CN113322182B - 一种基于多层介质膜的细胞操控装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多层介质膜的细胞操控装置，包括玻璃基底、多层介质膜、酵母细胞、去离子水和环形角向偏振聚焦光，所述的多层介质膜沉积在玻璃基底上；酵母细胞用去离子水稀释后，滴在多层介质膜上；多层介质膜是周期性结构，存在一种表面布洛赫波模式，能够将光场局域在多层膜表面，利用环形角向偏振聚焦光激发多层介质膜的布洛赫表面波，表面波在多层膜上表面干涉形成局域增强的电场分布，从而可以捕获单个酵母细胞。由于多层介质膜的固有损耗，光能转换成热能会形成局部热点，细胞受到热对流力和热泳力，从而实现多个酵母细胞的密排。该装置首次利用介质多层膜同时实现单个酵母细胞的捕获和大量酵母细胞的密排，实用性强、操作简单。
Description
技术领域
本发明涉及细胞捕获操控技术领域，特别涉及一种基于多层介质膜的细胞操控装置。
背景技术
细胞的捕获和操控技术在物理、生物化学、生物医学等领域有着至关重要的作用，受到了广泛的关注。细胞的捕获方法可以简单概括为2大类，分别是光镊和光热操控。首先光镊是利用紧聚焦光束的光散射力和梯度力，捕获住单个粒子或者细胞。其次光热操控是利用光-热转换，将光能转换为热能，利用温度梯度诱导产生的热对流、热泳、热电场等，在大范围内同时捕获多个细胞。上述捕获技术在实际应用中有一定的局限性，其存在的问题为：
1、细胞易受损伤。由于细胞的折射率和液体环境接近，折射率差很小，因此利用光镊捕获单个细胞时，为了增加捕获的稳定性，通常需要提高入射光功率，而过高的激光功率则会对细胞造成不可恢复的损伤，导致细胞失去活性。
2、功能单一。基于光镊或者光热捕获细胞，通常只能在固定位位置捕获单个或多个，无法移动细胞到我们需要的位置。
3、成本高。比如光热操控通常需要在金属基底上加工微纳米尺度结构，微纳加工方法的成功率较低、金属基底重复利用率低，这导致了较高成本的投入。
发明内容
本发明的目的克服上述技术的不足，提出了一种基于多层介质膜的细胞操控装置，该装置容易搭建，操控细胞的重复性高，其利用了在角向偏振聚焦光的激发下，介质多层膜表面布洛赫波干涉形成局域增强的电场，以及由此产生的光热效应，可以同时实现单个酵母细胞的捕获和大量细胞的密排。
本发明实现上述目的的技术方案如下：一种基于多层介质膜的细胞操控装置，该装置包括：玻璃基底1、多层介质膜2、酵母细胞3，去离子水4和环形角向偏振聚焦光5，所述的多层介质膜2采用气相沉积的方法镀膜在玻璃基底1上；酵母细胞3用去离子水4稀释恢复活性后，滴在多层介质膜2上；待细胞液滴稳定后，用环形角向偏振聚焦光5激发多层介质膜的布洛赫表面波模式。
进一步地，所述的多层介质膜2由厚度132nm的高折射率介质Si3N4层6和厚度145nm的低折射率介质SiO2层7交替组成，顶层Si3N4层8为缺陷层，厚度是37nm，多层介质膜2一共7层。
进一步地，所述的酵母细胞3是长轴约5μm、短轴约4μm的椭圆形细胞，密度为1.112g/cm3，折射率为1.34-1.39。
进一步地，所述的环形角向聚焦光5由泄漏辐射显微镜构建。
本发明和现有技术相比的优势为：
1、细胞活性稳定。该装置捕获单个酵母细胞，利用的是光力和热泳力的合力。因此相比于传统光镊，无需高功率的入射激光，降低了对细胞的光损伤，可以稳定地保持细胞的活性。
2、功能集成。该装置可以同时捕获单个或者多个酵母细胞，且可以移动细胞到任意位置实现密排。除了酵母细胞，还可以捕获大肠杆菌等细胞，从而探讨不同细胞之间的相互作用。同时，细胞密排相互挤压，导致细胞变形，从而可以探讨细胞膜的表面张力等性质。
3、低成本。仅仅需要在多层膜上滴入细胞，打开激光，用搭建好的显微镜观察白光像即可，不需要加工微流槽或者刻写微纳结构，多层膜可以清洗后重复多次利用。且不需要添加表面活性剂或者电流等，操作简单。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于多层介质膜的细胞操控装置的结构示意图；
图2为产生环形角向偏振聚焦光的原理示意图；
图3为利用该装置捕获以及密排的酵母细胞。其中(a)图为在一定时间序列下捕获单个酵母细胞，在移动基片的过程中，酵母细胞可以被稳定地捕获。(b)图为在一定时间序列下酵母细胞密排的过程，随着时间的增加，捕获的细胞数量递增。
图中：1、玻璃基底；2、多层介质膜；3、酵母细胞；4、去离子水；5、环形角向偏振聚焦光；6、高折射率介质Si3N4层；7、低折射率介质SiO2层；8、顶层Si3N4层；9、671nm激光；10、透镜；11、锥透镜；12、偏振片；13、0级涡旋半波片；14、反射镜；15、分束镜；16、油浸物镜；17、基片；18、LED灯；19、600nm短通滤波片；20、相机(CCD)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
参照图1所示的一种基于多层介质膜的细胞操控结构，包括：玻璃基底1、多层介质膜2、酵母细胞3，去离子水4和环形角向偏振聚焦光5。其中多层介质膜2由厚度132nm的高折射率介质Si3N4层6和厚度145nm的低折射率介质SiO2层7交替组成，顶层Si3N4层8为缺陷层，厚度是37nm，多层介质膜2一共7层。酵母细胞3为长轴约5μm、短轴约4μm的椭圆形细胞，用去离子水4稀释恢复活性后，滴在多层介质膜2上。酵母细胞3密度为1.112g/cm3，折射率为1.34-1.39。待细胞液滴稳定后，用泄露辐射显微镜生成的环形角向偏振聚焦光5激发多层介质膜的布洛赫表面波模式，捕获单个或者多个酵母细胞。
参照图1、图2所示的生成环形角向偏振聚焦光5的泄露辐射显微镜光路结构，包括：671nm激光9、透镜10、锥透镜11、偏振片12、0级涡旋半波片13、反射镜14、分束镜15、油浸物镜16、基片17、LED灯18、600nm短通滤波片19、相机(CCD)20。671nm激光9经过两个透镜10扩束准直后形成平行光，平行光经过两个锥透镜11后变成中空的环形光。利用偏振片12和0级涡旋半波片13将入射光的偏振转换成角向光。环形角向偏振光经油浸物镜16聚焦在基片17(由玻璃基底1、多层介质膜2和去离子水4组成)上，激发基片17的布洛赫表面波模式，表面波在基片17上表面干涉形成局域增强的电场，因此可以用来捕获单个酵母细胞；除此之外，由于介质多层膜的固有损耗，会形成热对流和热泳，长程的热对流力和热泳力将细胞拉向光斑中心紧密排布。LED灯18提供亮场照明，经过两次分束镜15和600nm短通滤波片19后，激发光被600nm短通滤波片19阻挡，从而白光经透镜10在相机(CCD)20处成前焦面白光像，用来观察细胞的捕获过程。同时，671nm激光经分束镜15的两次反射后，在相机(CCD)20处成后焦面像，用来判断多层膜的布洛赫表面波模式是否被有效激发。
参照图3所示，为利用该装置操控的酵母细胞。如图(a)所示，虚线圆圈标注的是被捕获的单个酵母细胞，白色箭头表示基片17的移动方向，在移动基片17的过程中，酵母细胞不会随着基片移动，而是保持在原来的位置，证明是该细胞被稳定捕获。如图(b)所示为捕获多个酵母细胞的过程，当激光关闭时，细胞处于离散状态，激光一旦打开，酵母细胞立刻往光源中心(虚线圆圈)移动，形成紧密排布，激光一旦关闭，酵母细胞由于立刻恢复自由离散状态。且随着时间的增加，被捕获的细胞数量递增。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (1)
1.一种基于多层介质膜的细胞操控装置，其特征在于，该装置包括玻璃基底(1)、多层介质膜(2)、酵母细胞(3)、去离子水(4)和环形角向偏振聚焦光(5)；所述多层介质膜(2)采用气相沉积的方法镀膜在所述玻璃基底(1)上，所述酵母细胞(3)用所述去离子水(4)稀释恢复活性后滴在所述多层介质膜(2)上，待细胞液滴稳定后用泄露辐射显微镜生成所述环形角向偏振聚焦光(5)激发所述多层介质膜(2)的布洛赫表面波，捕获单个或者多个酵母细胞；其中，
所述的多层介质膜(2)由厚度132nm的高折射率介质Si3N4层(6)和厚度145nm的低折射率介质SiO2层(7)交替组成，多层介质膜(2)一共7层，顶层Si3N4层(8)为缺陷层，厚度是37nm；
所述的酵母细胞(3)是长轴5μm、短轴4μm的椭圆形细胞；酵母细胞(3)密度为1.112g/cm3，折射率为1.34-1.39；
所述的泄露辐射显微镜的光路结构包括671nm激光(9)、透镜(10)、锥透镜(11)、偏振片(12)、0级涡旋半波片(13)、反射镜(14)、分束镜(15)、油浸物镜(16)、基片(17)、LED灯(18)、600nm短通滤波片(19)、相机(20)；671nm激光(9)经过两个透镜(10)扩束准直后形成平行光，平行光经过两个锥透镜(11)后变成中空的环形光，利用偏振片(12)和0级涡旋半波片(13)将入射光的偏振转换成角向光，环形角向偏振光经油浸物镜(16)聚焦在基片(17)上，激发基片(17)的布洛赫表面波模式，表面波在基片(17)上表面干涉形成局域增强的电场，用于捕获单个酵母细胞；介质多层膜的固有损耗形成热对流和热泳，长程的热对流力和热泳力将细胞拉向光斑中心紧密排布；LED灯(18)提供亮场照明，经过两次分束镜(15)和600nm短通滤波片(19)后，激发光被600nm短通滤波片(19)阻挡，白光经透镜(10)在相机(20)处成前焦面白光像，用于观察细胞的捕获过程；同时，671nm激光经分束镜(15)的两次反射后，在相机(20)处成后焦面像，用于判断多层膜的布洛赫表面波模式是否被有效激发；所述基片(17)由玻璃基底(1)、多层介质膜(2)和去离子水(4)组成。
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