CN114561266A - 颗粒分类装置及系统 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种颗粒分类装置及系统，属于光学超表面技术领域。该装置包括光驱动器和筛选通道；所述光驱动器包括光源和光学系统；所述筛选通道的一侧设置有光学窗口；所述筛选通道的另一侧设置有颗粒出口；其中，所述光学窗口与所述超表面相对，所述光源产生的光线经所述光学系统调制后，在所述颗粒出口处分别形成对应的焦点，以使目标颗粒在所述筛选通道中在光力的驱动下做类平抛运动后进入所述颗粒出口。该装置及系统通过在颗粒出口处形成光阱，采用光力驱动目标颗粒做类平抛运动，提高了分类效率。

Description

颗粒分类装置及系统

技术领域

本申请涉及光学超表面的技术领域，具体地，本申请涉及一种颗粒分类装置及系统。

背景技术

细胞生物学研究中对细胞的纯度具有很高的要求，把目标细胞分离纯化出来，一直是细胞生物学中的一个重要手段。

现有技术中，细胞的筛选通常使用流式细胞仪。流式细胞仪的原理是用鞘液将每个细胞分别包裹后逐个地向下流动，并根据不同细胞(大小、性质以及细胞成分)的散射不同，实现对目标细胞的识别。之后，对被识别的细胞施加电荷，通过电场将携带电荷的细胞分离。

现有技术中的流式细胞仪只能逐个识别，分类效率低。因此，亟需一种分类效率更高的设备。

发明内容

为了解决现有技术中流式细胞仪分类效率低的技术问题，本申请实施例提供了一种颗粒分类装置及系统。

一方面，本申请实施例提供了一种颗粒分类装置，所述装置包括光驱动器和筛选通道；

所述光驱动器包括光源和光学系统；

所述筛选通道的一侧设置有光学窗口；所述筛选通道的另一侧设置有颗粒出口；

其中，所述光学窗口与所述超表面相对，所述光源产生的光线经所述光学系统调制后，在颗粒出口处分别形成对应的焦点，以使目标颗粒在所述筛选通道中在光力的驱动下做类平抛运动后进入颗粒出口。

可选地，光学系统包括至少一个超表面；或光纤阵列和微透镜阵列的组合。

可选地，所述颗粒出口的数量大于等于2。

可选地，所述颗粒出口中的不同出口对应的焦点的大小不同。

可选地，所述颗粒出口中的不同出口对应的焦点的强度不同。

可选地，所述装置还包括光力调节器；

所述光力调节器设置于所述超表面和所述光学窗口之间；

所述光力调节器调节透过率以控制所述筛选通道中光场的强弱。

可选地，所述光力调节器包括光衰减器或偏振片。

可选地，所述至少一个超表面至少满足：

其中，

是所述超表面中需要调制的相位分布，r是所述超表面上任意一点到中心的距离，f是所述超表面的焦平面到超表面的距离，x_i是所述超表面离轴焦点在焦平面上到光轴的距离，α_xi是离轴主光线与光轴的夹角。

可选地，所述超表面包括基底和设置在所述基底上的微结构层；

其中，所述微结构层包括周期性排列的超结构单元；所述超结构单元的形状为可密堆积图形；并且，

所述可超结构单元中设置有所述微纳结构。

可选地，所述超结构单元中的每个均包括多组子单元；

所述多组子单元的形状均为可密堆积图形；

每组所述子单元中分别设置有相同类型的微纳结构，且相邻两个所述子单元中设置的微纳结构不同。

可选地，所述相同类型的微纳结构的尺寸不同；

所述尺寸包括直径或高度。

可选地，所述超结构单元的周期大于或等于200nm，且小于或等于1500nm。

可选地，所述微纳结构的高度大于或等于300nm，且小于或等于5μm。

可选地，所述微纳结构的半径大于或等于50nm，且小于或等于450nm。

可选地，所述装置还包括计算机；

所述计算机与所述光力调节器连接，用以控制所述光力调节器。

另一方面，本申请实施例还提供了一种颗粒分类系统，所述颗粒分类系统包括如上述任一实施例提供的颗粒分类装置和颗粒收集装置；

所述颗粒收集装置与所述颗粒出口相连。

本申请实施例提供的颗粒分类装置及系统，通过光驱动装置在筛选通道的颗粒出口处形成焦点，利用光力驱动颗粒在筛选通道中做类平抛运动后进入颗粒出口。该装置不需要对每个细胞进行识别后再逐个分类，极大地提高了分类效率。

附图说明

所包括的附图用于提供本申请的进一步理解，并且被并入本说明书中构成本说明书的一部分。附图示出了本申请的实施方式，连同下面的描述一起用于说明本申请的原理。

图1示出了本申请实施例提供的颗粒分类装置的一种可选的结构示意图；

图2示出了本申请实施例提供的超表面的一种可选的结构示意图；

图3示出了本申请实施例提供的超结构单元的一种可选的排布方式；

图4示出了本申请实施例提供的超结构单元的又一种可选的排布方式；

图5示出了本申请实施例提供的超结构单元的又一种可选的排布方式；

图6示出了本申请实施例提供的微纳结构的一种可选的示意图；

图7示出了本申请实施例提供的微纳结构的又一种可选的示意图；

图8示出了本申请实施例提供的超结构单元的子单元的一种可选的排布方式；

图9示出了本申请实施例提供的三种尺寸的颗粒在焦点处的光力分布；

图10示出了本申请实施例提供的三种尺寸的颗粒在焦点处的加速度分布。

图中附图分别表示：

10-光驱动器；20-筛选通道；30-光力调节器；40-颗粒收集装置；101-光源；102-超表面；201-光学窗口；202-颗粒出口。

具体实施方式

以下的描述在本质上只是示例性的而非意在限制本申请及其应用或用途。应当理解的是，附图中对应的附图标记始终指示相同的或对应的部件和特征。本教示适于结合在许多不同类型的光学设备上。出于示例的目的，本申请提供的超表面被示出为单片式平面超表面。但是，本教示同样适于其他角度的组合。

提供示例实施方式以使得本申请公开充分并且向本领域技术人员完整传达了范围。阐述了许多特定细节，例如特定部件、装置、以及方法的示例，以提供对本申请的实施方式的全面的理解。对于本领域技术人员而言将显而易见的是，不必采用特定细节，可以以许多不同的形式实施示例实施方式，并且都不应当解释为对本申请的范围的限制。在一些示例实施方式中，不详细描述公知方法、公知装置结构以及公知技术。

当元件或层被指处于另一元件或层“上”，或“接合于”、“连接于”或“联接于”另一元件或层时，该元件或层可直接位于该另一元件或层上，或直接接合于、连接于或联接于该另一元件或层，或者可存在居间的元件或层。相反，当元件被指“直接位于”另一元件或层“上”，或“直接接合于”、“直接连接于”或“直接联接于”另一元件或层时，不存在居间的元件或层。用于描述元件之间的关系的其它词语应该以同样的方式进行解释(例如，“位于…之间”对“直接位于…之间”，“邻近于”对“直接邻近于”，等)。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的所列物品中的一个或多个的任一及全部组合。

尽管本文会使用术语第一、第二、第三等来描述不同的元件、部件、区域、层和/或部分，但这些元件、部件、区域、层和/或部分不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用于将一个元件、部件、区域、层和/或部分与另一个区域、层和/或部分进行区分。诸如“第一”、“第二”和其它数字术语之类的术语在本文中使用时并不意味着次序或序列，除非通过上下文清楚地表明。由此，下面所讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可被称为第二元件、部件、区域、层或部分，而不脱离示例性实施方式的教示。

本申请实施例提供了一种颗粒分类装置，如图1所示，该颗粒分类装置包括光驱动器10和筛选通道20。光驱动器10包括光源101和光学系统102。筛选通道20的一侧设置有光学窗口201，而另一侧设置有颗粒出口202；其中，光学窗口201与光学系统102相对，光源101产生的光线经超表面102调制后，在颗粒出口202处分别形成对应的焦点，以使目标颗粒在筛选通道20中在光力的驱动下做类平抛运动后进入颗粒出口202。

可选地，光学系统102包括至少一个超表面；或光学系统102包括光纤阵列和微透镜阵列的组合。

具体而言，光场中的颗粒受到光的梯度力和散射力的作用，本申请实施例利用不同的颗粒在光场中受力不同实现颗粒分类的目的。光驱动器10中光源101发出的光束经过光学系统102的调制后从光学窗口201射入后在颗粒出口形成焦点。因此，光驱动器10发出的光束在颗粒出口202处聚焦并形成光阱。可选地，光学窗口201的长度小于或等于筛选通道20的长度。

进一步地，当包含目标颗粒的流体在筛选通道20中流动时，上述光阱在垂直于流体流动的方向上产生较强的梯度光场，从而给颗粒施加一个该方向的光力。故，在光场中的颗粒由于光力的作用，从而做类平抛运动。由于不同的颗粒大小、材质及形状不同，不同的颗粒受到的光力也不同，且与颗粒的尺寸不成正比，所以获得的垂直于流体流动方向的加速度也不同。细胞亦是如此，不同大小、材质及形状的细胞在同一光场下受到的光力不同，其加速度也不同。

