CN113502207A - 一种基于激光系统的多功能细胞分选装置以及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于激光系统的多功能细胞分选装置以及操作方法，包括：激光器系统、激光调制系统、显微成像系统、样品台、样品池、以及细胞收集器；采用科学优化的分选操作，可对悬浮在样品池中的目标细胞，贴敷在样品池上的半浸润、未浸润以及全浸润的目标细胞，目标细胞与非目标细胞连接在一起的样品，目标细胞在样品中是分立状态的样品等等上述复杂分选条件的待分选目标进行精确分选，本发明结构简单，操作简便，应用范围广，工作安全可靠，适合推广应用。

Description

一种基于激光系统的多功能细胞分选装置以及操作方法

技术领域

本发明属于细胞分选技术领域，尤其涉及一种基于激光系统的多功能细胞分选装置以及操作方法，该装置可实现土壤微生物、体液细胞、贴壁细胞等多种形态细胞的分选。

背景技术

细胞是生命体的基本单位，动物组织，微生物群落等生命集合均由细胞组成。受遗传、环境等因素的影响，即使是同一群体内的同种细胞，也存在功能差异，即细胞异质性。只有从单细胞层面上开展生物学研究，才能从本质上解读生命的本质。然而，生态系统中的生命体存在形式多种多样，血细胞处在大量粘稠蛋白质当中，而人体组织中的细胞是黏附在一起，如何从复杂状态的环境样品中精准分选单细胞是当前单细胞研究领域亟待解决的难题；

当前，单细胞精准分选方式包括流式细胞术、激光显微切割、激光诱导向前转移分选、光镊分选、微流控分选等技术。受分选原理影响，各项技术均存在应用范围限制。微流控技术、流式细胞术能够从样品中批量分选获得同一种类的细胞，但是不能进一步区分同一种类的细胞，不能进行单细胞分选开展细胞异质性研究。而激光显微切割、激光诱导向前转移分选、光镊技术能够区分同一种类的细胞，但是各有优缺点；例如，激光显微切割、激光诱导向前转移技术可分选贴敷在样品池上的样品，比如组织切片、贴壁细胞等呈层状分布或者可制作成层状分布的样品，不能分选液体中悬浮的细胞；激光显微切割、激光诱导向前转移技术将贴敷在样品池上的细胞推入液体中形成悬浮样品，悬浮样品的运动轨迹不确定，不能准确的进入细胞收集器。而光镊技术能够精准控制液体中悬浮样品的轨迹，原理上能够辅助上述两种技术完成分选样品的收集。光镊技术能够分选液体中的悬浮细胞，但是无法分选与样品池贴敷的细胞；上文提到激光显微切割、激光诱导向前转移技术能够将样品池中的细胞推至液体中呈悬浮状态，成为光镊可分选的样品。

另外，如果样品中的目标细胞与非目标细胞相互连接，则需要打破这种连接才能仅分选目标细胞。激光显微切割技术所用的激光能量通常强于激光诱导向前转移技术所用的激光。通常使用激光显微切割技术分选此种样品。

此外，激光显微切割技术是通过激光在样品池表面围绕目标细胞扫描封闭曲线、破坏样品池后，基于重力等推力将目标细胞推离样品池的，能够同时分选大片细胞，也能分选较大的单个目标细胞；受机械、光学原理限制，上述封闭曲线的面积不能无限的缩小，这就导致激光显微切割极难分选体积较小、样品密度较高的目标单个细胞。而激光诱导向前转移技术是激光焦点对准目标细胞所在样品池的对应点形状的位置，破坏样品池，并将目标细胞推离样品池的，点形状的面积会比密封圈的面积小，不能分选太大的单个细胞，但是能够分选激光显微切割技术不能分选的一些体积小的样品。

发明内容

为了克服上述技术不足，本发明提供一种基于激光系统的多功能细胞分选装置以及操作方法，通过科学的结构设计，使得细胞分选装置可以处理各种复杂情况下的细胞分选，采用优化的独创分选操作，大大加快了各类目标细胞分选的精确度和分选效率，本发明结构简单，操作简便，应用范围广，工作安全可靠。

