CN112711132B - 一种单细胞手术装置 - Google Patents
一种单细胞手术装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112711132B CN112711132B CN202110095717.9A CN202110095717A CN112711132B CN 112711132 B CN112711132 B CN 112711132B CN 202110095717 A CN202110095717 A CN 202110095717A CN 112711132 B CN112711132 B CN 112711132B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- coaxial double
- optical fiber
- laser
- plano
- waveguide
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B21/00—Microscopes
- G02B21/32—Micromanipulators structurally combined with microscopes
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B21/00—Microscopes
- G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B21/00—Microscopes
- G02B21/36—Microscopes arranged for photographic purposes or projection purposes or digital imaging or video purposes including associated control and data processing arrangements
- G02B21/361—Optical details, e.g. image relay to the camera or image sensor
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/58—Optics for apodization or superresolution; Optical synthetic aperture systems
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A50/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
- Y02A50/30—Against vector-borne diseases, e.g. mosquito-borne, fly-borne, tick-borne or waterborne diseases whose impact is exacerbated by climate change
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Microscoopes, Condenser (AREA)
Abstract
本发明提供一种单细胞手术装置，所述装置包括至少两组同轴双波导光纤以及与其数量对应的微操系统，所述同轴双波导光纤安装在该微操系统上，该微操系统用于操控所述同轴双波导光纤移动；所述同轴双波导光纤包括一个中间芯和一个环形芯，并在该光纤的纤端具有对称的圆锥台结构，反射汇聚环形芯内传输的环形捕获光束，形成光镊；在光纤端面的中心处刻蚀有一个凹槽，平凸透镜粘附于该凹槽内；其中，第一同轴双波导光纤的中间芯传输的荧光激发光束经过所述平凸透镜后，形成突破衍射极限的超分辨纳米光学射流，可实现纳米量级的超分辨荧光照明；第二同轴双波导光纤的中间芯传输的激发光束经过所述平凸透镜后形成光刀。
Description
技术领域
本发明属于纳米光子学技术领域，尤其涉及一种单细胞手术装置。
背景技术
目前的医学研究，经常需要对单个细胞进行切割，拼接，融合，细胞核的抽取以及对细胞增殖，分化等生命行为进行研究，这些研究行为都是在微纳尺度，由于阿贝衍射极限导致在光学显微镜成像存在限制，一般光学显微镜的分辨极限无法满足上述研究的需求，虽然有许多方法解决上述问题，但这些解决方案大多价格昂贵、前期准备时间长、探索方法繁琐；
