CN113684128A - 一种光电镊操控系统及使用其操控可操控对象的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光电镊操控系统及使用其操控可操控对象的方法，该光电镊操控系统不仅能通过光电微流体芯片产生的介电泳力来操控、捕获、搬运可操控对象，还进一步设置有远程控制系统，使得操作员无需近距离接触实验装置，仅在远程控制系统的移动终端通过用户界面即可实现对光学图案的设计、信号的发送、可操控对象的操控以及接收反馈图像等实验操作，有效打破实验人员和场地的局限性，使得远程实验成为可能，保护实验环境不被污染，能为各类实验人员提供更多便利实验。
Description
技术领域
本发明属于光学显微成像与光学操控技术领域，具体涉及一种光电镊操控系统及使用其操控可操控对象的方法。
背景技术
光电镊，也称为光学诱导介电电泳(optoelectronic tweezing，OET)，可以利用小功率对细胞和微纳米粒子进行并行操纵，目前已被应用于各类微纳米制造以及生物学应用中。例如，基于OET微机器人已被验证用于分离单细胞进行克隆扩增和RNA测序(Shuailong，Z等人(2019)，Proceedings of the National Academy of sciences，116(30)，14823-14828)。OET还用于分析红细胞(Neale，S.L等人(2012)Proceedings of Spie theInternational Society for Optical Engineering，8458(7)，27)的相对硬度以及影响大肠杆菌(A.Mishra等人(2016)Lab on A Chip，16(6)，10.1039)细胞膜的条件。在储能、催化以及复杂电子器件领域，光电镊也可应用制造性能优良的微电子器件，例如电池(Yang，W等人(2017)Small，13(5)，1602769)、石墨烯组装体(Lim，M等人(2018)Applied PhysicsLetters，113(3)，031106)和二硫化钼薄膜晶体管(Meng(2017)Acs Applied Materials&Interfaces，9，8361-8370.)的三维水凝胶微观结构。
光电镊系统不同于介电泳操控预先制备的固定电极结构，可编程的光学图案投影使其具有很大灵活性，同时又可以使用更小光功率来产生所需操控力，是一种有良好应用前景的微操控技术。
然而，目前使用的光电镊系统中，低操纵通量仍是亟待解决的问题，多个细胞的大批量操纵仍是技术难点。其次，光电镊系统的无线远程控制可以减少生物污染实验环境，而这一远程操控系统的可能性目前还没有被研究。在微流体芯片中，在光学感应电场的作用下，光电镊系统表现为电动力学机制，其中微纳米粒子被电场极化从而具有不同的介电性质。在常规应用光电镊技术时，通常单独用或正或负的介电泳力操纵靶粒子，这限制了该技术在其他研究中的适用性。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提供一种光电镊操控系统，操作员可以对该系统进行远程操控，这样能够减少实验环境的污染，并提高操控效率；其次，本发明的另一个目的在于继而提供一种使用前述光电镊操控系统操控可操控对象的方法，该方法可以利用可操控对象微粒自身的介电性质来提高操控效率。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种光电镊操控系统，其包括：投影成像模块、实时显示观测模块、照明模块以及辅助模块。其中，投影成像模块按照光线传播方向依次为：投影仪、缩束透镜组、第一分束镜、物镜、光电微流体芯片，该投影成像模块主要用于将投影仪产生的光学图案投射到光电微流体芯片上；实时显示观测模块按照光线传播方向依次为：光电微流体芯片、物镜、第一分束镜、第二分束镜、成像透镜、图像传感器；照明模块按照光线传播方向依次为：光源、聚光透镜、第二分束镜、第一分束镜、物镜、光电微流体芯片，光源发出的散射光经聚光透镜变为平行光后为系统提供照明。
其中，投影成像模块、实时显示观测模块和照明模块可以共用第一分束镜和物镜，照明模块与实时显示观测模块可以共用第二分束镜。
本领域技术人员可以理解的是，作为一种常规实现方式，第一分束镜可以选用例如PBS二色反射镜，和/或，光源可以选用例如LED照明灯，和/或，图像传感器可以选用例如CCD相机，和/或，聚光透镜与成像透镜均可以选用例如凸透镜。
作为本发明的优选，为保障成像效果，系统用投影仪可以选用含有DMD芯片的投影仪，该种投影仪能作为可编程计算机光学图案生成装置使用。DMD芯片上密密麻麻地排列有80万至100万面小镜子，且每个小镜子都可以独立向正负方向翻转10度，并可以每秒钟翻转65000次，光源通过这些小镜子反射到屏幕上直接形成图像，其光学路径相当简单，体积更小。
本发明的光电镊操控系统还进一步设置有函数发生器，函数发生器本质上可以是一电压源。当函数发生器向光电微流体芯片施加电压时，光电微流体芯片的光导层经投影成像模块投射过来的光学图案的照射而产生虚拟电极，虚拟电极产生垂直于光导层平面的非均匀电场，非均匀电场能对放置在光电微流体芯片上的细胞或颗粒等可操控对象施加介电泳力。
本发明的光电镊操控系统还进一步设置有载物台，光电微流体芯片设置于载物台上，载物台可以是一种微位移台。
本发明的光电镊操控系统还进一步设置有控制单元，控制单元可以向光电镊实验设备发送控制信号并接收结果反馈，操作员在现场通过该控制单元可实现对光电镊操控系统的各种操控。
在本发明的一较佳实施例中，光电镊操控系统的辅助模块包括基于云端的远程控制系统，远程控制系统由云服务器、多终端交互平台等构成。
本领域技术人员可以理解的是，作为一种常规实现方式，云服务器可以选用商业服务器。公知地，商业服务器可以处理大量耗时的计算负载，包括图像处理、投影图形生成、数据格式转换等。
进一步地，多终端交互平台可包括上述控制单元以及远程终端。其中，控制单元、远程终端和云服务器之间可以通过云网络实现两两交互通信，传输控制命令和数据信号。优选地，控制单元用计算机可以是多个，远程终端也可以是多个。
为便于使用的目的，作为一种常规实现方式，上述控制单元作为现场设备之一，例如可以是一计算机，计算机可以是任何形式的电脑，例如工业控制计算机、PC机、笔记本电脑等；当远程终端是便携式终端，例如可以选用各种可移动终端：平板电脑、手机等。
但本领域技术人员可以理解的是，控制单元和/或远程终端均可以是各类固定式终端，和/或，也可以是各类便携式终端。
优选地，远程控制系统还包括路由器。
优选地，为了方便操作员操控和观察，该控制单元和远程终端会设置有显示装置和数据输入输出设备。
为了方便操作员现场和/或远程地对系统进行操控，控制单元和远程终端上均设置有跨平台图形用户界面(GUI)，并配备有专用的标准GUI程序，标准GUI程序集合图像传感器实时监控、投影图形的设计与控制、获得的显微镜图像的后处理、识别结果显示等各功能于一体。
标准GUI程序的使用可大大简化操作员的操作步骤，仅在一个界面上便可实现发送设计好的投影图像、控制图像的变化和移动、接收处理后的芯片图像等所需的全部功能。例如，投影成像模块中的光学投影图案可在远程终端上使用标准GUI程序进行设计，然后通过云服务器发送到控制单元的计算机上。
作为本发明的优选，上述远程控制系统的各模块可以部署在无线局域网下，基于WebSocket协议进行安全云通信，利用WebSocket协议，在一个TCP连接下实现全双工通信通道，避免使用HTTP协议，提高了系统的整体安全性。
远程控制系统将光电镊操控系统的各种功能划分为不同的模块，通过在高性能云服务器内进行复杂的集中数据处理，提高了系统的效率和专业化，实现了远程跨平台操作。
本发明的光电镊操控系统可用于操作形状不限的各类细胞或颗粒等可操控对象，可操控对象的形状可以为球状、杆状或螺旋状，例如金属颗粒、非金属颗粒、细胞、原核细胞、真核细胞、细菌细胞等。
作为本发明的优选，可操控对象的尺度可在5μm～100μm范围内，也可操控其它尺度的样品。
另一方面，本发明继而提供一种使用上述光电镊操控系统操控可操控对象的方法，该方法可用于捕获和/或运输颗粒或细胞等可操控对象。在该方法中，将可操控对象放置在光电微流体芯片中，使用函数发生器向光电微流体芯片施加电压，以便利用介电泳力捕获可操控对象。同时，光电镊操控系统可以投射一个或多个光斑来同时操控一个或多个可操控对象。
作为本发明的优选，函数发生器向光电微流体芯片施加交流电压，电压大小约为10Vpp，电压频率约为100kHz，对于直径大小为15μm的可操控对象，基于本发明所提供的光电镊操控系统，可操控对象被操控时单个粒子的传输速度可达1.60μm/s，多个粒子传输速度可达1.54μm/s。
进一步地，作为对上述方法的一种改进，用以提升捕获和/或搬运可操控对象的效率。在该方法中，将可操控对象放置在光电微流体芯片中，利用电荷吸引原理，使多个小尺寸正电荷颗粒粘附在大尺寸负电荷颗粒上，形成结合粘附粒子堆，当函数发生器向光电微流体芯片施加交流电压时，利用介电泳力捕获和/或运输所形成的前述结合粘附粒子堆，这样可以提高一次性操控可操控对象的粒子数量和效率。
本领域技术人员可以理解的是，上述方法中被粘附和/或搬运的可操控对象粒子可以为颗粒或细胞，粒子的形状不受限制。
需要特别提及的是，作为本发明所提供的上述光电镊操控系统的一个显著优点，若可操控对象为活细胞，操控结束后对活细胞不会造成影响。
作为本发明的优选，结合粘附粒子堆的粒子粘附比可达到1：2，即表示1个大尺寸负电荷颗粒上可以粘附2个小尺寸正电荷颗粒。
优选地，为方便操控的目的，光电微流体芯片中含有去离子水，可操控对象放置在去离子水。
本发明所提供的上述光电镊操控系统，能克服微纳米实验对人员、场地的限制问题，通过搭建光电镊操控系统及远程控制平台，实现系统与操作终端的实时通信，操作人员不用近距离接触实验装置，仅在移动终端通过用户界面即可实现对光学图案的设计、信号的发送、光电微流体芯片中微纳米粒子的操纵以及接收反馈图像等实验操作。此外，基于WebSocket协议进行安全云通信还能保护数据在传输过程中的安全。
与现有技术相比，本发明所提供的上述光电镊操控系统，其系统整体结构简单，模块化安装简明方便，能大大降低搭建成本，具有良好的产业化前景，通过附有远程控制平台，该光电镊操控系统能有效打破实验人员和场地的局限性，使得远程实验成为可能，保护实验环境不被污染，为各类实验人员提供了更多便利。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解。在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图仅描绘了根据本发明公开的一些实施方式，用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，而不应将其视为是对本发明范围的限制。其中：
图1为本发明提供的一种光电镊操控系统的结构示意图；
图2为本发明提供的上述光电镊操控系统的远程控制系统的结构示意图；
图3为本发明提供的上述光电镊操控系统的安全云通信的原理图；
图4为本发明提供的上述光电镊操控系统所用的基于WebSocket协议的数据传输的原理图；
图5为本发明提供的上述光电镊操控系统所用的标准GUI程序的典型界面示意图；
图6为操作员基于远程控制系统操控上述光电镊操控系统的实景图；
图7为操作员基于上述光电镊操控系统操控聚苯乙烯微粒的实景图；
图8为操作员基于上述光电镊操控系统操控绿眼虫的实景图；
图9为操作员基于上述光电镊操控系统操控粘附粒子堆的实景图。
附图标记：
投影仪1、第一凸透镜2、第二凸透镜3、第一分束镜4、物镜5、光电微流体芯片6、第二分束镜7、第三凸透镜8、图像传感器9、第四凸透镜10、光源11、计算机12、便携式终端13、函数发生器14、载物台15、云服务器16、路由器17。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
首先，本发明提供了一种光电镊操控系统，图1则示出了本发明所提供的该种光电镊操控系统的具体结构。图1中，该光电镊操控系统包括投影仪1、缩束透镜组、第一分束镜4、物镜5、光电微流体芯片6、第二分束镜7、第三凸透镜8、图像传感器9、第四凸透镜10、光源11、控制单元、函数发生器14和载物台15。其中，缩束透镜组包括第一凸透镜2和第二凸透镜3，光电微流体芯片6设置于载物台15上。
在本发明的一较佳实施例中，第一凸透镜2可选用焦距为150mm的凸透镜，第二凸透镜3可选用焦距为300mm的凸透镜，第三凸透镜8可选用焦距为100mm的凸透镜，第四凸透镜10可选用焦距为150mm的凸透镜，物镜5可选用20倍物镜。
光电镊操控系统工作时，首先由投影仪1将光学图案发射出去，光学图案依次经过缩束透镜组的第一凸透镜2和第二凸透镜3后减小聚焦光斑，其能量密度得到加强，而后经第一分束镜4改变光路，最后穿过物镜5到达设置于载物台15上的光电微流体芯片6。
若此时函数发生器14向光电微流体芯片6施加了电压，由于光电微流体芯片6上的光导层表面被上述光学图案部分光照，电子-空穴对的数量会显著增加，便产生了虚拟电极，从而生成非均匀电场，引起电动现象，对电场中的粒子施加介电泳力。
与此同时，由光源11发出的散射光经第四凸透镜10变为平行光，再经第二分束镜7改变光路后，依次经过第一分束镜4和物镜5到达光电微流体芯片6为观察芯片提供照明。
观察芯片具体是，光电微流体芯片6的图像可经由第一分束镜4、第二分束镜7、第三凸透镜8由图像传感器9收集，并将图像信息传送到控制单元。
为了方便操作员操控和观察，控制单元通常设置有显示装置和数据输入输出设备，供操作员实时观察图像传感器9收集的光电微流体芯片6的图像，和/或输入进一步的控制命令。
本领域技术人员可以理解的是，控制单元可包括一计算机12，其具有显示装置和数据输入输出设备。其中，计算机12被设计为与光电镊操控系统中需要控制的对象模块相连，用于向对象模块发送控制信号并接收结果反馈。如图1所示，计算机12与图像传感器9和投影仪1连接，用于接收图像传感器9传送过来的图像信息并可向图像传感器9发送控制信号，以及用于向投影仪1发送数据信息和控制信号，但这仅是一种示例，计算机12还可以单独地或并行地与光电镊操控系统的其它可控的对象模块相连。
为提升上述光电镊操控系统的操控性能，有效打破实验人员和场地的局限性，作为一种改进与升级，本发明所提供的该种光电镊操控系统还进一步具有远程操控功能。基于图2所示出的本发明的该种光电镊操控系统的远程操控原理，为了实现远程操控光电镊系统，在上述光电镊操控系统的基础上继续增加远程控制模块，设计并搭建基于云网络的远程控制系统，如图2所示，该远程控制系统包括云服务器16和多终端交互平台。
为方便操控的目的，多终端交互平台可包括上述控制单元和远程终端。在此实施例中，远程终端选用的是当前流行的各类便携式终端13。其中，计算机12和便携式终端13之间可以交互通信，互传数据信息和控制命令。为了方便计算机12和便携式终端13之间的交互通信，设计并实现跨平台图形用户界面(GUI)，可以简化操作步骤，降低操作难度，使得操作员通过便携式终端13便可以和光电镊操控系统之间进行高效地交互。例如计算机12可将图像传感器9收集的光电微流体芯片6的图像传送给便携式终端13以供操作员实时观察，和/或，操作员通过便携式终端13向计算机12输入进一步的控制命令。
为有效发挥远程控制的便捷性，如图2所示，远程控制系统的云服务器16和多终端交互平台可以借助路由器17部署在无线局域网下，其中计算机12、便携式终端13和云服务器16之间可以通过无线网络实现两两交互通信，传输数据信号。
进一步地，为提高系统的整体安全性，如图3所示，系统总体架构分为三个模块，分别为交互模块、服务模块、执行模块，每个模块都将是一个独立的应用程序，可以分别运行在不同的计算机上，之间通过互联网相连接，进行数据的交换和传输，如图3所示。交互模块即为人机交互的界面，包括GUI界面、CCD图像识别显示以及获取实验人员的操控命令，将运行在Windows、MacOS、iOS以及Android等桌面或移动终端平台上。服务模块是为实验中相关部分提供计算能力的模块，也是部署于云计算平台的模块，在其上面设置了WebSockets服务器，并编写了OpenCV图像识别程序作为云端服务器，服务模块上与交互模块相连接，下与执行模块相连接，起到承上启下的作用，通过在云计算平台上部署该模块，可以实现多用户多设备独立操作，互不干涉，实现高可靠性、高稳定性、高利用率，大幅提高时间效率，从而实现云计算的基本目的和需求。执行模块为实验室搭建的光电镊操控系统，作为操控颗粒的终端。远程控制系统的各模块之间基于WebSocket协议进行安全云通信，应用云数据传输原理，利用WebSocket协议，可以在一个TCP连接下实现全双工通信通道，避免使用HTTP协议，保证了传输数据的安全性。
但本领域技术人员可以理解的是，本发明的该种光电镊操控系统还可以被配置为具有其他形式的通信协议。
进一步地，图4示出了光电镊操控系统所用的基于WebSocket协议的数据传输的原理。如图4所示，对于基于Websocket协议的数据传输，首先客户机端需要向服务器端发送链接请求，此连接请求主要由HTTP协议的握手请求继承而来，以实现良好的兼容性，握手成功之后就建立了双向数据传输链接。当需要关闭链接时，请求关闭链接的一方发起链接关闭请求，随后双方协商断开链接，整个链接过程结束。服务模块将在运行中不断监听指定端口的链接信息，当检测到任一交互模块或者执行模块的链接请求后，即按照流程与其建立WebSocket传输链接，随后服务模块与交互模块或者执行模块都可发起数据传输，如执行模块传送当前平台的状态，或者交互模块传送人的指令等，数据经云端服务器计算后可返回给相应模块。当某一方的程序关闭时，会单方面发起关闭数据链接请求，之后整个链接过程结束。
为了方便操作员现场和/或远程地对系统进行操控，本发明的该种光电镊操控系统还配备有专用的标准GUI程序，用来搭建跨平台图形用户界面，可装设于控制单元和/或远程终端上。图5则示出了这种标准GUI程序的一个典型的界面，该标准GUI程序集图像传感器实时监控、投影图形的设计与控制、获得的显微镜图像的后处理、识别结果显示等多任务于一体，仅在一个界面上便可实现发送设计好的投影图像、控制图像的变化和移动、接收处理后的芯片图像等所需的全部功能，这大大简化了操作员的操作难度。
图6示出了操作员基于远程控制系统操控本发明的该种光电镊操控系统的实景。其中，iPad在这里用做远程控制系统中的便携式终端13，投影图形使用iPadGUI设计，并通过云服务器16发送到计算机12，实现对光电镊操控系统的远程操控。
基于iPad的远程操控大大提高了光电镊操控系统的使用灵活性，消除了涉及微粒子特殊处理的问题，可以最大限度地避免因实验人员造成的生物实验环境污染的问题，对于许多对实验室洁净度要求较高的实验来说，本发明的该种光电镊操控系统无疑提供了很大的便利。
下面具体描述本发明的该种光电镊操控系统的一种示例性的具体使用方式和具体工作原理：
这里，使用iPad类移动终端用做远程控制系统中的便携式终端13，图像传感器9选用CCD相机，投影仪1选用含有DMD芯片的投影仪，使用PC机用作计算机12。
首先，由操作员使用iPad在GUI界面中完成光学图案的设计，将设计好的光学图案发送到PC机中，该PC机被设计为连接并控制投影仪1，PC机控制投影仪1将光学图案发出并经相应光路照射到光电微流体芯片6的光导层上，光电微流体芯片6已被事先导入了实验用可操控对象。
当将光电微流体芯片6连接到函数发生器14后，在电极上施加交流电压时，便可产生非均匀电场并对光电微流体芯片6中的可操控对象施加介电泳力，形成介电泳力势阱以实现操控实验用可操控对象的目的。
随后，CCD相机会捕获光电微流体芯片6上的图像并发送回PC机，PC机先将图像数据发送给云服务器16进行处理，然后云服务器16将处理好的图像传输回iPad的用户界面，使操作员在iPad上便可直接观察实验用可操控对象的实时状态，并进行相应的实验操作，例如：对可操控对象的分选，保留选中的可操控对象并进行进一步的实验和分析处理，释放不需要的可操控对象等；也可将所需实验用可操控对象输运到所需位置进行进一步研究，或者对可操控对象进行物理量测量等。
当然，本领域技术人员可以理解的是，上述光电微流体芯片6上的图像发送回PC机时，也可以在PC机的显示装置上直接显示，或经云服务器16处理好的上述图像也可以传输回PC机的用户界面，以供现场的操作员所用。
通常来讲，本发明的该种光电镊操控系统所针对的实验用可操控对象通常会是一种微粒，操作员借助光电镊操控系统可以远程操作单个或多个具有不同介电性质的微粒，并基于微粒进行诸如细胞研究或者药物研究等。实验过程中，操作员可以全程不需要到实验现场，仅在远程终端上的用户界面即可完成。
操作示例一
作为本发明的该种光电镊操控系统的一种具体应用，如图7所示，可以用于操控光电微流体芯片6中悬浮在去离子水中的聚苯乙烯微粒，示例性但非限制性的实施方案的操作参数为：直径15μm的聚苯乙烯微粒；远程操控GUI界面；微粒数目为单个或多个；正电或负电微粒操控；10Vpp(交流电压)、100kHz(电压频率)。实验中，观察到单个聚苯乙烯微粒的操控速度达1.6μm/s，多个聚苯乙烯微粒的操控速度达1.54μm/s。
操作示例二
作为本发明的该种光电镊操控系统的另一种具体应用，可以用于进行光电微流体芯片6中悬浮在去离子水中的绿眼虫的姿态角度调整。在该应用中，操作员使用光电镊操控系统对放置在光电微流体芯片6中的绿眼虫进行垂直姿态角度调整，调整操作具体通过改变函数发生器14向光电微流体芯片6施加的电压信号来实现，在施加电压的大小约为10Vpp的前提下，如图8所示，操作员通过将电压信号频率调定为100kHz可将绿眼虫姿态角定位为90°，通过将电压信号频率调定为10MHz可将绿眼虫姿态角定位为50°，通过将电压信号频率调定为60MHz可将绿眼虫姿态角定位为0°。
操作示例三
作为本发明的该种光电镊操控系统的再一种具体应用，可以用于利用相反介电性质粒子进行聚苯乙烯微粒粘附输运。在该应用中，操作员使用光电镊操控系统运输粘附在微螺旋藻上的聚苯乙烯微粒，其避免了微纳米机器人和运输对象的特殊处理工艺。如图9所示，在2.75s实现微螺旋藻对聚苯乙烯微粒的粘附，形成结合粘附聚苯乙烯粒子堆，然后通过光斑捕获微螺旋藻一端，然后可将微螺旋藻先向左下移动，然后再向右下移动，最后再向右上移动，实现粘附输运搬运。
在该应用中，结合粘附粒子堆的粒子粘附比为1：2，即表示1个大尺寸微螺旋藻上可以粘附2个小尺寸聚苯乙烯微粒。
本发明所提供的上述光电镊操控系统，其系统整体结构简单，模块化安装简明方便，能大大降低搭建成本，具有良好的产业化前景，通过附有远程控制平台，该光电镊操控系统能有效打破实验人员和场地的局限性，使得远程实验成为可能，保护实验环境不被污染，为各类实验人员提供了更多便利。
并且，作为本发明所提供的上述光电镊操控系统具备一个显著的优点，若可操控对象为活细胞，操控结束后对活细胞不会造成影响。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种光电镊操控系统，其特征在于，该光电镊操控系统包括投影仪(1)、缩束透镜组、第一分束镜(4)、物镜(5)、光电微流体芯片(6)、第二分束镜(7)、第三凸透镜(8)、图像传感器(9)、第四凸透镜(10)、光源(11)、控制单元、函数发生器(14)；其中，
所述投影仪(1)产生的光学图案能够经所述缩束透镜组、所述第一分束镜(4)、所述物镜(5)投射到所述光电微流体芯片(6)；
所述函数发生器(14)被构造为能够向所述光电微流体芯片(6)施加电压信号，以使得所述光电微流体芯片(6)在所述光学图案的作用下产生可施加于可操控对象的介电泳力；
所述光源(11)产生的光线能够经所述第四凸透镜(10)、所述第二分束镜(7)、所述第一分束镜(4)、所述物镜(5)投射到所述光电微流体芯片(6)，
所述光电微流体芯片(6)的光线能够经所述物镜(5)、所述第一分束镜(4)、所述第二分束镜(7)、所述第三凸透镜(8)到达所述图像传感器(9)，以使得所述图像传感器(9)产生关于所述可操控对象的图像；
所述控制单元被构造为能分别与所述投影仪(1)和所述图像传感器(9)相互通信以传输数据和/或控制信号。
2.根据权利要求1所述的光电镊操控系统，其特征在于，所述光电镊操控系统进一步包括基于云的远程控制系统，所述远程控制系统包括所述控制单元、远程终端、云服务器(16)；其中，所述控制单元、所述远程终端和所述云服务器(16)之间能够基于WebSocket协议的云网络实现两两交互通信以传输数据和/或控制信号。
3.根据权利要求2所述的光电镊操控系统，其特征在于，所述控制单元和/或所述远程终端被构造为能够对所述光电镊操控系统进行所述图像传感器(9)的实时监控、所述投影仪(1)产生的所述光学图案的设计与控制、获得图像的后处理、识别结果显示；所述控制单元和所述远程终端均设置有人机交互用用户界面，基于该用户界面，操作员通过所述控制单元和/或所述远程终端控制所述光电镊操控系统。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的光电镊操控系统，其特征在于，所述投影仪(1)为含有DMD芯片的投影仪；所述缩束透镜组包括第一凸透镜(2)和第二凸透镜(3)，所述投影仪(1)产生的所述光学图案能够依次通过所述第一凸透镜(2)和所述第二凸透镜(3)；所述第一分束镜(4)为PBS二色反射镜；所述图像传感器(9)为CCD相机；所述光源(11)为LED光源。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的光电镊操控系统，其特征在于，所述可操控对象为颗粒和/或细胞，所述可操控对象的形状为球状、杆状或螺旋状。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的光电镊操控系统，其特征在于，所述可操控对象的形状为球状、杆状或螺旋状。
7.一种使用根据权利要求1-6中任意一项所述的光电镊操控系统操控可操控对象的方法，其特征在于，所述方法包括：
将所述可操控对象放置于所述光电微流体芯片(6)上的步骤；
通过所述函数发生器(14)向所述光电微流体芯片(6)施加电压信号的步骤；
通过所述投影仪(1)产生光学图案并通过该光学图案作用于所述光电微流体芯片(6)以产生可施加于所述可操控对象的介电泳力的步骤；
进一步通过投射一个或多个光斑来同时操控一个或多个所述可操控对象的步骤。
8.一种使用根据权利要求1-6中任意一项所述的光电镊操控系统操控可操控对象的方法，其特征在于，所述方法包括：
将多个所述可操控对象放置于所述光电微流体芯片(6)上的步骤；
将放置于所述光电微流体芯片(6)上的多个所述可操控对象粘附在大尺寸颗粒上以形成粘附粒子堆的步骤；
通过所述函数发生器(14)向所述光电微流体芯片(6)施加电压信号的步骤；
通过所述投影仪(1)产生光学图案并通过该光学图案作用于所述光电微流体芯片(6)以产生可施加于所述粘附粒子堆的介电泳力的步骤；
所述粘附粒子堆的粒子粘附比为1：2。
9.根据权利要求7-8中任意一项所述的方法，其特征在于，所述光电镊操控系统包括基于云的远程控制系统，所述远程控制系统包括所述控制单元、便携式终端(13)、云服务器(16)；其中，所述控制单元和所述便携式终端(13)均设置有人机交互用用户界面，所述方法进一步包括操作员基于所述用户界面通过所述控制单元和/或所述便携式终端(13)控制所述光电镊操控系统的步骤。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118486023A (zh) * | 2024-07-16 | 2024-08-13 | 微纳动力(北京)科技有限责任公司 | 一种光电镊微粒阵列化系统及方法 |
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| WO2005100541A2 (en) * | 2004-04-12 | 2005-10-27 | The Regents Of The University Of California | Optoelectronic tweezers for microparticle and cell manipulation |
| CN107959712A (zh) * | 2017-11-09 | 2018-04-24 | 北京智慧融成教育科技有限公司 | 一种共享实验室系统及操作方法 |
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2021
- 2021-08-24 CN CN202110975091.0A patent/CN113684128A/zh active Pending
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