CN107037579A - 一种力载荷及位移联合反馈控制的光学镊子系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种力载荷及位移联合反馈控制的光学镊子系统，包括依次设置的激光准直单元、高倍聚焦物镜、位移载物台、光阱、光源、样品后激光信号采集单元以及反馈控制单元，所述位移载物平台上设置有透射孔，所述光阱设置在透射孔上方，所述光源设置在光阱上方，所述高倍聚焦物镜下方设置有用于观察物镜图像的CCD，所述样品后激光信号采集单元用于采集由激光准直单元发出依次经过高倍聚焦物镜、位移载物台及光阱产生的激光光斑，并传输到反馈控制单元，反馈控制单元根据光斑信息控制位移载物平台移动。

Description

一种力载荷及位移联合反馈控制的光学镊子系统

技术领域

本发明涉及光学分析机械领域，是一种力载荷及位移联合反馈控制的光学镊子系统。

背景技术

光学镊子系统可在近似于生理环境下无损地研究细胞及分子的力学特性及相互作用行为，因此在细胞、分子生物学、医学以及生物力学领域正发挥越来越重要的作用。然而随着相关研究的深入，对光镊系统的要求也越来越高。特别是对于细胞和分子的粘弹性、破坏断裂等非线性力学行为以及细胞与纳米颗粒、药物相互作用等过程的研究，需要载荷依照预定的函数随时间发生改变，即力载荷控制。由于样品在测试中会发生蠕变以及位移，而光镊施加的载荷又由样品与光阱中心的相对距离决定，因此对光镊进行力载荷控制往往比较困难。目前，人们对光镊的改进主要集中于光阱本身，如多光阱系统以及利用声光控制器对光阱位置进行调控。这些努力虽然很好地改善了样品操控及位移控制，但依然无法实现光镊的力载荷控制。一般而言，光镊对样品施加力载荷主要通过由聚苯乙烯、玻璃为材料的微球实现。对于小尺寸微球(直径小于1μm)，虽然可通过瑞利近似以及小球中心与光阱中心距离计算出光镊施加载荷大小。但是在溶液环境中小尺寸微球受布朗运动影响较大，信噪比较低，因此力载荷控制实用意义不大。而对于大尺寸微球，由于不符合瑞利近似，无法直接得出光镊施加载荷大小。因此往往无法实现力载荷控制。

综上所述，拓宽光镊设备的测试方法并开发一种可对大尺寸微球实现精确力载荷控制的光镊系统已十分必要。其可更有效且精确地研究细胞和分子的粘弹性、破坏断裂等非线性力学行为，以及细胞吞噬与纳米颗粒、药物相互作用等重要生物过程。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的一个目的是提供一种用于拓宽光镊设备的测试方法的力载荷及位移联合反馈控制的光学镊子系统。

上述目的通过以下技术方案实现：一种力载荷及位移联合反馈控制的光学镊子系统，包括依次设置的激光准直单元、高倍聚焦物镜、位移载物台、光阱、光源、样品后激光信号采集单元以及反馈控制单元，所述位移载物平台上设置有透射孔，所述光阱设置在透射孔上方，所述光源设置在光阱上方，所述高倍聚焦物镜下方设置有用于观察物镜图像的CCD，所述样品后激光信号采集单元用于采集由激光准直单元发出依次经过高倍聚焦物镜、位移载物台及光阱产生的激光光斑，并传输到反馈控制单元，反馈控制单元根据光斑信息控制位移载物平台移动。

进一步地，所述后激光信号采集单元包括第一合光镜、聚光镜以及四象限光电探测仪，所述聚光镜接收透过样品光束，并传向第一合光镜，由第一合光镜反射到四象限光电探测仪上，所述四象限光电探测仪与反馈控制单元连接，输出光斑数据。

进一步地，所述一合光镜和聚光镜设置在光源和光阱之间。

进一步地，所述光源光轴分别与透射孔、聚光镜、高倍聚焦物镜及CCD同轴设置。

进一步地，所述激光准直单元与高倍聚焦物镜之间成一夹角设置，激光准直单元与高倍聚焦物镜之间设置有第二合光镜。

进一步地，所述激光准直单元依次包括激光器、连续滤光片以及两组焦点互相重叠的凸透镜。

进一步地，所述位移载物平台包括纳米位移平台和机械样品台，所述纳米位移平台设置在机械样品台上并与反馈控制单元连接，所述透射孔设置在机械样品台上。

进一步地，所述机械样品台为双层透射结构，两层之间相对移动。

进一步地，所述纳米位移平台为双层透射结构，两层之间相对移动。

进一步地，所述纳米位移平台由压电陶瓷驱动，由电压信号控制，下层与机械载物样品台通过螺丝相连接并固定，其上层可在电压信号控制下由压电陶瓷驱动而与下层发生相对位移。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明所涉及的光镊系统可实时计算光阱对微球施加力载荷并进行闭环控制，从而实现以力载荷控制。因此其拓宽了光镊的测试方法，可更有效且精确地研究细胞和分子的粘弹性、破坏断裂等非线性力学行为。

除了力载荷控制外，本发明还可结合位移控制实现力载荷-位移联合控制。其可用于研究更为复杂的细胞吞噬及与纳米颗粒、药物相互作用等过程。

本发明对光阱施加力载荷的确定基于定标参数对照，不依赖于瑞利近似的计算，因此微球的尺寸对本光镊的控制没有影响。所以本光镊具有比现有技术更好的适用性，更有利于实验的设计与实现。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明反馈控制流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释发明，并不用于限定本发明。

参见图1，本发明基于单光阱光镊测试平台，一种力载荷及位移联合反馈控制的光学镊子系统，包括依次设置的激光准直单元、基础框架、高倍聚焦物镜7、位移载物台、样品后激光信号采集单元以及反馈控制单元8。

激光准直单元包括了激光器1、第一凸透镜4、第二凸透镜3以及连续滤光片2，其中所述激光器1为单TEM00模式连续激光器，激光波段及功率可根据样品特性选择，功率不小于75mW。激光器通过M6螺丝固定于光学隔振平台，激光光束平行于面包板平面。

第一凸透镜4、第二凸透镜3以及连续滤光2片均通过螺丝固定于光学隔振平台镜片垂直于激光光束摆放且光轴与激光器1的光轴重合。其中第一凸透镜4、第二凸透镜3的焦点重合，并将激光扩束准直为1cm左右直径。

所述基础框架由光源10、聚光器12、第二合光镜6、CCD5及其各部件之间相互连接、用于支撑各部件的连接结构(图中未标示)组成，其中该连接结构可以为用于固定各个部件在多个位置的框架。第二合光镜6反射激光而透过照明光，与准直单元导出的激光光束呈45度夹角放置并固定于基础框架上。高倍聚焦物镜7通过螺纹副固定于基础框架上，其光轴与第二合光镜6反射的激光重合，且其高度可根据需要调整。CCD5放置于基础框架底部，用于观测物镜图像。

位移载物台包括纳米位移平台14和机械样品台13，机械样品台13为透射式双层机械载物平台，其固定于高倍聚焦物镜7上方，双层透射结构的两层都有比较大的开口，而相对移动的行程远小于开口，因而移动过程中不会被遮挡。因为两个层不需要同轴，也不存在无法对准的情况。操作平面垂直于激光光轴，且激光可穿过机械样品台13上的透射孔(图中未有标示)。聚光器12通过齿轮导轨与连接结构连接，其高度可调，聚光器12的通光孔与透过高倍聚焦物镜7的激光光轴垂直且光轴与激光轴重合。

光源10优先使用卤素灯，光源10固定于基础框架顶部，其照明光颜色可通过内置滤色片调节。该光源10光轴分别与聚光器12、高倍聚焦物镜7、CCD5同轴。

所述纳米位移平台14为双层透射式，其下层与机械样品台13通过螺丝相连接并固定。其上层可在电压信号控制下由压电陶瓷驱动而与下层分别在X、Y两个面内方向发生相对位移。

进行测试时，首先将载玻片、细胞培养皿或显微培养皿等容器置于纳米位移平台14上层，并使其中一部分暴露于透光孔上。将含样品以及微球的溶液滴入容器。调整聚焦物镜，使物镜焦平面位于溶液内部。打开激光器，高倍聚焦物镜7焦点即为光阱15中心。当微球接近光阱15时由于梯度力的影响，小球将被光阱15捕获。通过控制纳米位移平台14移动，可使小球与溶液环境发生相对位移。

所述样品后激光信号采集单元以及反馈控制程序包括第一合光镜11、四象限光电探测仪9(以下简述为QPD)、NI数模转换器(图中未有标示)以及基于Labview的反馈控制单元8。第一合光镜11与透过样品的激光光轴呈45度夹角放置于聚光镜12上方。QPD固定于光学隔振平台上(图中未标示意)，所述光学隔振平台上设置有用于安装光学镊子系统的螺丝孔，并可充气用于防止仪器振动，并将光电探测芯片对准由第一合光镜1反射出的激光光斑。QPD将输出X、Y、SUM三组电压模拟信号，分别反映照射在QPD上激光在横向、纵向及总的光强。三组信号将通过数NI模转换器导入电脑及反馈控制单元8。反馈控制单元8可通过RJ45接口向纳米位移平台14输出两组信号x,y控制纳米位移平台的移动，从而实现闭环控制。

本发明最重要的优势在于力载荷控制的实现，参照图2，其具体实施方法如下：

a.获得光阱中心与微球中心距离S与QPD的X,Y信号关系。具体实施方法为，首先通过微吸管吸附或将小球固定于载玻片底部。向纳米位移平台14输x或y方向出三角波，同时记录QPD的X或Y读数V_x或V_y。此时V_x或V_y与S曲线将显示为震荡波。而当小球中心与光阱中心重合时，V_x或V_y应为零。而在S较小时，V_x或V_y与S为线性关系。该线性关系的有效区间为±S_max。通过拟合，得出比例系数R＝V_x(或V_y)/S。也就是说，通过标定，在小球中心与光阱中心相对距离绝对值小于S_max的范围内，可通过V直接算计算出S＝V/R。

b.标定光阱15刚度C，即S与光阱施加载荷大小F关系。根据研究，F可近似看成与S呈线性关系，即F＝CS。其中C可通过功率谱法标定。根据步骤a所得结果，可得F＝CV/R。

c.力载荷控制如图二，反馈程序首先读入QPD信号V，将其与输入的目标力载荷F*＝CV*/R中的目标信号值V*对比，可计算出调整量而后根据输入的增益系数G₁，G₂计算出纳米位移平台移动量根据该数值控制纳米位移平台移动，使光阱力载荷大小向目标力载荷靠近。由于先对位置发生改变，QPD在下时刻将输出一新数值。通过此闭环控制，光阱力载荷可被调整并保持与目标力载荷一致。力载荷接近目标力载荷速度由增益系数决定。

本发明还可实现位移控制。输入目标位移，并与累积的纳米位移平台移动量对比l^*-∑Δl即为位移调整量。

本发明可实现复杂过程加载。反馈控制程序包含函数发生附件，在反馈控制程序中将目标力载荷、位移按一定函数设为时间变量。程序可自动生成不同时刻的目标载荷值，按顺序输入程序即可使光镊按照预先设定的函数对微球及样品施加载荷。即为力载荷及位移联合控制。

Claims (10)

1.一种力载荷及位移联合反馈控制的光学镊子系统，其特征在于，包括依次设置的激光准直单元、高倍聚焦物镜、位移载物台、光阱、光源、样品后激光信号采集单元以及反馈控制单元，所述位移载物平台上设置有透射孔，所述光阱设置在透射孔上方，所述光源设置在光阱上方，所述高倍聚焦物镜下方设置有用于观察物镜图像的CCD，所述样品后激光信号采集单元用于采集由激光准直单元发出依次经过高倍聚焦物镜、位移载物台及光阱产生的激光光斑，并传输到反馈控制单元，反馈控制单元根据光斑信息控制位移载物平台移动。

2.根据权利要求1所述的力载荷及位移联合反馈控制的光学镊子系统，其特征在于，所述后激光信号采集单元包括第一合光镜、聚光镜以及四象限光电探测仪，所述聚光镜接收透过样品光束，并传向第一合光镜，由第一合光镜反射到四象限光电探测仪上，所述四象限光电探测仪与反馈控制单元连接，输出光斑数据。

3.根据权利要求2所述的力载荷及位移联合反馈控制的光学镊子系统，其特征在于，所述一合光镜和聚光镜设置在光源和光阱之间。

4.根据权利要求2所述的力载荷及位移联合反馈控制的光学镊子系统，其特征在于，所述光源光轴分别与透射孔、聚光镜、高倍聚焦物镜及CCD同轴设置。

5.根据权利要求1~3任一所述的力载荷及位移联合反馈控制的光学镊子系统，其特征在于，所述激光准直单元与高倍聚焦物镜之间成一夹角设置，激光准直单元与高倍聚焦物镜之间设置有第二合光镜。

6.根据权利要求5所述的力载荷及位移联合反馈控制的光学镊子系统，其特征在于，所述激光准直单元依次包括激光器、连续滤光片以及两组焦点互相重叠的凸透镜。

7.根据权利要求1~3任一所述的力载荷及位移联合反馈控制的光学镊子系统，其特征在于，所述位移载物平台包括纳米位移平台和机械样品台，所述纳米位移平台设置在机械样品台上并与反馈控制单元连接，所述透射孔设置在机械样品台上。

8.根据权利要求7所述的力载荷及位移联合反馈控制的光学镊子系统，其特征在于，所述机械样品台为双层透射结构，两层之间可相对移动。

9.根据权利要求7所述的力载荷及位移联合反馈控制的光学镊子系统，其特征在于，所述纳米位移平台为双层透射结构，两层之间可相对移动。

10.根据权利要求9所述的力载荷及位移联合反馈控制的光学镊子系统，其特征在于，所述纳米位移平台由压电陶瓷驱动，由电压信号控制，下层与机械载物样品台通过螺丝相连接并固定，其上层可在电压信号控制下由压电陶瓷驱动而与下层发生相对位移。