一种基于激光系统的多功能细胞分选装置以及操作方法，其中：

一种基于激光系统的多功能细胞分选装置，包括：激光器系统、激光调制系统、显微成像系统、样品台、样品池、以及细胞收集器；

进一步的，所述激光器系统，能够同时或单独或依次输出用于光镊分选方案、激光诱导向前转移分选方案以及激光显微切割分选方案的输出激光；

作为一种举例说明，所述激光器系统为：1台或多台激光发生器；

进一步的，所述激光调制系统，能够调制所述输出激光的功率、波长、频率、脉冲宽度，以及调制所述输出激光的光斑尺寸、形状、个数；

所述激光调制系统，能够同时或单独或者依次调制用于光镊分选方案、激光诱导向前转移分选方案以及激光显微切割分选方案的输出激光；

所述激光调制系统，可控制输出激光入射进入样品池的方向、位置、角度；可控制用于激光显微切割分选方案、激光诱导向前转移分选方案的输出激光由样品池上方入射进入样品池；可控制用于光镊分选方案的输出激光由样品池下方或者侧方入射进入样品池；

所述激光调制系统，能够调制激光显微切割分选方案、激光诱导向前转移分选方案、光镊分选方案这三种激光焦点在样品池中的相对位置；

所述激光调制系统，可根据显微成像系统分析得到的样品信息调控输出激光进行细胞分选；

作为一种举例说明，所述激光调制系统，可调制输出紫外波段的激光用于激光显微切割分选方案、激光诱导向前转移分选方案；

作为一种举例说明，所述激光调制系统，可调制输出可见光波段激光、红外波段激光用于激光显微切割分选方案、激光诱导向前转移分选方案以及光镊分选方案；

作为一种举例说明，所述激光调制系统，可调制输出频率处于0.1Hz～500MHz的飞秒激光，用于光镊分选方案；亦可调制输出连续激光，用于光镊分选方案；

作为一种举例说明，所述激光调制系统，可调制输出频率处于0.1Hz～500MHz的飞秒、皮秒、纳秒激光，用于激光诱导向前转移分选方案；

进一步的，所述显微成像系统，用于显微观测所述样品池以及待分选样品；能够分析观测到的样品信息，得出目标细胞尺寸、形貌、位置、活性信息；并将分析结果传送至所述激光调制系统；

作为一种举例说明，所述显微成像系统可以与所述激光调制系统共用部分光路；

进一步的，所述样品台用于放置样品池，能够调整样品池与输出激光的相对位置；还能够调整样品池与显微成像系统的相对位置，方便所述显微成像系统观察样品池中不同位置的样品；

进一步的，所述样品池用于装载所述待分选样品；

作为一种举例说明，所述样品池对用于光镊分选方案的激光透明；

进一步的，所述细胞收集器设置在所述样品台下方，并与所述样品池连通，用于收集分选获得的目标细胞；

一种基于激光系统的多功能细胞分选装置的操作方法，包括：

步骤一、将待分选样品注入样品池；

作为一种举例说明，所述待分选样品为可涂膜的样品时，采用刮刀涂敷或者旋涂的方式，将待分选样品涂敷在样品池上；

步骤二、将样品池固定在样品台上；

步骤三、使用显微成像系统观察、分析样品池中目标细胞的尺寸、形貌、位置、活性信息；

步骤四、开启激光器系统，此时激光调制系统根据所述显微成像系统获得的目标细胞信息，决定使用显微切割分选、激光诱导向前转移分选、光镊分选中的一种或者几种分选方案分选细胞；

步骤五、使用激光调制系统控制输出激光的功率、波长、频率、脉冲宽度，调制激光光斑尺寸、形状、个数，开始分选细胞；

步骤六、针对悬浮在样品池中的目标细胞，使用光镊分选方案分选目标细胞，并将分选后的目标细胞转移至细胞收集器；

步骤七、针对贴敷在样品池上，且没有浸没或者半浸没在液体中的目标细胞，使用激光显微切割分选方案或激光诱导向前转移分选方案分选目标细胞，诱导其脱离液体进入细胞收集器；

步骤八、针对贴敷在样品池上，且完全浸没在液体环境中的样品，使用激光显微切割分选方案或激光诱导向前转移分选方案分选贴敷在样品池上的目标细胞，并将目标细胞推入样品池液体环境中形成悬浮细胞，随后采用光镊分选方案控制此悬浮细胞精准进入细胞收集器；

