CN107422468A - 一种在物镜视场内任意移动细胞的环形光镊及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在显微物镜视场内任意移动细胞的环形光镊以及实现方法，通过第一计算机上加载事先利用傅里叶变换相移定理分区调制的相位图到空间光调制器，将相位调制后的线偏振光通过4F成像系统成像到聚焦物镜的后孔径平面；物镜对相位调制的入射线偏振激光光束聚焦，在焦平面区域产生直径从几百纳米到几微米，可以精确调节的环形光斑。当空间光调制器连续加载多幅不同的相位调制图时，每幅对应的环形光斑位置移动变化很小，使得环形光斑产生近似连续的移动。当位于物镜焦平面的载物台上放置细胞样品池时，本发明可以实现环形激光光斑捕获不同尺寸的低折射率微粒，例如细胞，并按事先设计的任意路径移动细胞。
Description
技术领域
本发明涉及到一种光镊技术,尤其涉及到一种在显微物镜视场内任意移动细胞的环形光镊及实现方法。
背景技术
美国科学家Ashkin早在1986年的实验中成功地利用一束紧聚焦的激光实现了对生物粒子的捕获和非接触性、无损伤的操作，这种被形象的称为光镊的技术已经从早期简单的操控发展为可用于标定光阱中粒子的受力和纳米尺度的位移等的应用技术。光镊的出现，为人们研究微小粒子的行为提供了实时和强有力的手段，而且在研究方法上从被动的观察转为主动的操控，为生命科学,材料科学，物理学和化学等众多学科领域带来了革命性的创新。
经过三十多年的发展,光镊技术取得了许多重要进展。早期的光镊技术只能产生一个光阱,操纵功能非常有限，而且被捕获微粒相对于周围介质的移动只能通过整体移动样品池或载物台。因此,从单光阱捕获向多光阱捕获并且发展动态移动光镊是光镊技术发展的必然趋势。将多个激光器输出的光束耦合到同一个聚焦物镜是产生多光阱的最直接方法,但是这种方法产生的光阱数目有限,且装置复杂。通过衍射光学元件或空间光调制器，调制光束相位来产生特定目标光场的全息光镊技术可产生大阵列光阱,而且具有实时、动态、三维空间独立控制多微粒等优点。1998年Dufresne等利用一个固定衍射元件产生了大阵列光阱分布,标志着全息光镊技术的诞生。2002年,他们利用液晶空间光调制器(SLM)调制入射光场的相位产生二维或三维光阱阵列,实现了实时、动态，独立操控多个微粒的功能。从此，各国科学家们开展了基于激光束振幅调制，相位调制和偏振态调制的空间光场调制全息光镊技术研究，提出了各种各样的光阱产生方法和微粒操控手段。例如经过相位调制的带有轨道角动量的涡旋光束聚焦产生可旋转微粒的环形光镊。经过偏振调制的径向偏振光束可以产生带有轴向电场分量，横向高度压缩的实心聚焦光镊。角向偏振光束聚焦可以在焦平面中心产生环形光镊。但是到目前为止，要么产生聚焦实心可移动光镊，要么聚焦产生不可任意移动的空心环形光镊。未见有研究报道在物镜视场范围可以任意移动位置,尺寸可以根据需要进行调节的空心环形光镊。由于空心环形光镊可以用于捕获折射率较低,尺寸在几百纳米到几十微米范围的物质微粒，例如细胞。而可以任意移动的空心环形光镊则可以对细胞进行搬运，分选，手术，融合，诊断和测试。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出一种利用反射型纯相位空间光调制器和4F傅里叶变换成像系统对入射聚焦物镜的准直激光进行纯相位调制，并不断动态更新加载在空间光调制器上的纯相位调制图从而在物镜焦平面产生按事先设计的路径近似连续移动的空心环形光镊。而且该环形光镊的尺寸可以精确设计,以满足捕获和移动不同尺寸微粒的需要。
为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：
一种在显微物镜视场内任意移动细胞的环形光镊，其特征在于，包括：激光器、扩束准直系统、线偏振器、第一反射镜、第一计算机、纯相位空间光调制器、4F傅里叶变换成像系统、分束镜、倒置物镜、载物台、样品池、正置物镜、LED样品照明光源、第二反射镜、滤色镜、成像透镜、CCD电荷耦合成像器件、第二计算机，所述扩束准直系统包括物镜、小孔和透镜；