由上可知，通过针对目标颗粒的性质(大小、材质及形状等)设计光场，使不同性质的待分类颗粒中，与目标颗粒性质相同的颗粒受到的光力最大。于是，当包含有目标颗粒的流体在筛选通道20中流动时，与目标颗粒性质相同的颗粒在光力作用下做类平抛运动优先被光阱捕获，能够进入颗粒出口202。与此同时，与目标颗粒性质不同的其余颗粒则在流体的作用下从光阱中逃逸。

需要说明的是，本申请实施例提供的颗粒分类装置可以分类的颗粒能够透过工作波段的光。并且，颗粒的尺寸在几十纳米到几十微米，包括生物细胞、细胞器及生物大分子的尺度范围。可选地，光源101发出的光可以是宽谱光，也可以使单色光；可以是紫外光、可见光和红外光中的任一中。当光源101为红外光源时需要注意红外波段的热效应对细胞的损伤。

更进一步地，当需要筛选出两种或两种类型以上的颗粒时，可以设置至少两个颗粒出口202。不同颗粒在光场中受到的光力不同，做类平抛运动的加速度不同。可选地，通过设计超表面102使入射光束在不同的颗粒出口202分别形成对应的焦点。通过设计使得不同的焦点按照施加在不同颗粒上的加速度大小，从大到小线性分布在流体方向上，在此情况下，具有最大加速度的颗粒分流，其余颗粒继续流动，直至在对应的焦点作用下分流。也就是说，沿着颗粒在筛选通道20中流动的方向，按照颗粒的加速度对颗粒出口202排序，加速度最大的颗粒从第一颗粒出口分流，加速度第二的颗粒从第二颗粒出口分流，以此类推。优选地，按照要筛选出的种类设计焦点的数量，使每个焦点负责捕获一种类型的颗粒。可选地，焦点的大小不同，即不同焦点处光斑的大小不同。可选地，不同焦点的光强不同。

由于颗粒的加速度受光力的影响，而光力的大小跟光场强度正相关。因此，在焦点前设置光力调节器可以通过控制透过率人为调节光场的强弱，进而调节焦点处光阱对颗粒施加的光力和加速度的大小。

更有利地，如图1所示，本申请实施例提供的颗粒分类装置还包括光力调节器30，光力调节器30设置于光学窗口201和超表面102之间。光力调节器30通过调节透过率以控制筛选通道20中的光场强弱。在此基础上，可以实现灵活地根据颗粒种类即时调节光场分类标准，实现任意颗粒种类的分类。可选地，光力调节器30包括光衰减器或偏振片等。优选地，当颗粒出口202的数量大于或等于两个时，每个颗粒出口202对应一个光力调节器30。也就是说，优选地，每个焦点的强度可以独立调节。

光力调节器30的存在使该颗粒分类装置具有可编程性。可选地，本申请实施例提供的颗粒分类装置还包括计算机40。计算机40与光力调节器30连接，用以控制光力调节器30。

接下来，对根据本申请的实施方式的超表面进行更详细的描述。

超表面是超表面的一种具体应用。超表面是一层亚波长的人工纳米结构膜，可根据其上的超表面超结构单元来调制入射光。超表面的超结构单元包含全介质或等离子的纳米天线，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。

本申请实施例中提供的超表面至少满足：

其中，

是超表面中需要调制的相位分布，r是超表面上任意一点到中心的距离，f是超表面的焦平面到超表面的距离，x_i是超表面离轴焦点在焦平面上到光轴的距离，α_xi是离轴主光线与光轴的夹角。当本申请实施例提供的颗粒分类装置通过多个焦点进行分类时，光学系统102对应多个超表面，则

是所述超表面中需要调制的相位分布，r是第i个超表面上任意一点到中心的距离，f是第i个超表面的焦平面到超表面的距离，x_i是第i个超表面离轴焦点在焦平面上到光轴的距离，α_xi是离轴主光线与光轴的夹角。由于超表面的设计灵活性，在一些情况下，多个超表面可以集成设计在同一超表面中。当多个超表面集成设计在同一超表面时，每个超表面仍然满足上述公式(1)。

图2示出了根据本申请的实施方式的超表面的结构示意图。图3、图4和图5示出了根据本申请的实施方式的超表面的微结构层的平面视图。

如图2所示，根据本申请的实施方式，超表面包括基板和设置在基板上的微结构层，其中微结构层包括周期性排列的超结构单元。该超结构单元中设置有微纳结构。

如图3所示，根据本申请的实施方式，超结构单元可以布置成正六边形的阵列。此外，如图4所示，根据本申请的实施方式，超结构单元可以布置成正方形的阵列。如图5所示，根据本申请的实施方式，超结构单元还可以布置成扇形。本领域技术人员应认识到，微结构层中包括的超结构单元还可以包括其他形式的阵列布置，所有这些变型方案均涵盖于本申请的范围内。超结构单元的周期与入射光的波长相关。可选地，超结构单元的周期大于或等于200nm，且小于或等于1500nm。应理解，微结构层中超结构单元的周期可以全部相同，也可以部分相同。

根据本申请的实施方式，可选地，每个超结构单元的中心位置和/或顶点位置处分别设置有微纳结构。根据本申请的实施方式，微纳结构是全介质结构单元。根据本申请的实施方式，微纳结构工作波段具有高透射率。根据本申请的实施方式，微纳结构可由如下材料中的至少之一形成：氧化钛、氧化硅、氮化硅、氮化镓、磷化镓、氧化铝、氢化非晶硅等材料。例如，当目标波段是可见光时，微纳结构的材料包括氮化硅、氧化钛、氮化镓、磷化镓和氢化非晶硅中的一种或多种；当目标波段是近红外光时，微纳结构的材料包括氮化硅、氧化钛、氮化镓、磷化镓、氢化非晶硅、非晶硅和晶体硅中的一种或多种；当目标波段是远红外光时，微纳结构的材料包括晶体硅、晶体锗、硫化锌和硒化锌中的一种或多种；当目标波段是紫外光时，微纳结构的材料包括氧化铪。需要说明的是，基底和微纳结构的材质可以相同，也可以不同。

超表面的超结构单元中的微纳结构可以具有纳米鳍的形式。尽管图6中所示的微纳结构的截面是长方形，而图7中所示的微纳结构的截面是椭圆形，但是本申请不限于此。微纳结构还可以采用其他形式的结构，所有这些变型方案均涵盖于本申请的范围内。微纳结构的尺寸与入射波长相关。可选地，微纳结构的高度大于或等于300nm，且小于或等于5μm。可选地，微纳结构的直径大于或等于50nm，且小于或等于450nm。垂直于高度轴的尺寸是指沿垂直于高度轴的方向切割微纳结构获得的截面的尺寸。例如，对于纳米鳍，其垂直于高度轴的截面为长方形，则垂直于高度轴的尺寸指长方形的长和宽。即，纳米鳍的截面的长和宽介于50nm至450nm。再例如，对于纳米椭圆柱，其垂直于高度轴的截面为椭圆，则垂直于高度轴的尺寸指椭圆的长轴和短轴的长度。本申请实施例提供的微纳结构还可以是偏振不敏感结构，例如纳米圆柱、正方形柱等。偏振不敏感结构对入射光施加一个传播相位。

根据本申请的实施方式，各微纳结构之间可以填充空气或者在工作波段透明或半透明的其他材料。根据本申请的实施方式，所填充的材料的折射率与微纳结构的折射率之间的差值的绝对值应大于等于0.5。

对于本申请实施例中，将多个超表面集成设计为一个超表面。可以采用在超结构单元中设计子单元的方式，通过微纳结构的混合排布实现不同的功能。可选地，参见图8，超结构单元中的每个均包括多组子单元；多组子单元的形状均为可密堆积图形；每组子单元中分别设置有相同类型的微纳结构，且相邻两个子单元中设置的微纳结构不同。图8示出了通过微纳结构交错排列使一个超表面实现不同功能。

另一方面，本申请实施例还提供了一种颗粒分类系统，该系统包括上述任一实施例提供的颗粒分类装置和颗粒收集装置50。颗粒收集装置50与颗粒出口202对应连接，用于按种类收集颗粒。

示例性地，本申请实施例提供了一种颗粒分类装置，如图1所示。该装置包括光驱动器10和筛选通道20。光驱动器10包括光源101和光学系统102。筛选通道20的一侧设置有光学窗口201，而另一侧设置有三个颗粒出口202；其中，光学窗口201与光学系统102相对，光源101产生的光线经光学系统102调制后，在三个颗粒出口202处分别形成对应的焦点，以使目标颗粒在筛选通道20中在光力的驱动下做加速度不同的类平抛运动后分布进入三个颗粒出口202。

其中，光学系统102为超表面。该超表面由三个不同功能的超表面集成设计，将三组功能不同的微纳结构交错布置在同一基底上。三个超表面的相位分布满足公式(1)。其中，x_i分别为-300μm、0、300μm，偏转角约为-20°、0、20°。超表面采用周期为1500nm的正方形超结构单元，其中每个超结构单元包括9个周期为500nm的子单元，采用如图8所示的排列方式。该超表面的工作波长采用1550nm，微纳高度为800nm，半径从50到450变化。超表面的设计焦距为800μm，超表面直径为500μm。

根据本申请的实施方式，给出一组直径分别为1μm、2.5μm和5μm的纳米颗粒进行分类。通过控制光力调节器30调节各个颗粒出口处的通光量，使得各微粒在光场中所受的y方向光力分布如图9所示，其y方向加速度如图10所示。包含有上述颗粒的流体以初速度v₀进入筛选通道20，在各个焦点的光力作用下，不同直径的颗粒收到的加速度不同。参见图9和图10，由于光力与微粒的体积的平方成正比，因此较大的微粒加速度更大，将率先下落到光阱中，根据尺寸的不同，不同大小的微粒将分别下落到不同的光阱中。通过控制光力调节器30使光阱以一定频率开关，从而使得被光阱捕获的颗粒能够沿着分流通道流入对应的细胞收集腔中。

综上所述，本申请实施例提供的颗粒分类装置及系统，通过光驱动装置在筛选通道的颗粒出口处形成焦点，利用光力驱动颗粒在筛选通道中做类平抛运动后进入颗粒出口。该装置不需要对每个细胞进行识别后再逐个分类，极大地提高了分类效率。该装置采用光力进行颗粒分类，且不用施加鞘液和电荷，因此具有结构简单、体积小、效率高、无接触可操控性强且成本低等优点。

此外，本申请实施例还可以设置多个颗粒出口，对多种颗粒进行分类筛选。特别地，本申请可以对三种或三种以上的颗粒进行分类，这是传统的流式细胞仪无法做到的。

以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (16)

1.一种颗粒分类装置，其特征在于，所述装置包括光驱动器(10)和筛选通道(20)；

所述光驱动器(10)包括光源(101)和光学系统(102)；

所述筛选通道(20)的一侧设置有光学窗口(201)；所述筛选通道(20)的另一侧设置有颗粒出口(202)；

其中，所述光学窗口(201)与所述超表面(102)相对，所述光源(101)产生的光线经所述光学系统(102)调制后，在所述颗粒出口(202)处分别形成对应的焦点，以使目标颗粒在所述筛选通道(20)中在光力的驱动下做类平抛运动后进入所述颗粒出口(202)。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学系统(102)包括至少一个超表面或光纤阵列和微透镜阵列的组合。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述颗粒出口(202)的数量大于等于2。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述颗粒出口(202)中的不同出口对应的焦点的大小不同。

5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述颗粒出口(202)中的不同出口对应的焦点的强度不同。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括光力调节器(30)；

所述光力调节器(30)设置于所述超表面(102)和所述光学窗口(201)之间；

所述光力调节器(30)调节透过率以控制所述筛选通道(20)中光场的强弱。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述光力调节器(30)包括光衰减器或偏振片。

8.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述超表面至少满足：

其中，

是所述超表面(102)中需要调制的相位分布，r是所述超表面上任意一点到中心的距离，f是所述超表面的焦平面到超表面的距离，x_i是所述超表面离轴焦点在焦平面上到光轴的距离，α_xi是离轴主光线与光轴的夹角。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述超表面包括基底和设置在所述基底上的微结构层；

其中，所述微结构层包括周期性排列的超结构单元；所述超结构单元的形状为可密堆积图形；并且，

所述可超结构单元中设置有所述微纳结构。

10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述超结构单元中的每个均包括多组子单元；

所述多组子单元的形状均为可密堆积图形；

每组所述子单元中分别设置有相同类型的微纳结构，且相邻两个所述子单元中设置的微纳结构不同。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述相同类型的微纳结构的尺寸不同；

所述尺寸包括直径或高度。

12.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述超结构单元的周期大于或等于200nm，且小于或等于1500nm。

13.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述微纳结构的高度大于或等于300nm，且小于或等于5μm。

14.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述微纳结构的半径大于或等于50nm，且小于或等于450nm。

15.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括计算机(40)；

所述计算机(40)与所述光力调节器(30)连接，用以控制所述光力调节器(30)。

16.一种颗粒分类系统，其特征在于，所述颗粒分类系统包括如权利要求1-15中任一所述的颗粒分类装置和颗粒收集装置(50)；

所述颗粒收集装置(50)与所述颗粒出口(30)相连。

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