較低，因此力載荷控制實用意義不大。而對于大尺寸微球，由于不符合瑞利近似，無法直接得出光鑷施加載荷大小。因此往往無法實現力載荷控制。

綜上所述，拓寬光鑷設備的測試方法并開發一種可對大尺寸微球實現精確力載荷控制的光鑷系統已十分必要。其可更有效且精確地研究細胞和分子的粘彈性、破壞斷裂等非線性力學行為，以及細胞吞噬與納米顆粒、藥物相互作用等重要生物過程。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明的一個目的是提供一種用于拓寬光鑷設備的測試方法的力載荷及位移聯合反饋控制的光學鑷子系統。

上述目的通過以下技術方案實現：一種力載荷及位移聯合反饋控制的光學鑷子系統，包括依次設置的激光準直單元、高倍聚焦物鏡、位移載物臺、光阱、光源、樣品后激光信號采集單元以及反饋控制單元，所述位移載物平臺上設置有透射孔，所述光阱設置在透射孔上方，所述光源設置在光阱上方，所述高倍聚焦物鏡下方設置有用于觀察物鏡圖像的CCD，所述樣品后激光信號采集單元用于采集由激光準直單元發出依次經過高倍聚焦物鏡、位移載物臺及光阱產生的激光光斑，并傳輸到反饋控制單元，反饋控制單元根據光斑信息控制位移載物平臺移動。

進一步地，所述后激光信號采集單元包括第一合光鏡、聚光鏡以及四象限光電探測儀，所述聚光鏡接收透過樣品光束，并傳向第一合光鏡，由第一合光鏡反射到四象限光電探測儀上，所述四象限光電探測儀與反饋控制單元連接，輸出光斑數據。

進一步地，所述一合光鏡和聚光鏡設置在光源和光阱之間。

進一步地，所述光源光軸分別與透射孔、聚光鏡、高倍聚焦物鏡及CCD同軸設置。

進一步地，所述激光準直單元與高倍聚焦物鏡之間成一夾角設置，激光準直單元與高倍聚焦物鏡之間設置有第二合光鏡。

進一步地，所述激光準直單元依次包括激光器、連續濾光片以及兩組焦點互相重疊的凸透鏡。

進一步地，所述位移載物平臺包括納米位移平臺和機械樣品臺，所述納米位移平臺設置在機械樣品臺上并與反饋控制單元連接，所述透射孔設置在機械樣品臺上。

進一步地，所述機械樣品臺為雙層透射結構，兩層之間相對移動。

進一步地，所述納米位移平臺為雙層透射結構，兩層之間相對移動。

進一步地，所述納米位移平臺由壓電陶瓷驅動，由電壓信號控制，下層與機械載物樣品臺通過螺絲相連接并固定，其上層可在電壓信號控制下由壓電陶瓷驅動而與下層發生相對位移。

與現有技術相比，本發明的優點在于：

本發明所涉及的光鑷系統可實時計算光阱對微球施加力載荷并進行閉環控制，從而實現以力載荷控制。因此其拓寬了光鑷的測試方法，可更有效且精確地研究細胞和分子的粘彈性、破壞斷裂等非線性力學行為。

除了力載荷控制外，本發明還可結合位移控制實現力載荷-位移聯合控制。其可用于研究更為復雜的細胞吞噬及與納米顆粒、藥物相互作用等過程。

本發明對光阱施加力載荷的確定基于定標參數對照，不依賴于瑞利近似的計算，因此微球的尺寸對本光鑷的控制沒有影響。所以本光鑷具有比現有技術更好的適用性，更有利于實驗的設計與實現。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖。

圖2為本發明反饋控制流程示意圖。

具體實施方式