此外，传统的单细胞手术使用的刺针等显微手术器械价格昂贵，尺寸和结构也不一定与显微镜完美配合，且传统的显微手术器械易对细胞造成不可修复的损伤。
专利号为CN111103273A的现有技术公开了一种“光纤端超分辨纳米荧光显微照明探针”，该现有技术通过在光纤端刻蚀凹槽镶嵌一个平凸透镜，然后利用光镊捕获一个细胞内的介质球，形成两级级联，突破了衍射极限，适用于活体单细胞内的大分子荧光照明与成像。
但是，现有技术仍存在如下问题：现有技术大多数为光镊和光刀技术单独使用，其功能单一，仅仅实现照明和成像，存在一定缺点；也有专利公开了光镊系统与光刀的结合，但是却没有在突破衍射极限的超分辨基础上。
因此，有必要提出一种技术方案来解决上述问题来实现在纳米尺度上对单个细胞进行照明成像以及精准操作。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种单细胞手术装置，其特征在于：所述装置包括至少两组同轴双波导光纤以及与其数量对应的微操系统，所述同轴双波导光纤安装在该微操系统上，该微操系统用于操控所述同轴双波导光纤移动；所述同轴双波导光纤包括一个中间芯和一个环形芯，并在该光纤的纤端具有对称的圆锥台结构，反射汇聚环形芯内传输的环形捕获光束，形成光镊；在光纤端面的中心处刻蚀有一个凹槽，平凸透镜粘附于该凹槽内；其中，第一同轴双波导光纤的中间芯传输的荧光激发光束经过所述平凸透镜后，形成突破衍射极限的超分辨纳米光学射流，可实现纳米量级的超分辨荧光照明；第二同轴双波导光纤的中间芯传输的激发光束经过所述平凸透镜后形成光刀。
优选的，所述平凸透镜的制造方法为将杯对苯二酚单体溶解在1:1的水-丙酮溶液中，形成具有无限长氢键阵列的针状杯对苯二酚纳米管晶体，当在-14℃温度下生长的晶体在40℃的水环境中被加热一天，从晶体中分离出来的杯对苯二酚分子重新组装成纳米球，该纳米球作为平凸透镜。
优选的，采用光镊结合纳米光学射流技术，实现超分辨率的纳米刻蚀加工，对所述平凸透镜进行微加工，使该平凸透镜尺寸适应所述凹槽。
优选的，所述的圆锥台结构是通过在同轴双波导光纤端经过精密抛磨加工制备得到的对称反射圆锥台结构，也可以是弧形优化的反射圆锥台结构。
优选的，所述的凹槽内的平凸透镜通过低折射率胶水粘附，该平凸透镜的直径大于等于该同轴双波导光纤的所述中间芯直径，小于圆锥台端面直径，其折射率大于所述低折射率胶水的折射率。
优选的，使用飞秒激光器在所述同轴双波导光纤端面的中心处刻蚀一个凹槽，所述凹槽尺寸长、宽小于等于10μm且大于所述中间芯直径，深度小于等于5μm。
优选的，所述装置还包括第一激光器，所述第一激光器激发的光束为荧光激发光，该荧光激发光的波长在440～540nm之间，该荧光激发光与所述第一同轴双波导光纤的中间芯耦合，该荧光激发光经过所述平凸透镜后，形成突破衍射极限的超分辨纳米光学射流，可实现纳米量级的超分辨荧光照明。
优选的，所述装置还包括第二激光器，所述第二激光器采用800nm钛宝石激光器或1060nm的钇铝石榴石激光器中的一种，该第二激光器所激发的光束与所述第二同轴双波导光纤的中间芯耦合形成光刀。
优选的，所述装置还包括第三激光器，所述第三激光器采用波长为532nm，300mW连续输出的单模单频激光器，所述第三激光器所激发的光束分别与第一、第二同轴双波导光纤的环形芯耦合形成双光镊，作用于第一、第二同轴双波导光纤的光束功率分别可调，以此实现调整目标物姿态。
优选的，所述装置还包括载物台和相机成像单元，所述载物台用于承载样品，所述相机成像单元用于实时观察样品，所述载物台处于光屏蔽壳中以避免外界光线干扰。
本发明所提供的单细胞手术装置可以实现超分辨条件下的照明成像使得操作更加精准，且双光镊可以更加便捷地调整目标物的姿态。
附图说明
图1为单细胞手术装置示意图；
图2为同轴双波导光纤示意图；
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
如图1所示，本发明提供一种单细胞手术装置，所述装置包括至少两组同轴双波导光纤200以及与其数量对应的微操系统100，同轴双波导光纤200安装在微操系统100上，微操系统100用于操控同轴双波导光纤移动200。
作为示例性实施例，本发明选用两组同轴双波导光纤，如图1所示，第一同轴双波导光纤标记为200a，第二同轴双波导光纤标记为200b；微操系统100与同轴双波导光纤200一一对应用于操控同轴双波导光纤200移动；因此，有第一微操系统110与第一同轴双波导光纤标记为200a对应，有第二微操系统120与第二同轴双波导光纤标记为200b对应。
作为示例性实施例，第一微操系统110及第二微操系统120可以采用同种型号的微操作系统，例如，可以选用江苏瑞明生物公司生产的型号为MMS300或MMS400的显微操作手臂，其步行精度可分别达到30nm和20nm，足以满足本发明的操作需求。
本发明所提供的第一同轴双波导光纤200a与第二同轴双波导光纤200b结构相同，本发明所使用的同轴双波导光纤200的具体结构如下：
如图2所示，同轴双波导光纤200包括一个中间芯201和一个环形芯202，并在同轴双波导光纤200的纤端具有对称的圆锥台结构206，反射汇聚环形芯202内传输的环形捕获光束，形成光镊；在同轴双波导光纤200端面的中心处刻蚀有一个凹槽205，平凸透镜203粘附于凹槽205内。
如上所述的在同轴双波导光纤200端面的中心处刻蚀有一个凹槽205，凹槽205的尺寸应当长、宽小于等于10μm且大于所述中间芯直径，深度小于等于5μm；凹槽205可以使用飞秒激光器对同轴双波导光纤200端面的中心处刻蚀得到，作为一种实施方式，凹槽205尺寸可以为：长10μm，宽10μm，深度5μm。
本发明所使用的平凸透镜203可以通过将杯对苯二酚(calix hydroquinone，CHQ)单体溶解在1:1的水-丙酮溶液中，形成具有无限长氢键阵列的针状CHQ纳米管晶体。当在-14℃温度下生长的晶体在40℃的水环境中被加热一天，从晶体中分离出来的CHQ分子重新组装成纳米球，其自组装具有天然的平凸结构，且在空气中保持稳定因此，可以利用该纳米球作为本发明所使用的平凸透镜203。制备好平凸透镜203之后对其进行一定的微加工，使其与同轴双波导光纤200端面刻蚀的凹槽205相匹配。
可以采用光镊结合纳米光学射流技术，实现超分辨率的纳米刻蚀加工，对所述平凸透镜203进行微加工，使平凸透镜203尺寸适应凹槽205。
凹槽205内的平凸透镜可以通过低折射率胶水粘附，平凸透镜203的直径大于等于该同轴双波导光纤200的中间芯201直径，小于圆锥台结构206端面直径，平凸透镜203的折射率大于所述低折射率胶水的折射率。
所述的圆锥台结构206是通过在同轴双波导光纤200端经过精密抛磨加工制备得到的对称反射圆锥台结构206，也可以是弧形优化的反射圆锥台结构206。
作为一种示例性实施方式，研磨同轴双波导光纤端光纤200端面圆锥台结构206，使同轴双波导光纤200端面形成锥台底角为69度的圆锥台，并精密抛光，使得圆锥台斜面光滑。
利用如上所述的同轴双波导光纤200，制造本发明所提供的一种单细胞手术装置，其具体方法如下：
首先进行标号说明以区分第一同轴双波导光纤200a和第二同轴双波导光纤200b；第一同轴双波导光纤200a包括第一中间芯201a、第一环形芯202a和第一平凸透镜203a；第二同轴双波导光纤200b包括第二中间芯201b、第二环形芯202b和第二平凸透镜203b；
取第一同轴双波导光纤200a和两根单模光纤，分别侧抛并耦合；其中一根单模光纤与第一环形芯202a耦合，第三激光器8a所激发的激光由该单模光纤导入经第一环形芯202a传输后被同轴双波导光纤的纤端的圆锥台结构反射汇聚形成光镊，第三激光器8a可以采用波长为532nm，300mW连续输出的单模单频激光器8a作为光源；另一根单模光纤与第一中间芯201a耦合，第一激光器6激发的光束为荧光激发光，该荧光激发光的波长在440～540nm之间，第一激光器6所激发的光束经单模光纤导入第一中间芯201a，第一中间芯201a传输的荧光激发光束经过所述第一平凸透镜203a后，形成突破衍射极限的超分辨纳米光学射流，可直接实现接近200nm的纳米量级的超分辨荧光照明。
第二同轴双波导光纤200b的处理同第一同轴双波导光纤200a，区别在于第二同轴双波导光纤200b的第二中间芯201b传输的激发光束的光源第二激光器7可以采用近红外800nm的钛宝石飞秒激光或者1060nm的钇铝石榴石激光器中的一种，本实施例选用近红外800nm的钛宝石飞秒激光7，第二同轴双波导光纤200b的第二中间芯201b传输的激发光束经过第二平凸透镜203b后形成光刀；第三激光器8b所激发的光束由单模光纤耦合入第二环形芯202b，第三激光器8b与第三激光器8a可以为同种激光器，采用波长为532nm，300mW连续输出的单模单频激光器8b作为光源。
本发明所提供的一种单细胞手术装置还包括载物台3和相机成像单元4，所述载物台3用于承载样品，所述相机成像单元4用于实时观察样品，所述载物台3处于光屏蔽壳5中以避免外界光线干扰。
作为示例性实施例，本发明所提供的单细胞手术装置的操作方法如下：
步骤1：两同轴双波导光纤200各自被固定在一个微操系统100上，其中M控制上下运动，N控制左右运动；细胞样品存在于培养皿的液相环境中，培养皿放置于载物台3上。
