[發明專利]一種在物鏡視場內任意移動細胞的環形光鑷及實現方法

在審

• 申請號: 201710705860.9
• 申請日: 2017-08-17
• 公開（公告）號: CN107422468A
• 公開（公告）日: 2017-12-01
• 發明（設計）人: 陳建農;劉國豪;李貴琳;徐在斌;郭欣月;閆佳慶
• 申請（專利權）人: 魯東大學
• 主分類號: G02B21/32
• 分類號: G02B21/32;G02B21/36;G02B21/08;G21K1/06
• 代理公司: 煙臺上禾知識產權代理事務所(普通合伙)37234
• 代理人: 劉志毅

技術領域

本發明涉及到一種光鑷技術,尤其涉及到一種在顯微物鏡視場內任意移動細胞的環形光鑷及實現方法。

背景技術

美國科學家Ashkin早在1986年的實驗中成功地利用一束緊聚焦的激光實現了對生物粒子的捕獲和非接觸性、無損傷的操作，這種被形象的稱為光鑷的技術已經從早期簡單的操控發展為可用于標定光阱中粒子的受力和納米尺度的位移等的應用技術。光鑷的出現，為人們研究微小粒子的行為提供了實時和強有力的手段，而且在研究方法上從被動的觀察轉為主動的操控，為生命科學,材料科學，物理學和化學等眾多學科領域帶來了革命性的創新。

經過三十多年的發展,光鑷技術取得了許多重要進展。早期的光鑷技術只能產生一個光阱,操縱功能非常有限，而且被捕獲微粒相對于周圍介質的移動只能通過整體移動樣品池或載物臺。因此,從單光阱捕獲向多光阱捕獲并且發展動態移動光鑷是光鑷技術發展的必然趨勢。將多個激光器輸出的光束耦合到同一個聚焦物鏡是產生多光阱的最直接方法,但是這種方法產生的光阱數目有限,且裝置復雜。通過衍射光學元件或空間光調制器，調制光束相位來產生特定目標光場的全息光鑷技術可產生大陣列光阱,而且具有實時、動態、三維空間獨立控制多微粒等優點。1998年Dufresne等利用一個固定衍射元件產生了大陣列光阱分布,標志著全息光鑷技術的誕生。2002年,他們利用液晶空間光調制器(SLM)調制入射光場的相位產生二維或三維光阱陣列,實現了實時、動態，獨立操控多個微粒的功能。從此，各國科學家們開展了基于激光束振幅調制，相位調制和偏振態調制的空間光場調制全息光鑷技術研究，提出了各種各樣的光阱產生方法和微粒操控手段。例如經過相位調制的帶有軌道角動量的渦旋光束聚焦產生可旋轉微粒的環形光鑷。經過偏振調制的徑向偏振光束可以產生帶有軸向電場分量，橫向高度壓縮的實心聚焦光鑷。角向偏振光束聚焦可以在焦平面中心產生環形光鑷。但是到目前為止，要么產生聚焦實心可移動光鑷，要么聚焦產生不可任意移動的空心環形光鑷。未見有研究報道在物鏡視場范圍可以任意移動位置,尺寸可以根據需要進行調節的空心環形光鑷。由于空心環形光鑷可以用于捕獲折射率較低,尺寸在幾百納米到幾十微米范圍的物質微粒，例如細胞。而可以任意移動的空心環形光鑷則可以對細胞進行搬運，分選，手術，融合，診斷和測試。

發明內容

針對上述技術問題，本發明提出一種利用反射型純相位空間光調制器和4F傅里葉變換成像系統對入射聚焦物鏡的準直激光進行純相位調制，并不斷動態更新加載在空間光調制器上的純相位調制圖從而在物鏡焦平面產生按事先設計的路徑近似連續移動的空心環形光鑷。而且該環形光鑷的尺寸可以精確設計,以滿足捕獲和移動不同尺寸微粒的需要。

為實現上述目的，本發明是根據以下技術方案實現的：

一種在顯微物鏡視場內任意移動細胞的環形光鑷，其特征在于，包括：激光器、擴束準直系統、線偏振器、第一反射鏡、第一計算機、純相位空間光調制器、4F傅里葉變換成像系統、分束鏡、倒置物鏡、載物臺、樣品池、正置物鏡、LED樣品照明光源、第二反射鏡、濾色鏡、成像透鏡、CCD電荷耦合成像器件、第二計算機，所述擴束準直系統包括物鏡、小孔和透鏡；

其中，將激光器發出的激光首先進行擴束準直使之成為平行光束，再通過一個線偏振器獲得線偏振平行光束，偏振方向與純相位空間光調制器的液晶面長邊平行；使線偏振平行光束通過第一反射鏡斜入射純相位空間光調制器以獲得相位調制光束，純相位空間光調制器的相位由第一計算機通過數據線加載；

相位調制光束由4F傅里葉變換成像系統和分束鏡成像在倒置物鏡的后孔徑平面；倒置物鏡將光束聚焦成可以改變位置的空心環形光斑,空心環形光斑透過蓋玻片入射在位于載物臺下表面的樣品池內；樣品池由LED樣品照明光源和正置物鏡聚焦的光束照明；照明后的樣品池透過倒置物鏡、分束器、第二反射鏡、濾色鏡和聚焦透鏡成像在電荷耦合成像器件以及與之連接的第二計算機上；

通過樣品臺水平掃描使空心環形光斑能夠捕獲樣品池內懸浮的某個細胞；動態更新加載在第一計算機和純相位空間光調制器的相位調制圖，使空心環形光斑在焦平面內沿事先設計的路徑移動，從而帶動捕獲的細胞移動。

上述技術方案中，所述樣品池由雙面透明膠粘在載玻片上的四周的結構構成，樣品池中的樣品由溶解在蒸餾水的細胞組成，并使用微升移液器把樣品加注入樣品池并由蓋玻片密封完成。

上述技術方案中，被捕獲的細胞沿任意事先設計的路徑移動。

本發明的一種利用在顯微物鏡視場內任意移動細胞的環形光鑷的實現方法，其特征在于，包括以下步驟：