CN110283697A - 分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针及方法，分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针，是将一多模光纤经熔融拉锥法制备而成的锥形光纤探针，将多模光纤末端部位的塑料涂覆层剥去，然后将其末端穿过玻璃毛细管并将光纤末端外露，将光纤末端平行放置于酒精灯上方的外焰处，静置待光纤熔融后，将熔融部分以匀速拉制成光纤锥形尖头后形成。分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针的输入端连接光纤激光器，其光纤尖端伸入需要对细胞和颗粒进行分离、运输的混合溶液中，打开光纤激光器，给分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针通入20~80毫瓦的激光，进行细胞和颗粒的分离、运输。无需使用额外的生物标签、复杂的微流体器件和外部系统。

Description

分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针及方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针及方法。

背景技术

细胞的分离和运输在许多生物学和生物医学应用中都是至关重要的，目前的细胞分离技术有荧光细胞分离（FACS）、磁化细胞分离（MACS）等。但是它们都需要使用额外的生物标签来识别不同的细胞，其分离技术也比较复杂。

介电电泳、声光电泳和磁光电泳都是无标记、高效的细胞分离方法，已被证实可以用来操控和分离细胞，但是这些方法需要复杂的微流体器件和外部系统来辅导，使得分离和运输细胞操作复杂、实施难度大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针，以解决荧光细胞分离、磁化细胞分离等细胞分离及运输方法需要使用额外的生物标签来识别不同细胞的问题。

本发明的另一目的在于提供一种分离、运输细胞和颗粒的方法，以解决现有无标记细胞分离和运输方法因需要复杂的微流体器件和外部系统来辅导造成分离和运输细胞操作复杂、实施难度大的问题。

本发明所采用的技术方案是，分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针，是将一多模光纤经熔融拉锥法制备而成的锥形光纤探针。

进一步的，所述锥形光纤探针，是将多模光纤末端部位的塑料涂覆层剥去，然后将其末端穿过玻璃毛细管，并将光纤末端外露，然后把裸露在玻璃毛细管外的光纤末端平行放置于酒精灯上方的外焰处，静置待光纤熔融后，将熔融部分以匀速拉制成光纤锥形尖头后形成。

进一步的，所述光纤锥形尖头分为三部分：第一部分是最末端的光纤尖端，第二部分是距离光纤尖端15.0微米的近光纤端面，第三部分是距离光纤尖端50.0微米的远光纤端面。

进一步的，所述光纤尖端的直径为1~2微米，所述近光纤端面的直径为10~15微米，所述远光纤端面的直径为20~25微米；

从所述远光纤端面开始，光纤的直径开始缓慢变小，由20~25微米减小到1~2微米。

进一步的，所述多模光纤采用FC/PC光纤接头，芯径为62.5微米，包层直径为125微米；

所述光纤锥形尖头的锥角为60~90°；

所述熔融部分拉制成光纤锥形尖头的速度为5~10 mm/s；

所述玻璃毛细管的内径为125~150微米，壁厚为0.1~1.0毫米，长度为10~20厘米。

本发明所采用的另一技术方案是，分离、运输细胞和颗粒的方法，采用分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针，具体步骤如下：

步骤S1、构建基于分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针的分离、运输系统；

步骤S2、取得需要对细胞和颗粒进行分离、运输的混合溶液；

步骤S3、利用构建的基于分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针的分离、运输系统，对混合溶液进行细胞和颗粒的分离、运输。

进一步的，所述基于分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针的分离、运输系统包括分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针，分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针的输入端连接光纤激光器，分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针的光纤尖端伸入需要对细胞和颗粒进行分离、运输的混合溶液中。

进一步的，所述步骤S3是打开光纤激光器，给分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针通入20~80毫瓦的激光，使光纤尖端被汇聚成聚焦性更强的光束，在此光束作用下，细胞和颗粒被分离形成颗粒链和细胞链，并分别被捕获在光纤尖端的前方的不同位置，并通过控制20~80毫瓦的激光的通入时间，控制细胞和颗粒的运输距离，实现细胞和颗粒的可控运输。

进一步的，所述光纤激光器产生的激光波长为980纳米。

进一步的，所述需要对细胞和颗粒进行分离、运输的混合溶液滴在载物台上的载玻片上，载物台上方设有带物镜的显微镜，物镜经显微数码摄像系统与计算机连接；所述分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针下方支撑有光纤调节架；

所述显微镜型号为HISOMET-DHⅡ，其放大倍数为40~100倍、数值孔径NA为0.25~0.73、工作距离为1.0~3.0毫米；

所述显微数码摄像系统的型号为DXC-S500；

所述光纤调节架为三维移动光纤调节架。

本发明的有益效果是，利用锥形光纤探针来捕获和运输细胞和颗粒，其光纤锥形尖头对激光进行高度汇聚，使用生物吸收较弱的对生物细胞损伤小的980纳米的激光；利用光纤锥形尖头可以汇聚光束的特点，可以多方向同时捕获、运输细胞和颗粒；能够运输非荧光标记的细胞和颗粒，不再需要额外的生物标记来识别细胞，也不需要复杂的微流体器件和外部系统来辅导，实施装置的核心部件为一根锥形光纤探针，体积小，组成简单，有效解决了荧光细胞分离、磁化细胞分离等细胞分离及运输方法需要使用额外的生物标签来识别不同细胞的问题，和现有无标记细胞分离和运输方法因需要复杂的微流体器件和外部系统来辅导造成分离和运输细胞操作复杂、实施难度大的问题。

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他的附图。

图1是基于微型光纤探针的细胞和颗粒分离及运输的实验装置示意图。

图2（a）是基于微型光纤探针的细胞和颗粒分离及运输的实验结果图。

图2（b）是通入不同的功率的激光时不同尺寸的细胞和颗粒的最大前进速度统计图。

图3是在不同时间段内基于微型光纤探针的细胞和颗粒的分离及运输实验结果图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

基于微型光纤的细胞和颗粒的分离及运输系统，如图1的A所示，包括显微镜，显微镜下方的载物台上放置着滴有实验溶液的载玻片，所述载物台旁边为光纤调节架，光纤调节架上放置有锥形光纤探针，所述锥形光纤探针的锥形尖头伸入含有生物样品的实验溶液中，锥形光纤探针的输入端连接光纤激光器。所述显微镜型号为HISOMETⅡ-DHⅡ，其放大倍数为40~100倍，数值孔径NA为0.25~0.73，工作距离为1.0~3.0毫米，显微镜下方连接有用于观察实验现象的物镜。显微镜顶部设置有型号为DXC-S500的显微数码摄像系统，用于接收物镜采集的画面信号并传输给计算机。光纤调节架的移动精度为50~60纳米，载物台可以进行三维移动。光纤激光器产生波长为980纳米的激光，光纤激光器出射端口连接锥形光纤探针的入射端，用于传输聚焦光束。含有生物样品的实验溶液中含有用来分离和运输的球藻细胞、PS颗粒和PMMA颗粒。

锥形光纤探针是由一根标准的多模光纤经熔融拉锥法制备而成，多模光纤采用FC/PC光纤接头，芯径为62.5微米、包层直径为125微米。

具体制备方法如下：将光纤末端部位的一段2厘米的用于保护光纤的塑料涂覆层剥去，然后将末端穿过玻璃毛细管，并将光纤末端外露，毛细管的内径为125~150微米，与拉制前的光纤直径相匹配，毛细管的壁厚为0.1~1.0 毫米，长度为10~20 厘米。然后把裸露在玻璃毛细管外的光纤末端平行放置于酒精灯上方的外焰处，静置约1.5分钟左右待光纤熔融后，借助双手以5~10 mm/s的速度将熔融的部分拉制成光纤锥形尖头，形成锥形光纤探针，如图1B所示。光纤锥形尖头分为三部分：第一部分是最末端的光纤尖端，其直径为1~2微米，第二部分是距离光纤尖端15.0 微米的近光纤端面，其直径为10~15微米；第三部分是距离光纤尖端50.0 微米的远光纤端面，其直径为20~25微米。从远光纤端面处开始，光纤的直径开始缓慢变小，由20~25微米减小到1~2微米。

除了可以拉制出如图1中B所示的光纤锥形尖头以外，还可以通过控制光纤的速度、光纤距离外焰的距离等来拉制出不同尺寸的光纤。从原理上来说，拉制的速度越慢，光纤距离外焰的距离越近，光纤受到的温度越高，融化速度越快，光纤锥形尖头的锥角会越大。锥角越大的光纤探针聚焦光的能力越强，因此能产生更大的光力，实验中使用的光纤锥形尖头的锥角为60~90°。

基于微型光纤的细胞和颗粒的分离及运输的方法，具体步骤如下：

步骤一：制备用于进行细胞和颗粒的捕获、分离及运输的锥形光纤探针；

步骤二：取得实验溶液；

将细胞溶液和颗粒溶液混合在一起，在未给锥形光纤探针通激光时，细胞和颗粒在溶液中杂乱无序的排布，模拟的是一个相近尺寸的细胞和颗粒混乱的生物组织液环境。

步骤三：利用组装好的锥形光纤进行细胞和颗粒的分离及运输。

用滴管取1~2ml步骤二的实验溶液滴在载物台上方的载玻片中央，将步骤一中制备好的微型光纤探针固定在光纤调节架上。

把锥形光纤探针的输入端与产生激光的波长为980纳米的光纤激光器相连接，980纳米的激光被生物细胞吸收的最少，对生物细胞造成的光损伤最小，将玻璃毛细管固定放置在光纤调节架上，调整锥形光纤末端伸出毛细管的长度，以便光纤移动；

将伸出于固定在光纤调节架上的毛细玻璃管外的光纤锥形尖头伸入载玻片上的实验溶液中，调节显微镜的物镜调焦，直到可以观察到光纤锥形尖头与大量的细胞和颗粒混合物在一个焦面上，便于细胞和颗粒的分离与运输，如图2（a）中A所示；

将光纤激光器电源打开，往锥形光纤探针中通入20~80毫瓦的激光，当功能率低于20毫瓦时，所产生的光力较小，无法捕捉和分离细胞和颗粒，即产生的光力不足以分离细胞，当功率大于80毫瓦时，对细胞会造成热损伤。在激光到达锥形光纤探针的光纤尖端时，出射的高斯光束产生聚焦光束，颗粒和细胞在溶液中会受到光梯度力和光散射力的作用，通过移动载物台和光纤调节架使得溶液中的细胞和颗粒能够被聚焦光束捕获，然后细胞和颗粒由于受到不同大小的光力被分离开来，从而达到分离的效果，如图2（a）中B所示。

目标捕获细胞是3微米、4微米和5微米的球藻细胞，目标捕获颗粒是5微米的PMMA颗粒。

如图2（a）中C所示，把3微米的球藻细胞、5微米的球藻细胞和5微米的PMMA颗粒混合在一起后，在未给锥形光纤探针通激光时，细胞和颗粒在溶液中杂乱无序的排布，模拟的是一个不同尺寸细胞和颗粒混乱的生物组织液环境。如图2（a）中D所示，当给锥形光纤探针通入20~80毫瓦的激光后，激光在锥形光纤探针的光纤尖端被汇聚成聚焦性更强的光束。在此光束的作用下，原来混合在一起的3微米的细胞、5微米的细胞和5微米的PMMA颗粒被捕获，并且分别被捕获在距离锥形光纤探针的光纤尖端的前方不同位置，排列成三串链结构。5微米的细胞被捕获在距离锥形光纤末端25.8微米的距离，其组成细胞链的细胞个数为3个；3微米的细胞被捕获在距离5微米细胞组成的细胞链23.3微米的位置，其组成细胞链的细胞个数为7个；5微米的PMMA颗粒被捕获在距离3微米细胞组成的细胞链52.1微米的位置，其组成细胞链的细胞个数为5个。

如图2（a）中E所示，把4微米的球藻细胞和5微米的PMMA颗粒混合在一起后，在未给锥形光纤探针通激光时，细胞和颗粒在溶液中杂乱无序的排布，模拟的是一个相近尺寸的细胞和颗粒混乱的生物组织液环境。如图2（a）中F所示，当给锥形光纤探针通入20~80毫瓦的激光后，激光在锥形光纤探针的光纤尖端被汇聚成聚焦性更强的光束。在此光束的作用下，原来混合在一起的4微米的细胞和5微米的PMMA颗粒被捕获，并且分别被捕获在锥形光纤探针的光纤尖端前的不同位置，排列成两串链结构。4微米的细胞被捕获在距离锥形光纤末端63.1微米的距离，其组成细胞链的细胞个数为8个；5微米的PMMA颗粒被捕获在距离4微米细胞组成的细胞链19.7微米的位置，其组成细胞链的细胞个数为6个。实现了细胞和颗粒分离、不同尺寸细胞分离，不需要用生物分子标记。

如图2（b）所示，通入不同的功率的激光，不同尺寸的细胞和不同尺寸的颗粒被捕获成链后都具有不同的向前移动的速度，由于具有不同的最大迁移速度，所以可以实现不同尺寸的颗粒和不同尺寸的细胞的分离，这也是本发明实现细胞和颗粒分离的原理。

目标运输细胞是3微米、4微米和5微米的小球藻细胞，目标运输颗粒是5微米的PMMA颗粒。

如图3的 A1~A3所示，A1中，4微米的球藻细胞和5微米的PMMA颗粒被聚焦光束捕获在距离锥形光纤末端不同的位置，排列成两串链。以4微米细胞组成的细胞链的靠近锥形光纤末端最近的第一个细胞所在的y平面为基线，在溶液中找到一个被固定在载玻片上且与聚焦光束相隔较远的PMMA颗粒，做参考物R1，设激光持续通入的时间为t1。t1为0秒时，R1与基线的距离为131.7微米， 随着激光的不断通入，被捕获的细胞链和颗粒链向前移动；t1为2秒时，R1与基线的距离为82.2微米，所以可以得到，在2秒内，两串链向前移动了49.5微米；t1为5秒时，R1与基线的距离为21.6微米，所以可以得到，在5秒内，两串链向前移动了100.1微米。实现了细胞和颗粒的可控运输，可控精度在0.1微米，不需要微流体器件就可以完成。

如图3 的B1~B3所示，3微米的球藻细胞、4微米的球藻细胞和5微米的PMMA颗粒被聚焦光束捕获在距离锥形光纤末端不同的位置，排列成三串链。以4微米细胞组成的细胞链的靠近锥形光纤末端最近的第一个细胞所在的y平面为基线，在溶液中找到一个被固定在载玻片上且与聚焦光束相隔较远的PMMA颗粒，做参考物R2，设激光持续通入的时间为t2。t2为0秒时，R2与基线的距离为78.1微米， 随着激光的不断通入，被捕获的细胞链和颗粒链向前移动；t2为3秒时，R2与基线的距离为30.0微米，所以可以得到，在3秒内，三串链向前移动了48.1微米；t2为8秒时，R2与基线的距离为-22.2微米，所以可以得到，在8秒内，三串链向前移动了100.3微米。实现了不同尺寸的细胞和颗粒的可控运输。

如图3C所示，图为锥形光纤推着颗粒链向着正x方向运动时，颗粒链沿着x方向的位移和运动速度随时间t1变化而变化的关系。横坐标为时间t1，左边纵坐标为颗粒沿着x方向的位移ΔX，右边纵坐标为颗粒沿着x方向的运动速度V_X，可以看到，随着时间t1从0到8的过程中，颗粒沿着x方向的位移ΔX是呈增大的趋势，而颗粒沿着x方向的运动速度V_X的变化是先增大，再减小，再增大，最后减小，其变化的原因可能是因为一开始受到的光力比粘滞力大，颗粒沿着正x方向的速度增大，然后由于颗粒与颗粒之间的碰撞，速度减小，增大，最后颗粒组成的链往前运输，受到的光力变得比颗粒链在溶液中受到的粘滞力小，获得相反的力，沿着正x方向的速度越来越小。

如图3D所示，图为锥形光纤推着颗粒链向着正y方向运动时，颗粒链沿着y方向的位移和运动速度随时间t2变化而变化的关系。横坐标为时间t2，左边纵坐标为颗粒沿着y方向的位移ΔY，右边纵坐标为颗粒沿着y方向的运动速度V_Y，可以看到，随着时间t2从0到8的过程中，颗粒沿着y方向的位移ΔY是呈增大的趋势，而颗粒沿着y方向的运动速度V_Y的变化是先增大，减小，再增大，减小，波浪式的变化。其变化的原因可能是因为一开始受到的光力比粘滞力大，颗粒沿着正y方向的速度增大，然后由于颗粒与颗粒之间的碰撞，速度减小，增大，最后颗粒组成的链往前运输，受到的光力变得比颗粒链在溶液中受到的粘滞力小，获得相反的力，沿着正x方向的速度越来越小。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针，其特征在于，是将一多模光纤经熔融拉锥法制备而成的锥形光纤探针。

2.根据权利要求1所述的分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针，其特征在于，所述锥形光纤探针，是将多模光纤末端部位的塑料涂覆层剥去，然后将其末端穿过玻璃毛细管，并将光纤末端外露，然后把裸露在玻璃毛细管外的光纤末端平行放置于酒精灯上方的外焰处，静置待光纤熔融后，将熔融部分以匀速拉制成光纤锥形尖头后形成。

3.根据权利要求2所述的分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针，其特征在于，所述光纤锥形尖头分为三部分：第一部分是最末端的光纤尖端，第二部分是距离光纤尖端15.0微米的近光纤端面，第三部分是距离光纤尖端50.0微米的远光纤端面。

4.根据权利要求3所述的分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针，其特征在于，所述光纤尖端的直径为1~2微米，所述近光纤端面的直径为10~15微米，所述远光纤端面的直径为20~25微米；

从所述远光纤端面开始，光纤的直径开始缓慢变小，由20~25微米减小到1~2微米。

5.根据权利要求2~4任一项所述的分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针，其特征在于，所述多模光纤采用FC/PC光纤接头，芯径为62.5微米，包层直径为125微米；

所述光纤锥形尖头的锥角为60~90°；

所述熔融部分拉制成光纤锥形尖头的速度为5~10 mm/s；

所述玻璃毛细管的内径为125~150微米，壁厚为0.1~1.0毫米，长度为10~20厘米。

6.分离、运输细胞和颗粒的方法，其特征在于，采用分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针，具体步骤如下：

步骤S1、构建基于分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针的分离、运输系统；

步骤S2、取得需要对细胞和颗粒进行分离、运输的混合溶液；

步骤S3、利用构建的基于分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针的分离、运输系统，对混合溶液进行细胞和颗粒的分离、运输。

7.根据权利要求6所述的分离、运输细胞和颗粒的方法，其特征在于，所述基于分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针的分离、运输系统包括分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针，分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针的输入端连接光纤激光器，分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针的光纤尖端伸入需要对细胞和颗粒进行分离、运输的混合溶液中。

8.根据权利要求7所述的分离、运输细胞和颗粒的方法，其特征在于，所述步骤S3是打开光纤激光器，给分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针通入20~80毫瓦的激光，使光纤尖端被汇聚成聚焦性更强的光束，在此光束作用下，细胞和颗粒被分离形成颗粒链和细胞链，并分别被捕获在光纤尖端的前方的不同位置，并通过控制20~80毫瓦的激光的通入时间，控制细胞和颗粒的运输距离，实现细胞和颗粒的可控运输。

9.根据权利要求7或8所述的分离、运输细胞和颗粒的方法，其特征在于，所述光纤激光器产生的激光波长为980纳米。

10.根据权利要求7或8所述的分离、运输细胞和颗粒的方法，其特征在于，所述需要对细胞和颗粒进行分离、运输的混合溶液滴在载物台上的载玻片上，载物台上方设有带物镜的显微镜，物镜经显微数码摄像系统与计算机连接；所述分离、运输细胞和颗粒的微型光纤探针下方支撑有光纤调节架；

所述显微镜型号为HISOMET-DHⅡ，其放大倍数为40~100倍、数值孔径NA为0.25~0.73、工作距离为1.0~3.0毫米；

所述显微数码摄像系统的型号为DXC-S500；

所述光纤调节架为三维移动光纤调节架。