步骤2：在第一同轴双波导光纤200a中,第三激光器8a发出捕获光束进入第一环形芯202a中，对目标物进行抓捕和固定,第一激光器6发出荧光光束进入第一中间芯201a，对目标物进行荧光照明,通过相机成像单元4实时在电脑显示操作过程。
步骤3：在第二同轴双波导光纤200b中,第三激光器8b发出捕获光束同样进入第二环形芯202b中对目标物进行抓捕和固定,目标物在两个力学系统下被调整和固定，可分别调整第三激光器8的功率来操控细胞的姿态角,钛宝石飞秒激光7发出能量可调控的高强度激光束进入第二中间芯201b，用来对目标物进行烧蚀、击穿或切割等。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (6)
1.一种单细胞手术装置，其特征在于：所述装置包括至少两组同轴双波导光纤以及与其数量对应的微操系统，所述同轴双波导光纤安装在该微操系统上，该微操系统用于操控所述同轴双波导光纤移动；所述同轴双波导光纤包括一个中间芯和一个环形芯，并在该光纤的纤端具有对称的圆锥台结构，反射汇聚环形芯内传输的环形捕获光束，形成光镊；在光纤端面的中心处刻蚀有一个凹槽，平凸透镜粘附于该凹槽内；其中，第一同轴双波导光纤的中间芯传输的荧光激发光束经过所述平凸透镜后，形成突破衍射极限的超分辨纳米光学射流，可实现纳米量级的超分辨荧光照明；第二同轴双波导光纤的中间芯传输的激发光束经过所述平凸透镜后形成光刀；
所述平凸透镜的制造方法为将杯对苯二酚单体溶解在1:1的水-丙酮溶液中，形成具有无限长氢键阵列的针状杯对苯二酚纳米管晶体，当在-14℃温度下生长的晶体在40℃的水环境中被加热一天，从晶体中分离出来的杯对苯二酚分子重新组装成纳米球，该纳米球作为平凸透镜；
所述装置还包括第一激光器，所述第一激光器激发的光束为荧光激发光，该荧光激发光的波长在440～540nm之间，该荧光激发光与所述第一同轴双波导光纤的中间芯耦合，该荧光激发光经过所述平凸透镜后，形成突破衍射极限的超分辨纳米光学射流，可实现纳米量级的超分辨荧光照明；
所述装置还包括第二激光器，所述第二激光器采用800nm钛宝石激光器或1060nm的钇铝石榴石激光器中的一种，该第二激光器所激发的光束与所述第二同轴双波导光纤的中间芯耦合形成光刀；
所述装置还包括第三激光器，所述第三激光器采用波长为532nm，300mW连续输出的单模单频激光器，所述第三激光器所激发的光束分别与第一、第二同轴双波导光纤的环形芯耦合形成双光镊，作用于第一、第二同轴双波导光纤的光束功率分别可调，以此实现调整目标物姿态。
2.根据权利要求1所述的一种单细胞手术装置，其特征在于：采用光镊结合纳米光学射流技术，实现超分辨率的纳米刻蚀加工，对所述平凸透镜进行微加工，使该平凸透镜尺寸适应所述凹槽。
3.根据权利要求1所述的一种单细胞手术装置，其特征在于：所述的圆锥台结构是通过在同轴双波导光纤端经过精密抛磨加工制备得到的对称反射圆锥台结构，或是弧形优化的反射圆锥台结构。
4.根据权利要求1所述的一种单细胞手术装置，其特征在于：所述的凹槽内的平凸透镜通过低折射率胶水粘附，该平凸透镜的直径大于等于该同轴双波导光纤的所述中间芯直径，小于圆锥台端面直径，其折射率大于所述低折射率胶水的折射率。
5.根据权利要求4所述的一种单细胞手术装置，其特征在于：使用飞秒激光器在所述同轴双波导光纤端面的中心处刻蚀一个凹槽，所述凹槽尺寸长、宽小于等于10μm且大于所述中间芯直径，深度小于等于5μm。
6.根据权利要求1所述的一种单细胞手术装置，其特征在于：所述装置还包括载物台和相机成像单元，所述载物台用于承载样品，所述相机成像单元用于实时观察样品，所述载物台处于光屏蔽壳中以避免外界光线干扰。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110095717.9A CN112711132B (zh) | 2021-01-25 | 2021-01-25 | 一种单细胞手术装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110095717.9A CN112711132B (zh) | 2021-01-25 | 2021-01-25 | 一种单细胞手术装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112711132A CN112711132A (zh) | 2021-04-27 |
| CN112711132B true CN112711132B (zh) | 2023-05-09 |
Family
ID=75549551
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110095717.9A Active CN112711132B (zh) | 2021-01-25 | 2021-01-25 | 一种单细胞手术装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112711132B (zh) |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101216414A (zh) * | 2007-12-29 | 2008-07-09 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 多功能光学微操纵装置 |
| CN107329249B (zh) * | 2017-08-28 | 2023-03-24 | 重庆三峡医药高等专科学校 | 一种单细胞给药与spr检测实验装置 |
| CN111117860B (zh) * | 2019-11-04 | 2022-04-19 | 桂林电子科技大学 | 一种基于光纤微光手的细胞微手术刀及其制备方法 |
| CN111103273A (zh) * | 2019-11-04 | 2020-05-05 | 桂林电子科技大学 | 光纤端超分辨纳米荧光显微照明探针 |
-
2021
- 2021-01-25 CN CN202110095717.9A patent/CN112711132B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112711132A (zh) | 2021-04-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101881858B (zh) | 可实现微小粒子旋转的卫星式螺旋多芯光纤微光手及制法 | |
| CN106772990B (zh) | 一种使用双光纤光镊实现细胞串列调整的光控技术 | |
| CN100580490C (zh) | 集成于单根光纤的多光镊 | |
| CN111653380B (zh) | 基于单光纤光镊的sted超分辨显微成像装置 | |
| CN111103273A (zh) | 光纤端超分辨纳米荧光显微照明探针 | |
| CN101950049B (zh) | 基于同轴双波导结构的吞吐式光纤光镊及动力学控制方法 | |
| CN107357044A (zh) | 一种基于斜光线环形光场的阶跃多模光纤光镊 | |
| CN107329249B (zh) | 一种单细胞给药与spr检测实验装置 | |
| CN101907743A (zh) | 基于同轴双波导结构的吞吐式光纤光镊及制备方法 | |
| CN103983808B (zh) | 一种微纳颗粒双向传输和可控性定位的光学方法 | |
| CN112071462A (zh) | 一种可调单光纤微粒输送器 | |
| CN109254346B (zh) | 一种基于波分复用技术的单光纤光镊 | |
| CN106622436B (zh) | 基于光流漩涡阵列的材料分布式控制平台及控制方法 | |
| CN112711132B (zh) | 一种单细胞手术装置 | |
| CN111653379B (zh) | 基于多光纤光镊的纳米粒子输送器 | |
| CN207067546U (zh) | 一种基于斜光线环形光场的阶跃多模光纤光镊 | |
| CN104090329A (zh) | 一种基于渐变折射率多模光纤锥的光纤光镊及其使用方法 | |
| CN208834754U (zh) | 一种基于正置显微镜的单光束激光光镊装置 | |
| CN111117860B (zh) | 一种基于光纤微光手的细胞微手术刀及其制备方法 | |
| CN113608287B (zh) | 一种微透镜及其应用 | |
| CN101446406B (zh) | 一种光纤倏逝场照明器 | |
| US9411103B2 (en) | Contact focusing hollow-core fiber microprobes | |
| CN112068249B (zh) | 一种基于特种光纤的光纤光镊及系统 | |
| AU2020103836A4 (en) | A fiber-end super-resolution nano-fluorescence microscopic illumination probe | |
| CN112230424B (zh) | 一种光镊 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |