CN115505588A - 利用激光打开细胞外层结构的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用激光打开细胞外层结构的方法及装置，该方法由激光二极管射出的短脉冲激光经过光学镜片组收光、整光而汇聚于一焦点，以该短脉冲激光处理固定于该焦点或运动通过该焦点的生物样本，使得生物样本的细胞的细胞膜或细胞壁破裂。本发明可结合检测卡匣以及具有激光装置的仪器，有利于处理大量且产线式的检体筛检。

Description

利用激光打开细胞外层结构的方法及装置

技术领域

本揭露是关于一种利用激光打开细胞外层结构的方法及装置，且特别是关于一种利用短脉冲激光打开细胞外层结构的方法及装置。

背景技术

分子检测兼具快速筛检以及高准确性等优点，为近年来广泛使用的检测技术，随着分子检测技术的进步，相关领域对于核酸萃取技术的需求与日俱增。一般来说，核酸的萃取包括核酸的释放以及核酸的纯化，而核酸的释放即是利用机械手段、物理性手段或化学性手段破坏细胞，释放出核酸的方法。其中，该机械手段是利用一机械力，如研磨、压力、超音波震荡等方式将核酸自细胞中溶出；该物理性方法是利用温度变化，如利用液态氮反复快速冷冻、解冻等方式使细胞破裂，而破坏其结构等；该化学性手段则是利用药剂、化学或渗透压差异等方式，使细胞破裂。然而，前述各种核酸释放的方式均有操作繁琐、耗时、设备昂贵或便利性不高等缺点，同时人为操作易衍生污染以及误差，并不利于大批检体或产线式的筛检方式。因此，相关产业仍需要提供新的破菌技术，以满足相关产业的使用需求。

发明内容

本揭露的一目的在于提供一种利用激光打开细胞外层结构的方法，是利用短脉冲激光给予一生物样本震波(shock wave)，造成该生物样本细胞内瞬间的压力差，借此达到打开或破裂细胞的效果。如此，本揭露的方法可结合检测卡匣以及具有激光装置的仪器，有利于处理大量且产线式的检体筛检。

为达上述目的，本揭露的一较佳实施例提供一种利用激光打开细胞外层结构的方法，包括以下步骤。首先，提供与微控制器电连接的激光二极管，其中激光二极管被配置以发射短脉冲激光。其次，提供设置于激光二极管前方的光学镜片组，使短脉冲激光通过光学镜片组。接着，提供生物样本，其中该微控制器被配置以控制该生物样本的运动状态为静止状态或流动状态。然后，借由控制该短脉冲激光的重复频率及光束大小，以该短脉冲激光处理该生物样本，使得该生物样本的细胞的细胞膜或细胞壁破裂。

为达上述目的，本揭露的一较佳实施例提供一种利用激光打开细胞外层结构的装置，包括：微控制器、激光装置、信号产生器、电源供应器以及流速与流量控制器。其中，该激光装置包括光学镜片组以及可发射短脉冲激光的激光二极管；该信号产生器电连接于该微控制器与该激光二极管之间，被配置以接收该微控制器的第一信号而调整该短脉冲激光的重复频率；该电源供应器电连接于该微控制器与该激光二极管之间，被配置以接收该微控制器的第二信号而输出一电压至该激光二极管以控制该短脉冲激光的输出功率；电连接于该微控制器的流速与流量控制器被配置以接收该微控制器的第三信号而控制含有细胞或疑似含有细胞的生物样本的运动状态。其中，该短脉冲激光通过该光学镜片组时进行收光及整光并聚焦于一焦点，且该生物样本在该焦点上受该短脉冲激光处理而使得该生物样本的细胞的细胞膜或细胞壁破裂。

附图说明

图1绘示本揭露较佳实施例中利用激光打开细胞外层结构的方法的流程图。

图2绘示本揭露较佳实施例中以激光装置打开细胞外层结构的示意图。

图3绘示本揭露较佳实施例中用于打开细胞外层结构的装置的示意图。

图4绘示本揭露较佳实施例中短脉冲激光的输出功率与细胞破裂比率的关系图。

图5绘示本揭露较佳实施例中短脉冲激光的重复频率与细胞破裂比率的关系图。

符号说明:

1：利用激光打开细胞外层结构的装置

2：卡匣

3：激光装置

4：微控制器

5：信号产生器

6：流速与流量控制器

7：电源供应器

100：激光二极管

101、103、105：光

107：焦点

200：光学镜片组

210：收光透镜

230：聚焦透镜

300：流道

301：细胞

302：生物样本

A：方向

D：深度

S1：提供激光

S2：提供样本

S3：以激光处理样本

具体实施方式

为使熟习本揭露所属技术领域的一般技艺者能更进一步了解本揭露，下文特列举本揭露的数个较佳实施例，并配合所附图式，详细说明本揭露的构成内容及所欲达成的功效。并且，在不脱离本揭露的精神下，下文所描述的不同实施例中的技术特征彼此间可以被置换、重组、混合，以构成其他的实施例。

本揭露中所提及的“约”或“实质上”的用语通常表示在一给定值或范围的20％之内，较佳是10％之内，且更佳是5％之内，或3％之内，或2％之内，或1％之内，或0.5％之内。应注意的是，说明书中所提供的数量为大约的数量，亦即在没有特定说明“约”或“实质上”的情况下，仍可隐含“约”或“实质上”的含义。

请参照图1所示，其绘示本揭露第一实施例中的利用激光打开细胞外层结构的方法的流程图。首先，提供激光(步骤S1)，其例如是一短脉冲激光，如一纳秒激光(ns-laser)等，但不以此为限。在一实施例中，该短脉冲激光的波长例如是约介于800纳米(nm)至1100纳米之间，脉冲宽度(pulse width)约为1至500纳秒(ns)，而脉冲能量则介于20至2000纳焦耳(nanojoules,nJs)，但不以此为限。在一较佳实施例中，可选择使用纳秒的激光二极管(laser diode)发射该短脉冲激光，例如是图2及图3所示的激光二极管100，但不以此为限。在另一实施例中，该激光的种类除了激光二极管发射出的半导体激光外，还包括固态激光、光纤激光或其组合等。该激光的材料包括808nm及1064nm双波长的钕钇铝石榴石(Nd YAG)、波长905nm的砷化镓/砷化铝镓/铟砷化铝镓/铟砷化镓(GaAs/AlGaAs/InGaAlAs/InGaAs)、波长980nm的砷化铝镓铟(InGaAlAs)、磷化铟镓砷化物(InGaAsP)或其组合，但不以此为限。

需注意的是，激光二极管100所产生的光具有高指向性，并且容易控制能量，但因该短脉冲激光的发散角较大，较佳可搭配由多面透镜所组成的一光学镜片组200以改善其收光、整光与聚焦。请一并参照图2、图3所示，光学镜片组200包括一收光透镜210以及一聚焦透镜230，其中，收光透镜210例如为一短焦透镜，该短焦透镜的焦点约为5毫米(mm)、数值孔径(numerical aperture,NA)约为0.5，以利于快速整光，使光可接近平行；而聚焦透镜230则例如为一球面镜、物镜、非曲面镜、非球面镜或其组合，如一消球差透镜，该非曲面镜或非球面镜的焦点约为11毫米、数值孔径约为0.55，以利于将所有光聚焦。如此，当激光二极管100产生光101时，即可先穿过收光透镜210进行收光、整光，使得通过收光透镜210的光103平行前进，再接着穿过聚焦透镜230进行聚焦，使得通过聚焦透镜230的光105(即该短脉冲激光)可聚集于一焦点107，进而提高效率并减少能量损耗。较佳地，焦点107例如约为1至9毫米平方(mm²)，但不以此为限。本领域者应可轻易理解，在前述实施例中，收光透镜210以及聚焦透镜230的条件选择(如焦点、数值孔径)皆可因应所欲得到的焦点107大小而可有所不同，而焦点107大小则可依据后续待处理的生物样本的种类、来源等而调整，不以前述为限。此外，在另一实施例中，亦可选择以其他方式发射该短脉冲激光，例如可使用一激光振镜或一扫描头，以全面性扫描的方式发射该短脉冲激光。以该激光振镜为例，其设置于该激光二极管与该光学镜片组之间。该生物样本被置于流道300的一固定点(未绘示，例如可重叠于焦点107)且为静止时，该激光振镜用以将该短脉冲激光以二维或三维扫描方式发射通过该光学镜片组再至该生物样本上。

接着，提供样本(图1步骤S2)，其可以是各种可经由适当处理而取得核酸产物的生物样本302，如动植物组织、动植物细胞、微生物细胞或可能沾附有生物组织或细胞的检体，如血液、体液等，但不以此为限。较佳地，该样本可预先混合一流体(未绘示)，例如是缓冲液、清洗液等中性溶剂，使得该样本可随着该流体以每分钟0.01至1毫升(ml/min)的流速，更佳为每分钟0.015至0.5毫升的流速流经短脉冲激光的焦点107。请再一并参照图2所示，在一较佳实施例中，生物样本302以及该流体可在一流道300被驱动往一特定方向A流动，使得生物样本302内的细胞(或是组织、微生物)301亦可沿着方向A流动。其中，流道300的深度D例如约为0.01至3毫米，宽度(未绘示，是指流道300在一水平方向上的长度)则约为0.01至3毫米，但不以此为限。需注意的是，前述样本在流道300的流动方式、流动速度等均仅为例示，其可依据短脉冲激光的参数(如波长、脉冲能量等)对应调整，以符合实际操作需求，并且，流道300的设置条件(如深度D、宽度等)则可依据光学镜片组200的条件选择及/或焦点107的大小而有所不同，均不以前述数值为限。

然后，以激光处理样本(图1步骤S3)。激光光例如以约40瓦(W)至150瓦的输出功率、约0.5至3百万赫(megahertz,MHz)的重复频率发射至样本，借此，可通过该短脉冲激光的瞬间脉冲给予该样本震波(shock wave)，在生物样本302的细胞301内造成压力差，并借由该压力差破坏生物样本302内细胞301的细胞膜或细胞壁，进而达到破坏细胞301的效果。在一实施例中，以该短脉冲激光施打置于一固定点(未绘示，例如可重叠于焦点107)的该生物样本；但在另一实施例中，亦可选择使用图2所示的流道300，以该短脉冲激光对流经焦点107的生物样本302内的细胞301造成瞬间压力差，导致细胞301破裂后再继续流动，而该短脉冲激光即可随着生物样本302的流速施打生物样本302，以便于处理较大量批次或产线式的检体筛检。

由此，即完成本实施例中的利用激光打开细胞外层结构的方法，其利用该短脉冲激光瞬间给予生物样本302震波，造成生物样本302内细胞301的压力差，借此达到破坏细胞301的效果。该短脉冲激光较佳为纳秒激光，以达到较佳的发射效能，若该短脉冲激光的脉冲宽度过长，则无法有效给予细胞301压力差，若该短脉冲激光的脉冲宽度过短，则可能导致操作元件(如光学镜片组200或流道300)的毁损。另外，本实施例的方法较佳采用流道300来传递生物样本302，使得流道300的宽度、深度D可配合该短脉冲激光的焦点对应调整，避免以激光处理样本时，压力差无法有效破坏生物样本302的细胞301(因深度D过大)，使得该短脉冲激光的脉冲可有效地在该生物样本的细胞301内产生震荡。

请参照图3所示，其绘示本揭露第一实施例中可应用于利用激光打开细胞外层结构的装置1，其包括激光装置3、微控制器4、信号产生器5、流速与流量控制器6以及电源供应器7。请一并参照图2，图3绘示的激光装置3也包括光学镜片组200以及可发射短脉冲激光的激光二极管100。用于打开细胞外层结构的装置1的微控制器4被配置以传送第一信号至与之电连接的信号产生器5，与激光二极管100电连接的信号产生器5接着被配置以据此第一信号调整短脉冲激光的重复频率。微控制器4被配置以传送第二信号至与之电连接的电源供应器7，电源供应器7被配置据此第二信号并以电连接方式输出一电压至激光二极管100，以控制短脉冲激光的输出功率。再者，微控制器4被配置以传送第三信号至与之电连接的流速与流量控制器6，流速与流量控制器6可选择性地耦接一卡匣2且被配置以据此第三信号而将含有细胞301或疑似含有细胞301的生物样本302(参见图2)注入卡匣2的流道300，且被配置以控制生物样本302在流道300的运动状态为静止状态或流动状态。激光二极管100射出的短脉冲激光通过光学镜片组200进行收光及整光并聚焦于焦点107，且生物样本302在焦点107位置上即时受短脉冲激光处理而使得生物样本302的细胞301的细胞膜或细胞壁破裂。

在一实施例中，激光装置3所选用的收光透镜210及聚焦透镜230的NA值大于0.2，以利于该短脉冲激光的收光及减少光损耗；所选用的流速与流量控制器6例如为泵浦，种类包括针筒泵浦、汽缸式动力泵浦、定量液态泵浦、微型气态泵浦或其组合等。当仅变动输出功率(20瓦至45瓦)而该短脉冲激光的重复频率、生物样本302的流速分别固定为2MHz、0.41ml/min时，请参照图4所示，输出功率越高，细胞破裂比率随之增高。但当输出功率低于30瓦时，细胞破裂比率大幅降低。因此，本揭露的方法及装置可有效提高生物样本302的细胞301破裂比率达90％，可有效收取生物样本302内细胞301的核酸而利于后续核酸扩增反应。

在另一实施例中，当仅变动重复频率(0.5MHz至3MHz)而输出功率、流速分别固定为40瓦、0.41ml/min时，则如图5所示，生物样本302的流速固定但该短脉冲激光的重复频率偏低，则无法有效地破裂流道300中的细胞301，部分细胞301并无法受该短脉冲激光而加工：但生物样本302的流速固定但该短脉冲激光的重复频率过高，则会降低脉冲能量，导致细胞301破裂效果不佳。

因此，本揭露的利用激光打开细胞外层结构的方法可应用于本揭露的装置1及卡匣萃取反应，通过核酸萃取卡匣容置生物样本302，并于生物样本302于该核酸萃取卡匣内以一定流速流动时，利用该短脉冲激光给该生物样本302震波，造成生物样本302的细胞301破裂。其中，该短脉冲激光不但可通过装置1的激光二极管100及光学镜片组200提供，并且，该激光二极管100还可与光学镜片组100内建于该核酸萃取卡匣上，以改善该短脉冲激光的整光与聚焦。由此，本揭露的方法可结合本领域常用的检测卡匣以及激光装置，有利于处理大量且产线式的检体筛检。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (25)

1.一种利用激光打开细胞外层结构的方法，其特征在于，包括：

提供与一微控制器电连接的一激光二极管，其中该激光二极管被配置以发射一短脉冲激光；

提供一光学镜片组，设置于该激光二极管前方，使该短脉冲激光通过该光学镜片组；

提供一生物样本，其中该微控制器被配置以控制该生物样本的运动状态，该运动状态为静止状态或流动状态；以及

借由控制该短脉冲激光的重复频率及光束大小，以该短脉冲激光处理该生物样本，使得该生物样本的细胞的细胞膜或细胞壁破裂。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该短脉冲激光包括一纳秒激光，该短脉冲激光的脉冲宽度为1纳秒至500纳秒。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该短脉冲激光的波长介于800纳米至1100纳米。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该短脉冲激光的脉冲能量介于20纳焦耳至2000纳焦耳。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该短脉冲激光的输出功率为40瓦至150瓦，重复频率为0.5百万赫至3百万赫。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该生物样本存在于一流道中，当该运动状态为该静止状态时，该生物样本被置于该流道中的一固定点，且一振镜被设置于该激光二极管及该光学镜片组之间，用以将该短脉冲激光以二维或三维扫描方式发射至该生物样本上。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该生物样本存在于一流道中，当该运动状态为该流动状态时，该短脉冲激光随着该生物样本的流动施打该生物样本。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该生物样本的流速为每分钟0.01毫升至1毫升。

9.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，该流道的深度为0.01毫米至3毫米，宽度为0.01毫米至3毫米。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该短脉冲激光选自由半导体激光、固态激光、以及光纤激光所组成的群组其中之一，该激光二极管的材料选自由钕钇铝石榴石、砷化镓/砷化铝镓/铟砷化铝镓/铟砷化镓、砷化铝镓铟、以及磷化铟镓砷化物所组成的群组其中之一。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，该光学镜片组被配置以对该短脉冲激光进行整光以及聚焦，且该短脉冲激光的焦点为1毫米平方至9毫米平方。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该生物样本包括动植物组织、动植物细胞、微生物细胞或可能沾附有生物组织或细胞的检体。

13.一种利用激光打开细胞外层结构的装置，其特征在于，包括：

一微控制器；

一激光装置，包括一光学镜片组以及可发射一短脉冲激光的一激光二极管；

一信号产生器，电连接于该微控制器与该激光二极管之间，被配置以接收该微控制器的一第一信号而调整该短脉冲激光的重复频率；

一电源供应器，电连接于该微控制器与该激光二极管之间，被配置以接收该微控制器的一第二信号而输出一电压至该激光二极管以控制该短脉冲激光的输出功率；

一流速与流量控制器，电连接于该微控制器，被配置以接收该微控制器的一第三信号而控制含有细胞或疑似含有细胞的一生物样本的一运动状态；

其中，该短脉冲激光通过该光学镜片组时进行收光及整光并聚焦于一焦点，且该生物样本在该焦点上受该短脉冲激光处理而使得该生物样本的细胞的细胞膜或细胞壁破裂。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，该短脉冲激光包括一纳秒激光，该短脉冲激光的脉冲宽度为1纳秒至500纳秒。

15.如权利要求13所述的装置，其特征在于，该短脉冲激光的波长介于800纳米至1100纳米。

16.如权利要求13所述的装置，其特征在于，该短脉冲激光的脉冲能量介于20纳焦耳至2000纳焦耳。

17.如权利要求13所述的装置，其特征在于，该短脉冲激光的输出功率为40瓦至150瓦，重复频率为0.5百万赫至3百万赫。

18.如权利要求13所述的装置，其特征在于，该激光装置更包括设置于该激光二极管与该光学镜片组之间的一振镜，当该运动状态为静止时，该生物样本被置于一流道中的一固定点，且该振镜用以将该短脉冲激光以二维或三维扫描方式发射通过该光学镜片组再至该生物样本上。

19.如权利要求13所述的装置，其特征在于，该流速与流量控制器与一卡匣耦接，被配置以依据该第三信号而将该生物样本注入该卡匣的一流道，且被配置以驱动在该流道内的该生物样本处于一流动状态下，即时受该短脉冲激光处理。

20.如权利要求19所述的装置，其特征在于，该生物样本的流速为每分钟0.01毫升至1毫升。

21.如权利要求18或19所述的装置，其特征在于，该流道的深度为0.01毫米至3毫米，宽度为0.01毫米至3毫米。

22.如权利要求13所述的装置，其特征在于，该短脉冲激光的焦点为1毫米平方至9毫米平方。

23.如权利要求13所述的装置，其特征在于，该光学镜片组包括一收光透镜以及一聚焦透镜，其中，该收光透镜的数值孔径为0.5，该聚焦透镜的数值孔径为0.55。

24.如权利要求23所述的装置，其特征在于，该收光透镜包括一短焦透镜，该聚焦透镜选自由非球面透镜、物镜、球面镜、以及非曲面镜所组成的群组其中之一。

25.如权利要求13所述的装置，其特征在于，该流速与流量控制器选自由一针筒泵浦、一汽缸式动力泵浦、一定量液态泵浦、以及一微型气态泵浦所组成的群组其中之一。

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