CN117007587A - 基于光辐射力的微纳颗粒质量光学精密测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种基于光辐射力的微纳颗粒质量光学精密测量系统。其特征是：该系统由光捕获，光推动和位移量测量三部分组成。激光器输出的激光光束经显微物镜聚焦作为捕获光，捕获悬浮在溶液中的微纳颗粒。另一束与其光轴垂直的激光通过斩波器调制成具有一定周期的脉冲光，对被捕获的微纳颗粒施加周期性光推动力，使其在捕获光的光势阱范围内发生位移。使用四相限探测器接收微纳颗粒的前向散射光，实现位移量的精确测量。基于测量参数求解朗之万方程，实现微纳颗粒质量的精密测量。本发明构建的系统具有测量精度高，结构简单，测量速度快，样本需求量少等特点，在生物学、医学、药理学和生命科学等众多研究领域具有广泛的应用前景。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是基于光辐射力的微纳颗粒质量光学精密测量系统，可作用于药物体内浓度定量分析，实时监测人或动物代谢过程，属于生物光子学领域。
(二)背景技术
随着癌症等重大疾病患病率的提高及生物医药技术的不断发展，精准医疗已成为国家战略性新兴产业的重要组成部分。相比传统诊疗手段，精准医疗更重视药物剂量的高度精准性，药物的定点释放和质量实时检测成为其中一项重中之重的技术。
近年来，纳米科学和纳米技术的发展使纳米材料得到广泛的应用。在所有的纳米材料中，金属纳米颗粒作为一种无机纳米粒子，因其具有良好的生物相容性，并在体循环中能够高效靶向于肿瘤组织等多种独特的优势，在抗肿瘤药物中的应用逐渐被关注。
据研究，某些形状的金属纳米颗粒往往能够在特定波长的激光的照射下产热，在杀伤肿瘤细胞的同时，促使表面化学键断裂，释放抗肿瘤药物。释放药物的剂量即药物浓度直接与药效相关，但纳米药物制剂体内浓度定量方法存在一个关键点，即测定方法的不同决定了体内样本分析中测定的药物浓度形式不同。
常规的色谱、质谱分析方法只能对相对分子质量明确的自由释放药物进行直接测定，对纳米载体的定量测定较为困难，所以常规的色谱、质谱分析方法一般直接对体内的自由释放药物进行定量分析，获取自由释放药物浓度的数据。
如果需要对纳米药物制剂体内总药物浓度进行定量分析，通常情况下需要对血浆或组织液中的纳米载体结合药物进行物理方法处理，将纳米载体结合药物从载体上裂解下来，再与血浆或组织液中原有的自由释放药物加和，以测定血浆或组织液中的总药物浓度。
如何避免微纳颗粒所处液体环境扰动对实时测量的影响，是实现对微纳颗粒质量在体实时精确测量和长时间动态监测所必须解决的一个重要问题。现今，光学和力学自由度的耦合是许多研究微纳范围内物体质量的基本测量工具。在亚纳米尺度和微米尺度上，光动力操控已经是一种成熟的技术，可以实现精确的质量的测定。因此，基于光动力操控的精准医疗方法在医学、病理学、药理学等众多研究领域中引起了广泛的关注。
光镊是光动力操作中极为主要的一项技术，光镊利用光场的力学效应，可以在不影响周围环境的条件下，以非机械接触的方式无损伤地捕捉、操控和筛选单个金属纳米颗粒。在恶性肿瘤一类的重大疾病治疗中，通过给患者注射光敏剂，其通过血液运输选择性聚集在肿瘤组织处，再利用特定波长的光照射病灶处或者将光纤插入肿瘤内部进行照射，光敏剂被激发产生活性氧且纳米药物制剂作为底物被激发，药物诱导肿瘤细胞凋亡、坏死或过度自噬，从而达到治疗的效果。
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顿量级的光阱力，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。目前，在分子生物学、生物化学和生物物理学等研究领域中，分析光镊技术已经发展成为一种在分子水平上操控和分析微纳颗粒的强大工具。
通过分析金属纳米载体的质量，从而分析药物在人或动物体液及各组织器官中数量和质量的变化，了解人或动物代谢过程，快速精准分析对于作用在病变器官的药物的作用过程和在病灶附近药物的剂量，为诸多疾病尤其是恶行肿瘤的治疗提供了新思路。
本发明涉及的是一种基于光辐射力的微纳颗粒质量光学精密测量系统。利用光镊捕获金属纳米颗粒，通过周期性光推动力使被捕获的金属纳米颗粒产生位移，并利用四相限探测器输出的光电流信号转换成电压信号测量出具体位移，结合朗之万方程，快速测量出金属纳米颗粒作为载体的质量，进而对药物质量的精准测量，为疾病的致病机理、精准医疗和新药研制等方面提供一个在体定量测量和快速检测的研究平台。
(三)发明内容
本发明的旨在于提供一种以非接触、无损伤的方式对液体环境中的微纳颗粒实现光辐射力及多光场精准捕获和操控，对微纳颗粒进行长时间的质量测量和实时监测的基于光辐射力的微纳颗粒质量光学精密测量系统。
本发明的目的是这样实现的：
它由激光器1、16、21；透镜2、3、10、14、15、22、23；双色镜4、5；显微物镜6、8、12；待测样品溶液7；滤光片9；四相限探测器11；斩波器13；反射镜17、24；成像镜头18；CCD相机19；计算机20组成。所述系统中，中心波长为λ1的连续激光器1输出的激光光束经透镜2、3扩束准直后，通过双色镜4、5反射后，耦合到显微物镜6形成聚焦光场，捕获待测样品溶液7中的微纳颗粒。中心波长为λ2的连续激光器16输出的激光光束经透镜14、15扩束准直后，通过计算机20控制斩波器13输出周期性脉冲光，耦合进显微物镜12，对被捕获的微纳颗粒进行周期性光推动，使其在光势阱范围内产生位移。中心波长为λ3的连续激光器21输出的激光光束经透镜22、23扩束准直后，经反射镜24反射到双色镜4、5后耦合进显微物镜6，被捕获的微纳颗粒产生前向散射光信号由显微物镜8收集，经滤光片9消除背景噪声，经透镜10汇聚在四相限探测器11上，精确测量出微纳颗粒在光势阱范围内的位移量。微纳颗粒的捕获和移动状态由显微物镜6收集，经双色镜5透射，反射镜17反射后，由成像镜头18收集，成像在CCD相机上，实时监测被捕获的微纳颗粒状态。
本次研究由光镊产生聚焦光阱将悬浮于待测样品溶液7中的金属纳米颗粒捕获，金属纳米颗粒受热运动影响发生布朗运动现象，因单次推动无法与热波动区分开来，需从垂直捕获光轴方向对其施加多个周期性光推动力使其在光捕获力势阱范围内产生微位移，由四相限探测器11把光电流信号转化为电压信号采集位移信息。
在微纳颗粒溶液中，被捕获的粒子运动轨迹可以用朗之方程来描述。在此研究中，我们通过对被捕获的金属纳米颗粒施加x方向的周期性光推动力。斩波器13将中心波长为λ2的连续激光器16斩成一系列幅值相等的周期性脉冲光，受斩波器控制的散射力Fs(t)将朗之万方程扩展为公式(1)：
式中m为金属纳米颗粒质量，为加速度，/>为速度，x(t)为位移，γ＝6πrη为阻力系数，r是粒子的半径，η是液体的粘滞度，ξ(t)为随机布朗力，Fs＝κΔx为光辐射力，其中κ为光阱刚度，定义为颗粒受到的光阱捕获力与金属纳米颗粒偏离光阱中心的距离之比，Δx为金属纳米颗粒被散射力推动的微小位移量，等式可以精确测量在已知光阱刚度下金属纳米颗粒的质量。
