CN113502223A

CN113502223A - 活体单细胞转动角度主动光操控方法及装置

Info

Publication number: CN113502223A
Application number: CN202110782470.8A
Authority: CN
Inventors: 尹君; 王少飞; 于凌尧; 陈宏宇; 胡徐锦; 贾源; 苑立波
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2021-07-12
Filing date: 2021-07-12
Publication date: 2021-10-15

Abstract

本发明提供一种活体单细胞转动角度主动光操控方法及装置。其特征是：该装置由两台激光器组成。一台激光器发出的光束经显微物镜聚焦后，实现对细胞的稳定捕获。另一台激光器发出的光束经过声光偏转器后发生不同的偏转角度，由显微物镜聚焦后交替照射到被捕获细胞的两侧，实现细胞旋转角度的精准主动光操控。本发明可实现对特定活体单细胞稳定捕获和转动角度的精准主动光操控，具有结构简单、造价低廉、灵活度高、操作容易等特点，可广泛应用于在医学和生物学研究中对特定活体单细胞生命活动过程中物理和化学特性的长时间观察和研究。

Description

活体单细胞转动角度主动光操控方法及装置

(一)技术领域

本发明涉及的是一种活体单细胞转动角度主动光操控方法及装置，实现待测活体单细胞的稳定捕获和精准主动操控，可广泛用于对特定活体单细胞生命活动过程的物理和化学性质进行长时间观察和研究，属于光镊光操控研究领域。

(二)背景技术

细胞是有机体构成及其生命活动的基本单位，有机体的一切生命活动如运动、呼吸、代谢和生殖等最终都要靠各种细胞来完成。细胞是有机体生长与发育的基础，有机体的生长和发育是依靠细胞的分裂、迁移、分化与凋亡来实现的。细胞是遗传信息传递的桥梁，上一代的遗传信息存在于生殖细胞的细胞核中，细胞中的遗传信息指导下一代有机体生命的构建。细胞是生命起源的归宿，也是生物进化的起点。正如著名生物学大师EBWilson指出的“一切生命现象的奥秘都要从细胞中寻求解答”。

对于细胞研究遵循着科学发展的规律不断深入和发展，经历了细胞水平、亚细胞水平和分子水平等不同研究层次。我们所面临的挑战是以展开生命活动的大环境活细胞作为“试管”，在尽量避免影响细胞自身性质及其所处微环境的前提下，以非接触、无损伤的方式获取活体单细胞的亚细胞精细结构。这就要求在对活体单细胞进行长时间的观察和研究的过程中，对其进行稳定的捕获和精准的操控。针对细胞研究应运而生的细胞操控技术一直是国内外研究的热点，其中包括诸如介电泳法、电阻抗法、免疫磁珠法和力学特性法等一系列有效方法，这些方法对维持细胞活性和对细胞的无损观察都存在很大的不足。

在生物学研究领域中，光镊的出现为细胞和大分子物理和化学特性的深入研究带来了前所未有的技术手段，使科研工作者由对研究目标的被动观察转为主动操控。光镊技术是利用聚焦光场形成的光阱产生力学效应，可以在不影响细胞内部及所处微环境的条件下，以非机械接触、无损伤的方式稳定捕捉、精准操控和快速筛选单个病毒、细胞甚至生物大分子。此外，光镊不仅可以操控微粒，还可以进行微小力的测量。作为定量分析工具，光镊技术可以对感兴趣的系统施加经校准的皮牛量级的光阱力，实现对光阱力作用引起的目标系统位移量的高精度、高灵敏度的测量。同时，光镊技术的提出和发展为以非机械接触、无损伤的方式长时间观察处于液态环境中的活细胞，获取其内部结构，及其物理和化学性质，进而深入研究细胞生命活动过程的生物调控机制等打开了大门，揭示了单个细胞如何工作并相互影响的未知过程，并能阐述亚细胞进化和行为之间的联系。

本发明涉及的是一种活体单细胞转动角度主动光操控方法及装置。利用两台激光器精准操控细胞，激光通过显微物镜聚焦后交替照射到被捕获细胞的两侧，使其绕特定轴线旋转。当细胞旋转至每一个角度并达到稳定状态后，使用科勒照明精确监测细胞转动过程的姿态。共同完成对细胞的精确操控。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种活体单细胞转动角度主动光操控方法及装置，具有结构简单、操作方便、灵活性高、集成度高等特点。

本发明的目的是这样实现的：

它由白光LED光源1；反射镜2、16；聚光镜3；待测活体单细胞4；复消色差显微物镜5、17；滤光片6；CCD相机7；激光器8、12；透镜9、10、14、 15；双色镜11；声光偏转器13组成。激光器8输出的激光经透镜9、10扩束后，经双色镜11反射耦合进复消色差显微物镜17，作为捕获光聚焦在待测活体单细胞4上，稳定捕获待测活体单细胞。激光器12输出的激光耦合进声光偏转器13，产生具有一定偏转角度的激光光束。经透镜14、15和反射镜16耦合进复消色差显微物镜17。通过交替改变声光偏转器的调制频率，使聚焦光束交替聚焦在待测活体单细胞4的两端，分别作为推动细胞旋转的推动光和停止细胞旋转的制动光，实现对细胞转动角度的精准主动光操控。当细胞旋转至一个角度并达到稳定后，白光LED光源1发出的白光经反射镜2反射，再经聚光镜3在待测活体单细胞4上形成全场均匀的科勒照明。待测活体单细胞4的图像信息由复消色差显微物镜5收集，经滤光片6消除背景噪声，由CCD相机7记录细胞的空间位置信息。本发明可用于实现对特定活体单细胞的稳定精准的捕获和空间转动角度的精准主动光操控，可广泛用于对特定活体单细胞生命活动过程的物理、化学性质进行长时间观察和研究。

其中声光偏转器13通过周期性的改变光线偏转的角度照射到待测活体单细胞4的左侧或右侧，来控制细胞旋转，激光光源1发出的激光聚焦在待测活体单细胞4的中心，来捕获细胞，使细胞固定住。

激光光源8发出的激光由透镜9、10整合，通过双色镜11和复消色差显微物镜17到达细胞，实现对待测活体单细胞4的固定。激光光源12发出的激光经过声光偏转器13再经过透镜14、15和反射镜16到达待测活体单细胞4两侧，通过推动一侧实现细胞的旋转，旋转至一定角度再通过AOD的作用改变激光的角度，使激光聚焦在细胞另一侧，制动细胞，实现控制细胞绕特定轴线旋转的效果。

推动时的光功率略大于制动时的光功率，所以随着AOD将激光的角度转换，光功率也应该随之改变，目的是为了给细胞一定的时间旋转。如图2所示的一路光路的作用是推动细胞，使细胞旋转，细胞旋转一定角度后AOD改变光偏转的角度，如图中另一条光路，在细胞另一侧推动细胞，使细胞制动。细胞停止后的一段时间内没有脉冲光的输入，细胞处于静止状态，这段时间用于细胞成像，一段时间后再继续重复上述过程。

光操控部分由激光器8的捕获光和激光器12发出的经声光偏转器13控制的可偏转的光组成，捕获光的作用是捕获待测活体单细胞4，使细胞固定在一个位置，以便于成像和绕固定轴心旋转。激光器12发出的激光进入声光偏转器 13，声光偏转器13可以改变激光的角度，通过透镜最后到达细胞的一侧来推动细胞，当细胞转过一定的角度，通过AOD的作用，光线向另一个方向偏转，到达细胞的另一侧来制动细胞，当细胞静止时，CCD相机7再次收集不同角度的细胞状态，实现对特定活体单细胞生命活动过程的长时间观察和研究。

显微成像系统主要由白光LED光源1；反射镜2；聚光镜3；复消色差显微物镜5；滤光片6；CCD相机7；待测活体单细胞4组成。所述系统中，白光LED光源1发出的白光经反射镜2反射，再经聚光镜3在待测活体单细胞4 上形成科勒照明。复消色差显微物镜5和CCD相机7用于记录细胞空间位置的图像信息，滤光片6用于除去杂散光。该系统完成精确监测细胞转动过程的姿态，来观察光操控系统的效果，实现在细胞内部连续快速扫描，实现对特定活体单细胞生命活动过程的长时间观察和研究。

(四)附图说明

图1是一种活体单细胞转动角度主动光操控方法及装置的结构示意图。

图2是光操控部分的示意图，展示了捕获光和操控光的结构，该部分由一束固定的光和通过声光偏转器交替产生的激光构成，用来固定细胞和操控细胞。

图3是对操控细胞旋转和固定的光的功率示意图。

附图标记说明：1-白光LED光源；2-反射镜；3-聚光镜；4-待测活体单细胞；5-复消色差显微物镜；6-滤光片；7-CCD相机；8-激光光源；9-透镜；10- 透镜；11-双色镜；12-激光光源；13-声光偏转器；14-透镜；15-透镜；16-反射镜； 17-复消色差显微物镜。

(五)具体实施方式

下面结合实例对本发明进行进一步的详细说明，以令本领域的技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

一种活体单细胞转动角度主动光操控方法及装置，其特征是：所述系统由光操控系统和显微成像系统所组成。所述系统由白光LED光源1；反射镜2、 16；聚光镜3；待测活体单细胞4；复消色差显微物镜5、17；滤光片6；CCD相机7；激光器8、12；透镜9、10、14、15；双色镜11；声光偏转器13组成。激光器8输出的激光经透镜9、10扩束后，经双色镜11反射耦合进复消色差显微物镜17，作为捕获光聚焦在待测活体单细胞4上，稳定捕获待测活体单细胞。激光器12输出的激光耦合进声光偏转器13，产生具有一定偏转角度的激光光束，经透镜14、15和反射镜16耦合进复消色差显微物镜17。通过交替改变声光偏转器的调制频率，使聚焦光束交替聚焦在待测活体单细胞4的两端，分别作为推动细胞旋转的推动光和停止细胞旋转的制动光，实现对细胞转动角度的精准主动光操控。当细胞旋转至一个角度并达到稳定后，白光LED光源1发出的白光经反射镜2反射，再经聚光镜3在待测活体单细胞4上形成全场均匀的科勒照明。待测活体单细胞4的图像信息由复消色差显微物镜5收集，经滤光片6消除背景噪声，由CCD相机7记录细胞的空间位置信息。本发明可用于实现对特定活体单细胞的稳定精准的捕获和空间转动角度的精准主动光操控，可广泛用于对特定活体单细胞生命活动过程的物理、化学性质进行长时间观察和研究。

细胞的固定是依靠激光光源8的光束来实现的，发出的光束用作捕获固定细胞，并且捕获光的功率要大于操控细胞旋转的光的功率，才能保证操控细胞旋转时，捕获光稳定的抓住细胞不被操控光推到其他地方。细胞的旋转主要是靠声光偏转器来完成的，激光光源12发出的激光经过声光偏转器13，再经过透镜14、15，经过反射镜16的反射，穿过双色镜11到达细胞两侧，声光偏转器可以使激光偏转一定的角度，在细胞左侧时，激光推动细胞顺时针旋转，当细胞旋转一定的角度后，在声光偏转器的作用下，激光偏转一定的角度，此时的光路照射在细胞右侧，反向推动细胞，使细胞停止，从而实现控制细胞旋转和停止。细胞停止后光片显微镜开始工作，在声光偏转器的作用下激光又照射在细胞的左侧推动细胞，重复上述成像过程，实现对特定活体单细胞生命活动过程的长时间观察和研究。

对于同一个种类的细胞，捕获光的强度保持不变，并且强度要大于推动光，来确保细胞固定，不会在推动光的作用下推到视野外。细胞在培养液中的旋转相对缓慢，所以细胞推动时的光功率要略大于制动时的光功率，并且制动与推动之间有一小段时间间隔，这段时间让细胞在惯性作用下旋转，旋转过一个角度后开始制动，细胞缓慢停止，细胞在推动光推动阶段，惯性旋转阶段，以及制动阶段旋转过的角度之和就是每一次成像细胞旋转的角度，这个角度可以通过控制光功率的大小，以及时间间隔的长短来控制，满足我们对不同大小、不同质量的细胞都可以精确的控制旋转的角度。

提供以上实例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改均应涵盖在本发明的范围内。

Claims

1.一种活体单细胞转动角度主动光操控方法及装置，其特征是：所述系统由光操控系统和显微成像系统所组成。所述系统由白光LED光源1；反射镜2、16；聚光镜3；待测活体单细胞4；复消色差显微物镜5、17；滤光片6；CCD相机7；激光器8、12；透镜9、10、14、15；双色镜11；声光偏转器13组成。激光器8输出的激光经透镜9、10扩束后，经双色镜11反射耦合进复消色差显微物镜17，作为捕获光聚焦在待测活体单细胞4上，稳定捕获待测活体单细胞。激光器12输出的激光耦合进声光偏转器13，产生具有一定偏转角度的激光光束。经透镜14、15和反射镜16耦合进复消色差显微物镜17。通过交替改变声光偏转器的调制频率，使聚焦光束交替聚焦在待测活体单细胞4的两端，分别作为推动细胞旋转的推动光和停止细胞旋转的制动光，实现对细胞转动角度的精准主动光操控。当待测活体单细胞旋转至一个角度并达到稳定后，白光LED光源1发出的白光经反射镜2反射，再经聚光镜3在待测活体单细胞4上形成全场均匀的科勒照明。待测活体单细胞4的图像信息由复消色差显微物镜5收集，经滤光片6消除背景噪声，由CCD相机7实时记录细胞的空间位置信息，为细胞转动角度的精准主动光操控提供实时反馈信息。本发明可用于实现对特定活体单细胞的稳定捕获和空间转动角度的精准主动光操控，可广泛用于对特定活体单细胞生命活动过程的物理和化学性质进行长时间观察和研究。

2.根据权利要求1所述的光操控系统，光操控部分由激光器8的捕获光和激光器12发出的经声光偏转器13控制的可偏转的光组成，捕获光的作用是稳定捕获待测活体单细胞4，使其固定在一个位置，以便进行长时间观察和研究。激光器12发出的激光耦合进声光偏转器13，通过改变声光偏转器13的调制频率改变出射激光光束的偏转角度。激光光束通过显微物镜聚焦在细胞的一侧，推动细胞绕捕获光的转动轴转动。当细胞转过一定的角度，激光光束聚焦在细胞的另一侧，停止细胞的转动过程，使其停止在特定的转动角度上。当细胞转动过程中，CCD相机实时记录细胞转动过程中的姿态。

3.根据权利要求1所述的显微成像系统，显微成像系统主要由白光LED光源1；反射镜2；聚光镜3；复消色差显微物镜5；滤光片6；CCD相机7；待测活体单细胞4组成。所述系统中，白光LED光源1发出的白光经反射镜2反射，再经聚光镜3在待测活体单细胞4上形成科勒照明。复消色差显微物镜5和CCD相机7用于记录细胞空间位置的图像信息，滤光片6用于除去杂散光。该系统用来观察光操控系统的操控效果，为细胞转动角度的精准操控提供实时反馈信息，实现细胞转动过程中转动姿态的精确主动光操控。