其中，将激光器发出的激光首先进行扩束准直使之成为平行光束，再通过一个线偏振器获得线偏振平行光束，偏振方向与纯相位空间光调制器的液晶面长边平行；使线偏振平行光束通过第一反射镜斜入射纯相位空间光调制器以获得相位调制光束，纯相位空间光调制器的相位由第一计算机通过数据线加载；
相位调制光束由4F傅里叶变换成像系统和分束镜成像在倒置物镜的后孔径平面；倒置物镜将光束聚焦成可以改变位置的空心环形光斑,空心环形光斑透过盖玻片入射在位于载物台下表面的样品池内；样品池由LED样品照明光源和正置物镜聚焦的光束照明；照明后的样品池透过倒置物镜、分束器、第二反射镜、滤色镜和聚焦透镜成像在电荷耦合成像器件以及与之连接的第二计算机上；
通过样品台水平扫描使空心环形光斑能够捕获样品池内悬浮的某个细胞；动态更新加载在第一计算机和纯相位空间光调制器的相位调制图，使空心环形光斑在焦平面内沿事先设计的路径移动，从而带动捕获的细胞移动。
上述技术方案中，所述样品池由双面透明胶粘在载玻片上的四周的结构构成，样品池中的样品由溶解在蒸馏水的细胞组成，并使用微升移液器把样品加注入样品池并由盖玻片密封完成。
上述技术方案中，被捕获的细胞沿任意事先设计的路径移动。
本发明的一种利用在显微物镜视场内任意移动细胞的环形光镊的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将激光器发出的激光首先进行扩束准直使之成为平行光束，再通过一个线偏振器获得线偏振平行光束，偏振方向与纯相位空间光调制器的液晶面长边平行；
步骤S2：使线偏振平行光束通过第一反射镜斜入射纯相位空间光调制器以获得相位调制光束，纯相位空间光调制器的相位由第一计算机通过数据线加载；
步骤S3：相位调制光束由4F傅里叶变换成像系统和分束镜成像在倒置物镜的后孔径平面；
步骤S4：倒置物镜将光束聚焦成可以改变位置的空心环形光斑,空心环形光斑透过盖玻片入射在位于载物台下表面的样品池内；
步骤S5：样品池由LED样品照明光源和正置物镜聚焦的光束照明；
步骤S6：照明后的样品池透过倒置物镜、分束器、第二反射镜、滤色镜和聚焦透镜成像在电荷耦合成像器件以及与之连接的第二计算机上；
步骤S7：通过样品台水平扫描使空心环形光斑能够捕获样品池内悬浮的某个细胞；
步骤S8：动态更新加载在第一计算机和纯相位空间光调制器的相位调制图，使空心环形光斑在焦平面内沿事先设计的路径移动，从而带动捕获的细胞移动。
上述技术方案中，所述步骤S2的激光光束相位调制包括以下步骤：
步骤201:将物镜的圆形后孔径平面均分为M个面积相同的扇形。其中每个扇形区域的顶点为入射后孔径平面的中心，扇形的半径为物镜后孔径平面的半径R，每个扇形的圆心角为其中M为偶数；
步骤202:确定横向多焦点数目N，再将步骤201划分的每个扇形区域进一步分为N个面积相等的子扇形区域,其中每个子扇形区域的顶点还是后孔径平面的中心，每个子扇形区域的半径为圆形后孔径平面的半径R，且每个子扇形区域对应的圆心角为Δδ＝2π/(MN)；
步骤203:将M×N个子扇形区域进行以下相位调制，第m个扇形区域的第n个子扇形区域的相位调制值在坐标x0,y0点的相位ψmn(x0,y0)为：
其中m为小于等于M的正整数，其中N.A.为物镜的数值孔径，λ为波长，nt为焦点区域的折射率，x0,y0为后孔径平面上的直角坐标，Δxn和Δyn分别由下两式得到：
其中，xc,yc为圆心在x0,y0直角坐标系中的坐标值，r为圆周的半径。将ψmn(x0,y0)绘制成代表0到2π的灰度图；
步骤204：将绘制的灰度图加载到反射型纯相位空间光调制器的反射面上。
上述技术方案中，所述步骤202中的横向多焦点数目N在一定范围调节，每个焦点等间距分布在一个圆周上，当半径缩小时，相邻焦点之间间距缩小，直到连接在一起，形成一个环形光斑。
上述技术方案中，所述步骤202的横向多焦点是位于圆周上的等间距焦点，并连接成一个平滑的圆周环后，进一步缩小半径，以获得不同半径的圆对称聚焦环形光斑。
上述技术方案中，所述环形光斑的圆心通过改变xc,yc的数值而改变，环形光斑的位置任意移动。
上述技术方案中，所述环形光斑上每一个点的偏振方向与入射到物镜的激光光束线偏振方向一致。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明的光镊以及实现方法适宜于捕获和任意移动折射率较低，尺寸在几百纳米到几十微米数量级的微粒，如细胞等。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为显微物镜视场内任意移动细胞的环形光镊装置示意图；
图2为一个加载在纯相位空间光调制器的相位调制图；
其中，附图标记：1-激光器；2-扩束准直系统；3-线偏振器；4-第一反射镜；5-第一计算机；6-纯相位空间光调制器；7-4F傅里叶变换成像系统；8-分束镜；9-倒置物镜；10-载物台和样品池；11-正置物镜；12-LED样品照明光源；13-第二反射镜；14-滤色镜；15-成像透镜；16-CCD电荷耦合成像器件；17-第二计算机。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
图1为显微物镜视场内任意移动细胞的环形光镊装置示意图；如图1所示，本发明的一种在显微物镜视场内任意移动细胞的环形光镊，其特征在于，包括：激光器、扩束准直系统、线偏振器、第一反射镜、第一计算机、纯相位空间光调制器、4F傅里叶变换成像系统、分束镜、倒置物镜、载物台、样品池、正置物镜、LED样品照明光源、第二反射镜、滤色镜、成像透镜、CCD电荷耦合成像器件、第二计算机，所述扩束准直系统包括物镜、小孔和透镜；
其中，将激光器发出的激光首先进行扩束准直使之成为平行光束，再通过一个线偏振器获得线偏振平行光束，偏振方向与纯相位空间光调制器的液晶面长边平行；使线偏振平行光束通过第一反射镜斜入射纯相位空间光调制器以获得相位调制光束，纯相位空间光调制器的相位由第一计算机通过数据线加载；
相位调制光束由4F傅里叶变换成像系统和分束镜成像在倒置物镜的后孔径平面；倒置物镜将光束聚焦成可以改变位置的空心环形光斑,空心环形光斑透过盖玻片入射在位于载物台下表面的样品池内；样品池由LED样品照明光源和正置物镜聚焦的光束照明；照明后的样品池透过倒置物镜、分束器、第二反射镜、滤色镜和聚焦透镜成像在电荷耦合成像器件以及与之连接的第二计算机上；
通过样品台水平扫描使空心环形光斑能够捕获样品池内悬浮的某个细胞；动态更新加载在第一计算机和纯相位空间光调制器的相位调制图，使空心环形光斑在焦平面内沿事先设计的路径移动，从而带动捕获的细胞移动。
本发明的样品池由双面透明胶粘在载玻片上的四周的结构构成，样品池中的样品由溶解在蒸馏水的细胞组成，并使用微升移液器把样品加注入样品池并由盖玻片密封完成。被捕获的细胞沿任意事先设计的路径移动。
本发明的一种利用在显微物镜视场内任意移动细胞的环形光镊的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将激光器发出的激光首先进行扩束准直使之成为平行光束，再通过一个线偏振器获得线偏振平行光束，偏振方向与纯相位空间光调制器的液晶面长边平行；
步骤S2：使线偏振平行光束通过第一反射镜斜入射纯相位空间光调制器以获得相位调制光束，纯相位空间光调制器的相位由第一计算机通过数据线加载；
步骤S3：相位调制光束由4F傅里叶变换成像系统和分束镜成像在倒置物镜的后孔径平面；
步骤S4：倒置物镜将光束聚焦成可以改变位置的空心环形光斑,空心环形光斑透过盖玻片入射在位于载物台下表面的样品池内；
步骤S5：样品池由LED样品照明光源和正置物镜聚焦的光束照明；
步骤S6：照明后的样品池透过倒置物镜、分束器、第二反射镜、滤色镜和聚焦透镜成像在电荷耦合成像器件以及与之连接的第二计算机上；
步骤S7：通过样品台水平扫描使空心环形光斑能够捕获样品池内悬浮的某个细胞；
步骤S8：动态更新加载在第一计算机和纯相位空间光调制器的相位调制图，使空心环形光斑在焦平面内沿事先设计的路径移动，从而带动捕获的细胞移动。
步骤S2的激光光束相位调制包括以下步骤：
步骤201:将物镜的圆形后孔径平面均分为M个面积相同的扇形。其中每个扇形区域的顶点为入射后孔径平面的中心，扇形的半径为物镜后孔径平面的半径R，每个扇形的圆心角为其中M为偶数；
步骤202:确定横向多焦点数目N，再将步骤201划分的每个扇形区域进一步分为N个面积相等的子扇形区域,其中每个子扇形区域的顶点还是后孔径平面的中心，每个子扇形区域的半径为圆形后孔径平面的半径R，且每个子扇形区域对应的圆心角为Δδ＝2π/(MN)；
步骤203:将M×N个子扇形区域进行以下相位调制，第m个扇形区域的第n个子扇形区域的相位调制值在坐标x0,y0点的相位ψmn(x0,y0)为：
其中m为小于等于M的正整数，其中N.A.为物镜的数值孔径，λ为波长，nt为焦点区域的折射率，x0,y0为后孔径平面上的直角坐标，Δxn和Δyn分别由下两式得到：
其中，xc,yc为圆心在x0,y0直角坐标系中的坐标值，r为圆周的半径。将ψmn(x0,y0)绘制成代表0到2π的灰度图；
步骤204：将绘制的灰度图加载到反射型纯相位空间光调制器的反射面上。
步骤202中的横向多焦点数目N在一定范围调节，每个焦点等间距分布在一个圆周上，当半径缩小时，相邻焦点之间间距缩小，直到连接在一起，形成一个环形光斑。
步骤202的横向多焦点是位于圆周上的等间距焦点，并连接成一个平滑的圆周环后，进一步缩小半径，以获得不同半径的圆对称聚焦环形光斑。其中，环形光斑的圆心通过改变xc,yc的数值而改变，环形光斑的位置任意移动。环形光斑上每一个点的偏振方向与入射到物镜的激光光束线偏振方向一致。
图2为一个由所述方法并采用Matlab程序绘制的加载在纯相位空间光调制器的相位调制图。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (9)
1.一种在显微物镜视场内任意移动细胞的环形光镊，其特征在于，包括：激光器、扩束准直系统、线偏振器、第一反射镜、第一计算机、纯相位空间光调制器、4F傅里叶变换成像系统、分束镜、倒置物镜、载物台、样品池、正置物镜、LED样品照明光源、第二反射镜、滤色镜、成像透镜、CCD电荷耦合成像器件、第二计算机，所述扩束准直系统包括物镜、小孔和透镜；
其中，将激光器发出的激光首先进行扩束准直使之成为平行光束，再通过一个线偏振器获得线偏振平行光束，偏振方向与纯相位空间光调制器的液晶面长边平行；使线偏振平行光束通过第一反射镜斜入射纯相位空间光调制器以获得相位调制光束，纯相位空间光调制器的相位由第一计算机通过数据线加载；
相位调制光束由4F傅里叶变换成像系统和分束镜成像在倒置物镜的后孔径平面；倒置物镜将光束聚焦成可以改变位置的空心环形光斑，空心环形光斑透过盖玻片入射在位于载物台下表面的样品池内；样品池由LED样品照明光源和正置物镜聚焦的光束照明；照明后的样品池透过倒置物镜、分束器、第二反射镜、滤色镜和聚焦透镜成像在电荷耦合成像器件以及与之连接的第二计算机上；
通过样品台水平扫描使空心环形光斑能够捕获样品池内悬浮的某个细胞；动态更新加载在第一计算机和纯相位空间光调制器的相位调制图，使空心环形光斑在焦平面内沿事先设计的路径移动，从而带动捕获的细胞移动。
2.根据权利要求1所述的一种可在物镜视场内任意移动细胞的环形光镊，其特征在于，所述样品池由双面透明胶粘在载玻片上的四周的结构构成，样品池中的样品由溶解在蒸馏水的细胞组成，并使用微升移液器把样品加注入样品池并由盖玻片密封完成。
3.根据权利要求2所述的一种可在物镜视场内任意移动细胞的环形光镊，其特征在于，被捕获的细胞沿任意事先设计的路径移动。
4.一种利用在显微物镜视场内任意移动细胞的环形光镊的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将激光器发出的激光首先进行扩束准直使之成为平行光束，再通过一个线偏振器获得线偏振平行光束，偏振方向与纯相位空间光调制器的液晶面长边平行；
步骤S2：使线偏振平行光束通过第一反射镜斜入射纯相位空间光调制器以获得相位调制光束，纯相位空间光调制器的相位由第一计算机通过数据线加载；
步骤S3：相位调制光束由4F傅里叶变换成像系统和分束镜成像在倒置物镜的后孔径平面；
步骤S4：倒置物镜将光束聚焦成可以改变位置的空心环形光斑，空心环形光斑透过盖玻片入射在位于载物台下表面的样品池内；
步骤S5：样品池由LED样品照明光源和正置物镜聚焦的光束照明；
步骤S6：照明后的样品池透过倒置物镜、分束器、第二反射镜、滤色镜和聚焦透镜成像在电荷耦合成像器件以及与之连接的第二计算机上；
步骤S7：通过样品台水平扫描使空心环形光斑能够捕获样品池内悬浮的某个细胞；
步骤S8：动态更新加载在第一计算机和纯相位空间光调制器的相位调制图，使空心环形光斑在焦平面内沿事先设计的路径移动，从而带动捕获的细胞移动。
5.根据权利要求4所述的一种利用在显微物镜视场内任意移动细胞的环形光镊的实现方法，其特征在于，所述步骤S2的激光光束相位调制包括以下步骤：
步骤201：将物镜的圆形后孔径平面均分为M个面积相同的扇形。其中每个扇形区域的顶点为入射后孔径平面的中心，扇形的半径为物镜后孔径平面的半径R，每个扇形的圆心角为其中M为偶数；
步骤202：确定横向多焦点数目N，再将步骤201划分的每个扇形区域进一步分为N个面积相等的子扇形区域，其中每个子扇形区域的顶点还是后孔径平面的中心，每个子扇形区域的半径为圆形后孔径平面的半径R，且每个子扇形区域对应的圆心角为Δδ＝2π/(MN)；
步骤203：将M×N个子扇形区域进行以下相位调制，第m个扇形区域的第n个子扇形区域的相位调制值在坐标x0，y0点的相位ψmn(x0，y0)为：
<mrow>
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<mi>&Delta;y</mi>
<mi>n</mi>
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<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>,</mo>
</mrow>
其中m为小于等于M的正整数，其中N.A.为物镜的数值孔径，λ为波长，nt为焦点区域的折射率，x0，y0为后孔径平面上的直角坐标，Δxn和Δyn分别由下两式得到：
<mrow>
<msub>
<mi>&Delta;x</mi>
<mi>n</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>x</mi>
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<mi>c</mi>
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<mi>y</mi>
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<mfrac>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>n</mi>
<mi>&pi;</mi>
</mrow>
<mi>N</mi>
</mfrac>
</mrow>
其中，xc，yc为圆心在x0，y0直角坐标系中的坐标值，r为圆周的半径。将ψmn(x0，y0)绘制成代表0到2π的灰度图；
步骤204：将绘制的灰度图加载到反射型纯相位空间光调制器的反射面上。
6.根据权利要求5所述的一种利用在显微物镜视场内任意移动细胞的环形光镊的实现方法，其特征在于，所述步骤202中的横向多焦点数目N在一定范围调节，每个焦点等间距分布在一个圆周上，当半径缩小时，相邻焦点之间间距缩小，直到连接在一起，形成一个环形光斑。
7.根据权利要求5所述的一种利用在显微物镜视场内任意移动细胞的环形光镊的实现方法，其特征在于，所述步骤202的横向多焦点是位于圆周上的等间距焦点，并连接成一个平滑的圆周环后，进一步缩小半径，以获得不同半径的圆对称聚焦环形光斑。
8.根据权利要求6或7所述的一种利用在显微物镜视场内任意移动细胞的环形光镊的实现方法，其特征在于，所述环形光斑的圆心通过改变xc，yc的数值而改变，环形光斑的位置任意移动。
9.根据权利要求8所述的一种利用在显微物镜视场内任意移动细胞的环形光镊的实现方法，其特征在于，所述环形光斑上每一个点的偏振方向与入射到物镜的激光光束线偏振方向一致。
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