步骤九、针对贴敷在样品池上、目标细胞与非目标细胞连接在一起的样品，使用激光显微切割分选方案，将目标细胞推离样品池表面，进入样品池液体环境中形成悬浮细胞，随后由光镊分选方案控制该悬浮细胞精准进入细胞收集器；

步骤十、针对贴敷在样品池上、目标细胞在样品中是分立状态，使用激光显微切割分选方案或者激光诱导向前转移分选方案，将目标细胞推离样品池表面，进入样品池液体环境中形成悬浮细胞，随后由光镊分选方案控制该悬浮细胞精准进入细胞收集器；

步骤十一、针对贴敷在样品池上、尺寸低于1微米的目标细胞，使用激光诱导向前转移分选方案，将目标细胞推离样品表面，进入样品池液体环境中形成悬浮细胞，随后由光镊分选方案控制该悬浮细胞精准进入细胞收集器。

本发明的有益效果：

1、本发明可精确分选悬浮在样品池中的目标细胞；还可精确分选贴敷在样品池上的半浸润、未浸润以及全浸润的目标细胞；还可精确分选目标细胞与非目标细胞连接在一起时的样品，；还可精确分选目标细胞在样品中是分立状态的样品；还可精确分选贴敷在样品池上尺寸低于1微米的目标细胞；分选细胞的范围十分广泛；

2、本发明结构设计客户，操作步骤优化独创，具备较高的分选效率和工作安全可靠性，适合推广应用。

附图说明

图1是本发明一种基于激光系统的多功能细胞分选装置的整体结构示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

详见图1所示，一种基于激光系统的多功能细胞分选装置以及操作方法，其中：

一种基于激光系统的多功能细胞分选装置，包括：激光器系统101、激光调制系统102、显微成像系统103、样品台104、样品池105、以及细胞收集器106；

进一步的，所述激光器系统101，能够同时或单独或依次输出用于光镊分选、激光诱导向前转移分选以及激光显微切割分选的输出激光；

作为一种举例说明，所述激光器系统101为：1台或多台激光发生器；

进一步的，所述激光调制系统102，能够调制所述输出激光的功率、波长、频率、脉冲宽度，以及调制所述输出激光的光斑尺寸、形状、个数；

所述激光调制系统102，能够同时或单独或者依次调制用于光镊分选方案、激光诱导向前转移分选方案以及激光显微切割分选方案的输出激光；

所述激光调制系统102，可控制输出激光入射进入样品池105的方向、位置、角度；可控制用于激光显微切割分选方案、激光诱导向前转移分选的输出激光由样品池上方入射进入样品池105；可控制用于光镊分选方案的输出激光由样品池105下方或者侧方入射进入样品池105；

所述激光调制系统102，能够调制激光显微切割分选方案、激光诱导向前转移分选方案、光镊分选方案这三种激光焦点在样品池105中的相对位置；

所述激光调制系统102，可根据显微成像系统103分析得到的样品信息调控输出激光进行细胞分选；

作为一种举例说明，所述激光调制系统102，可调制输出紫外波段的激光用于激光显微切割分选、激光诱导向前转移分选；

作为一种举例说明，所述激光调制系统102，可调制输出可见光波段激光、红外波段激光用于显微切割分选、激光诱导向前转移分选、光镊分选；

作为一种举例说明，所述激光调制系统102，可调制输出频率处于0.1Hz～500MHz的飞秒激光，用于光镊分选；亦可调制输出连续激光，用于光镊分选；

作为一种举例说明，所述激光调制系统102，可调制输出频率处于0.1Hz～500MHz的飞秒、皮秒、纳秒激光，用于激光诱导向前转移分选；

进一步的，所述显微成像系统103，用于显微观测所述样品池以及待分选样品；能够分析观测到的样品信息，得出目标细胞尺寸、形貌、位置、活性信息；并将分析结果传送至所述激光调制系统102；

作为一种举例说明，所述显微成像系统103可与所述激光调制系统102共用部分光路；

进一步的，所述样品台104用于放置样品池105，能够调整样品池105与输出激光的相对位置；

进一步的，所述样品池105用于装载所述待分选样品；

作为一种举例说明，所述样品池105对用于光镊分选方案的激光透明；

进一步的，所述细胞收集器106设置在所述样品台104下方，并与所述样品池105连通，用于收集分选获得的目标细胞107；

一种基于激光系统的多功能细胞分选装置的操作方法，包括：

步骤一、将待分选样品注入样品池105；

作为一种举例说明，所述待分选样品为可涂膜的样品时，采用刮刀涂敷或者旋涂的方式，将待分选样品涂敷在样品池105上；

步骤二、将样品池105固定在样品台104上；

步骤三、使用显微成像系统103观察、分析样品池105中目标细胞107的尺寸、形貌、位置、活性信息；

步骤四、开启激光器系统101，此时激光调制系统102根据所述显微成像系统103获得的目标细胞107信息，决定使用显微切割分选、激光诱导向前转移分选、光镊分选中的一种或者几种分选方案分选细胞；

步骤五、使用激光调制系统102控制输出激光的功率、波长、频率、脉冲宽度，调制激光光斑尺寸、形状、个数，开始分选细胞；

步骤六、针对悬浮在样品池105中的目标细胞107，使用光镊分选方案分选目标细胞107，并将分选后的目标细胞107转移至细胞收集器106；

步骤七、针对贴敷在样品池105上，且没有浸没或者半浸没在液体中的目标细胞107，使用激光显微切割分选方案或激光诱导向前转移分选方案分选目标细胞107，诱导其脱离液体进入细胞收集器106；

步骤八、针对贴敷在样品池105上，且完全浸没在液体环境中的样品，使用激光显微切割分选方案或激光诱导向前转移分选方案分选贴敷在样品池105上的目标细胞107，并将目标细胞107推入样品池105液体环境中形成悬浮细胞，随后采用光镊分选方案控制此悬浮细胞精准进入细胞收集器106；

步骤九、针对贴敷在样品池105上、目标细胞107与非目标细胞连接在一起的样品，使用激光显微切割分选方案，将目标细胞107推离样品池105表面，进入样品池105液体环境中形成悬浮细胞，随后由光镊分选方案控制该悬浮细胞精准进入细胞收集器106中；

步骤十、针对贴敷在样品池105上、目标细胞107在样品中是分立状态，使用激光显微切割分选方案或者激光诱导向前转移分选方案，将目标细胞107推离样品池表面，进入样品池105液体环境中形成悬浮细胞，随后由光镊分选方案控制该悬浮细胞精准进入细胞收集器106；

步骤十一、针对贴敷在样品池105上、尺寸低于1微米的目标细胞，使用激光诱导向前转移分选方案，将目标细胞107推离样品表面，进入样品池105液体环境中形成悬浮细胞，随后由光镊分选方案控制该悬浮细胞精准进入细胞收集器106。

本发明可精确分选悬浮在样品池中的目标细胞；还可精确分选贴敷在样品池上的半浸润、未浸润以及全浸润的目标细胞；还可精确分选目标细胞与非目标细胞连接在一起时的样品，；还可精确分选目标细胞在样品中是分立状态的样品；还可精确分选贴敷在样品池上尺寸低于1微米的目标细胞；分选细胞的范围十分广泛；本发明结构设计客户，操作步骤优化独创，具备较高的分选效率和工作安全可靠性，适合推广应用。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所应理解的是，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修改、等同替换等等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于激光系统的多功能细胞分选装置，其特征在于，包括：激光器系统、激光调制系统、显微成像系统、样品台、样品池、以及细胞收集器；

所述激光器系统，能够同时或单独或依次输出用于光镊分选方案、激光诱导向前转移分选方案以及激光显微切割分选方案的输出激光；

所述激光调制系统，能够调制所述输出激光的功率、波长、频率、脉冲宽度，以及调制所述输出激光的光斑尺寸、形状、个数；所述激光调制系统，能够同时或单独或者依次调制用于光镊分选方案、激光诱导向前转移分选方案以及激光显微切割分选方案的输出激光；所述激光调制系统，可控制输出激光入射进入样品池的方向、位置、角度；可控制用于激光显微切割分选方案、激光诱导向前转移分选方案的输出激光由样品池上方入射进入样品池；可控制用于光镊分选方案的输出激光由样品池下方或者侧方入射进入样品池；所述激光调制系统，能够调制激光显微切割分选方案、激光诱导向前转移分选方案、光镊分选方案这三种激光焦点在样品池中的相对位置；所述激光调制系统，可根据显微成像系统分析得到的样品信息调控输出激光进行细胞分选；

所述显微成像系统，用于显微观测所述样品池以及待分选样品；能够分析观测到的样品信息，得出目标细胞尺寸、形貌、位置、活性信息；并将分析结果传送至所述激光调制系统；

所述样品台用于放置样品池，能够调整样品池与输出激光的相对位置；还能够调整样品池与显微成像系统的相对位置，方便所述显微成像系统观察样品池中不同位置的样品；

所述样品池用于装载所述待分选样品；

所述细胞收集器设置在所述样品台下方，并与所述样品池连通，用于收集分选获得的目标细胞。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光系统的多功能细胞分选装置，其特征在于，所述激光器系统为：1台或多台激光发生器。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光系统的多功能细胞分选装置，其特征在于，所述激光调制系统，可调制输出紫外波段的激光用于激光显微切割分选方案、激光诱导向前转移分选方案。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光系统的多功能细胞分选装置，其特征在于，所述激光调制系统，可调制输出可见光波段激光、红外波段激光用于激光显微切割分选方案、激光诱导向前转移分选方案以及光镊分选方案。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光系统的多功能细胞分选装置，其特征在于，所述激光调制系统，可调制输出频率处于0.1～500MHz的飞秒激光，用于光镊分选方案；亦可调制输出连续激光，用于光镊分选方案。

6.根据权利要求1所述的一种基于激光系统的多功能细胞分选装置，其特征在于，所述激光调制系统，可调制输出频率处于0.1Hz～500MHz的飞秒、皮秒、纳秒激光，用于激光诱导向前转移分选方案。

7.根据权利要求1所述的一种基于激光系统的多功能细胞分选装置，其特征在于，所述显微成像系统可以与所述激光调制系统共用部分光路。

8.根据权利要求1所述的一种基于激光系统的多功能细胞分选装置，其特征在于，所述样品池对用于光镊分选方案的激光透明。

9.一种基于激光系统的多功能细胞分选装置的操作方法，其特征在于，包括：

步骤一、将待分选样品注入样品池；

步骤二、将样品池固定在样品台上；

步骤三、使用显微成像系统观察、分析样品池中目标细胞的尺寸、形貌、位置、活性信息；

步骤四、开启激光器系统，此时激光调制系统根据所述显微成像系统获得的目标细胞信息，决定使用显微切割分选、激光诱导向前转移分选、光镊分选中的一种或者几种分选方案分选细胞；

步骤五、使用激光调制系统控制输出激光的功率、波长、频率、脉冲宽度，调制激光光斑尺寸、形状、个数，开始分选细胞；

步骤六、针对悬浮在样品池中的目标细胞，使用光镊分选方案分选目标细胞，并将分选后的目标细胞转移至细胞收集器；

步骤七、针对贴敷在样品池上，且没有浸没或者半浸没在液体中的目标细胞，使用激光显微切割分选方案或激光诱导向前转移分选方案分选目标细胞，诱导其脱离液体进入细胞收集器；

步骤八、针对贴敷在样品池上，且完全浸没在液体环境中的样品，使用激光显微切割分选方案或激光诱导向前转移分选方案分选贴敷在样品池上的目标细胞，并将目标细胞推入样品池液体环境中形成悬浮细胞，随后采用光镊分选方案控制此悬浮细胞精准进入细胞收集器；

步骤九、针对贴敷在样品池上、目标细胞与非目标细胞连接在一起的样品，使用激光显微切割分选方案，将目标细胞推离样品池表面，进入样品池液体环境中形成悬浮细胞，随后由光镊分选方案控制该悬浮细胞精准进入细胞收集器；

步骤十、针对贴敷在样品池上、目标细胞在样品中是分立状态，使用激光显微切割分选方案或者激光诱导向前转移分选方案，将目标细胞推离样品池表面，进入样品池液体环境中形成悬浮细胞，随后由光镊分选方案控制该悬浮细胞精准进入细胞收集器；

步骤十一、针对贴敷在样品池上、尺寸低于1微米的目标细胞，使用激光诱导向前转移分选方案，将目标细胞推离样品表面，进入样品池液体环境中形成悬浮细胞，随后由光镊分选方案控制该悬浮细胞精准进入细胞收集器。

10.根据权利要求9所述的一种基于激光系统的多功能细胞分选装置的操作方法，其特征在于，所述待分选样品为可涂膜的样品时，采用刮刀涂敷或者旋涂的方式，将待分选样品涂敷在样品池上。

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