本发明实验过程中将利用不同直径的金属纳米颗粒进行标定实验，采用功率谱法分析金属纳米颗粒的布朗运动功率谱标定光场力刚度，从而对金属纳米颗粒所受的光场力进行标定。推动金属纳米颗粒产生位移时的光阱刚度越大，相同距离下所受的光学捕获力越强。
实现本发明的研究目的需要精确测量作用在液体环境中的微纳颗粒所受的合外力。对于微纳颗粒所受的光场力，包括捕获微纳颗粒的光捕获力和推动微纳颗粒移动的周期性光推动力，我们可以根据四相限探测器收集到的位移图像建立微纳颗粒的三维结构多物理场耦合模型，根据微纳颗粒结构图像设定麦克斯韦边界条件，利用有限元方法分析在光场力作用下微纳颗粒运动的三维结构力学模型，从而计算得到施加在微纳颗粒上的光场力强度分布变化情况。
(四)附图说明
图1是基于光辐射力的微纳颗粒质量光学精密测量系统的结构示意图。
图2是对被捕获的微纳颗粒施加周期性光推动，使其在光势阱范围内产生位移结构示意图。其中FT是光势阱本身的拉力，FP是周期性推动力。
附图标记说明：1-激光器；2-透镜；3-透镜；4-双色镜；5-双色镜；6-显微物镜；7-微纳颗粒溶液；8-显微物镜；9-滤光片；10-透镜；11-四相限探测器；12-显微物镜；13-斩波器；14-透镜；15-透镜；16-激光器；17-反射镜；18-成像镜头；19-CCD相机；20-PC电脑端；21-激光器；22-透镜；23-透镜；24-反射镜。
(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。
基于光辐射力的微纳颗粒质量光学精密测量系统。其特征是：它由激光器1、16、21；透镜2、3、10、14、15、22、23；双色镜4、5；显微物镜6、8、12；待测样品溶液7；滤光片9；四相限探测器11；斩波器13；反射镜17、24；成像镜头18；CCD相机19；计算机20组成。所述系统中，中心波长为λ1的连续激光器1输出的激光光束经透镜2、3扩束准直后，通过双色镜4、5反射后，耦合到显微物镜6形成聚焦光场，捕获待测样品溶液7中的微纳颗粒。中心波长为λ2的连续激光器16输出的激光光束经透镜14、15扩束准直后，通过计算机20控制斩波器13输出周期性脉冲光，耦合进显微物镜12，对被捕获的微纳颗粒进行周期性光推动，使其在光势阱范围内产生位移。中心波长为λ3的连续激光器21输出的激光光束经透镜22、23扩束准直后，经反射镜24反射到双色镜4、5后耦合进显微物镜6，被捕获的微纳颗粒产生前向散射光信号由显微物镜8收集，经滤光片9消除背景噪声，经透镜10汇聚在四相限探测器11上，精确测量出微纳颗粒在光势阱范围内的位移量。微纳颗粒的捕获和移动状态由显微物镜6收集，经双色镜5透射，反射镜17反射后，由成像镜头18收集，成像在CCD相机上，实时监测被捕获的微纳颗粒状态。
系统中，中心波长为λ1的连续激光器1输出的激光光束经透镜2、3组成的扩束系统后，经双色镜4、5反射后耦合到显微物镜6形成聚焦光场，捕获待测样品溶液7中的微纳颗粒；
系统中，中心波长为λ2的连续激光器16输出的激光光束经透镜14、15组成的扩束系统后，通过可由计算机20调节频率改变推动力周期的斩波器13间隔阻挡输出形成周期性脉冲光后，耦合进显微物镜12，对被捕获的微纳颗粒进行周期性光推动，使其在光势阱范围内产生位移。
中心波长为λ3的连续激光器21输出的激光光束经透镜22、23组成的扩束系统后，经反射镜24反射到双色镜4、5后耦合进显微物镜6，被捕获的微纳颗粒产生前向散射光信号由显微物镜8收集，经滤光片9选取λ3波长信号，经透镜10汇聚在四相限探测器11上，精确测量微纳颗粒在光势阱范围内的位移量。微纳颗粒的捕获和移动状态由显微物镜6收集，经双色镜5透射，反射镜17反射后，由成像镜头18收集，成像在CCD相机上，通过计算机20实时监测被捕获的微纳颗粒状态。
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 (4)
1.本发明提供的是一种基于光辐射力的微纳颗粒质量光学精密测量系统。其特征是：它由激光器1、16、21；透镜2、3、10、14、15、22、23；双色镜4、5；显微物镜6、8、12；待测样品溶液7；滤光片9；四相限探测器11；斩波器13；反射镜17、24；成像镜头18；CCD相机19；计算机20组成。所述系统中，中心波长为λ1的连续激光器1输出的激光光束经透镜2、3扩束准直后，通过双色镜4、5反射后，耦合到显微物镜6形成聚焦光场，捕获待测样品溶液7中的微纳颗粒。中心波长为λ2的连续激光器16输出的激光光束经透镜14、15扩束准直后，通过计算机20控制斩波器13输出周期性脉冲光，耦合进显微物镜12，对被捕获的微纳颗粒进行周期性光推动，使其在光势阱范围内产生位移。中心波长为λ3的连续激光器21输出的激光光束经透镜22、23扩束准直后，经反射镜24反射到双色镜4、5后耦合进显微物镜6，被捕获的微纳颗粒产生前向散射光信号由显微物镜8收集，经滤光片9消除背景噪声，经透镜10汇聚在四相限探测器11上，精确测量出微纳颗粒在光势阱范围内的位移量。微纳颗粒的捕获和移动状态由显微物镜6收集，经双色镜5透射，反射镜17反射后，由成像镜头18收集，成像在CCD相机上，实时监测被捕获的微纳颗粒状态。
2.根据权利要求1所述的光捕获系统。其特征是：由激光器1；透镜2、3；双色镜4、5；显微物镜6；待测样品溶液7组成。中心波长为λ1的连续激光器1输出的激光光束经透镜2、3组成的扩束系统后，经双色镜4、5反射后耦合到显微物镜6形成聚焦光场，捕获待测样品溶液7中的微纳颗粒。
3.根据权利要求1所述的光推动系统。其特征是：由激光器16；待测样品溶液7；显微物镜12；斩波器13；透镜14、15；计算机20组成。中心波长为λ2的连续激光器16输出的激光光束经透镜14、15组成的扩束系统后，通过可由计算机20调节频率改变推动力周期的斩波器13间隔阻挡输出形成周期性脉冲光后，耦合进显微物镜12，对被捕获的微纳颗粒进行周期性光推动，使其在光势阱范围内产生位移。
4.根据权利要求1所述的位移量测量系统。其特征是：由激光器21；双色镜4、5；显微物镜6、8；待测样品溶液7；滤光片9；透镜10、22、23；四相限探测器11；反射镜17；成像镜头18；CCD相机19；计算机20；反射镜24组成。中心波长为λ3的连续激光器21输出的激光光束经透镜22、23组成的扩束系统后，经反射镜24反射到双色镜4、5后耦合进显微物镜6，被捕获的微纳颗粒产生前向散射光信号由显微物镜8收集，经滤光片9选取λ3波长信号，经透镜10汇聚在四相限探测器11上，精确测量微纳颗粒在光势阱范围内的位移量。微纳颗粒的捕获和移动状态由显微物镜6收集，经双色镜5透射，反射镜17反射后，由成像镜头18收集，成像在CCD相机上，通过计算机20实时监测被捕获的微纳颗粒状态。
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2023
- 2023-06-30 CN CN202310797065.2A patent/CN117007587A/zh active Pending
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication |