专利名称：一种基于动态光镊的细胞分选表征方法及其系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学技术领域，特别是涉及一种基于动态光镊的细胞分选表征方法及
其系统。
背景技术：
光镊技术作为一种通过激光束移动微小物体的技术，目前将生物医学与光镊技术 的结合已经很普遍，用物理特性表征生物细胞的一些生物特性也是目前技术发展的一个方 向，细胞折射率的变化是表征细胞内部结构变化的一个物理特性。因此对细胞折射率的研 究是辅助医学诊断的一种物理方法。 当前已经在试验上实现的利用细胞折射率的变化表征细胞状态的方法包括有 一、光镊拉伸细胞方法，不同折射率的细胞形变程度不同；二、光镊推细胞，不同折射率的细 胞速度不同，三、原子力显微镜测细胞表面力，而同种细胞折射率不同意味着细胞的内部结 构发生变化，因此用细胞折射率的变化表征细胞状态的方法可以与医学诊断相结合。
因此，对利用折射率不同对细胞进行分选和表征有着很重要的医学及实际意义。 并且用物理方法测量细胞折射率，从而应用到医学诊断上，摒弃了医学上要用荧光染色标 定，不仅可以保证细胞的活性，而且由于对细胞是非接触操纵，因此不会伤害细胞的特性。
从物理角度而言，光镊操纵技术已经相当成熟，光镊操纵生物细胞，及应用于微操 纵已经很普遍，将光镊应用到细胞分选表征已经有了很好的技术基础。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于动态光镊的细胞分选表征方法及其系
统，可以用光镊光束操纵细胞进行圆周运动，细胞在达到逃逸速度时会出现逃逸现象，鉴于
不同折射率的细胞具有不同的的逃逸速度，从而分选表征不同折射率的细胞，实现对不同
状态的细胞进行区分，可以广泛应用于医学技术领域，具有重大的生产实践意义。
为此，本发明提供了一种基于动态光镊的细胞分选表征方法，包括以下步骤 利用光镊光束对待检测细胞进行照射，实现用光镊光束捕获待检测细胞； 旋转光镊光束进行圆周运动，待检测细胞随着光镊光束进行圆周运动； 逐步提高调节光镊光束的旋转速度，在每个待检测细胞出现逃逸现象时，都同时
实时记录光镊光束的旋转速度以及对应地采集该出现逃逸现象细胞的图像； 根据上述记录的所有细胞在出现逃逸现象时具有的光镊光束旋转速度的大小，对
所有的细胞进行分类，并且输出显示对应该光镊光束旋转速度的出现逃逸现象的细胞，最
终实现对不同细胞的分选表征。 优选地，通过将光镊光束穿过用于折射的玻璃片，旋转该玻璃片，使得光镊光束出 现偏折而实现圆周运动。 优选地，所述用于折射的玻璃片在纵向上进行旋转运动。
此外，本发明还提供了一种基于动态光镊的细胞分选表征系统，包括有
激光器l，用于发出光镊激光光束并水平照射到望远系统2上； 望远系统2，该望远系统2由一对透镜构成，位于所述激光器1的左边，激光器1发
出的水平激光穿过该望远系统2后照射到平面反射镜4上； 动态旋转装置，用于带动其上安装的用于折射的玻璃片3进行旋转运动，使得经 过该玻璃片3的光镊光束偏折而进行圆周运动，所述动态旋转装置上安装的玻璃片3位于 所述望远系统2包含的一对透镜之间； 平面反射镜4，所述平面反射镜4位于所述望远系统2的左边，所述平面反射镜4 包括纵向上下分布的上平面镜41和下平面镜42，所述上平面镜41和下平面镜42沿水平方 向上下对称，所述下平面镜42与水平面的夹角为锐角且该下平面镜42的头部向左倾斜；
双色分束镜5，位于所述上平面镜41的右边，所述上平面镜41与双色分束镜5位 于同一平面上，所述上平面镜41与双色分束镜5沿垂直方向左右对称；
所述双色分束镜5的正下方设置有高倍显微镜6，所述高倍显微镜6下方设置有微 量细胞样品芯片7，所述微量细胞样品芯片7位于移动平台9上，所述微量细胞样品芯片7 的正下方设置有照明光源8，所述照明光源8位于移动平台9的下方； 所述双色分束镜5的正上方设置有CCD摄像机10，所述CCD摄像机10与一台计算 机11相连接。优选地，所述激光器1为1064nm波长的激光器，所述望远系统2为一对1064nm波 长的增透透镜，所述上平面镜41和下平面镜42是1064nm增反的平面镜。
优选地，所述双色分束镜5为45度双色分束镜。 优选地，所述动态旋转装置带动它上安装的玻璃片在纵向上进行旋转运动。
优选地，所述动态旋转装置中，所述玻璃片3安装在驱动电刷上，由驱动电刷转动 带动玻璃片的旋转，从而使光镊中光束有偏折而实现圆周运动。 优选地，所述下平面镜42与动态旋转装置上面安装的用于折射的玻璃片3位于同 一平面上。 由以上本发明提供的技术方案可见，本发明提出了一种基于动态光镊的细胞分选 表征方法及其系统，可以用光镊光束操纵细胞进行圆周运动，细胞在达到逃逸速度时会出 现逃逸现象，鉴于不同折射率的细胞具有不同的的逃逸速度，从而分选表征不同折射率的 细胞，实现对不同状态的细胞进行区分，可以广泛应用于医学技术领域，具有重大的生产实 践意义。
图1为本发明提供的一种基于动态光镊的细胞分选表征方法的流程图；
图2为本发明提供的一种基于动态光镊的细胞分选表征系统的结构示意图；
图3为本发明提供的一种基于动态光镊的细胞分选表征系统的动态旋转装置中 用于产生光束偏转的玻璃片示意图； 图4为在本发明的细胞分选表征系统操纵下细胞进行圆周运动的采样图。
具体实施例方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。 参见图l，本发明提供了一种基于动态光镊的细胞分选表征方法，该方法包括以下 步骤 步骤S101 :利用光镊光束对待检测细胞进行照射，实现用光镊光束捕获待检测细 胞； 步骤S102 :旋转光镊光束进行圆周运动，待检测细胞随着光镊光束进行圆周运 动； 在本发明中，将光镊光束穿过位于动态旋转装置上的用于折射的玻璃片，旋转该 玻璃片，使得光镊光束出现偏折而实现圆周运动。 需要说明的是，具体实现上，动态旋转装置带动它上面的用于折射的玻璃片在纵 向上进行旋转运动； 在本发明中，具体实现上，通过一个动态旋转装置将可调节的玻璃片安装在驱动 电刷上，电刷转动带动玻璃片的旋转，使光镊中光束有一定偏折实现圆周运动，参见图3，图 3为动态旋转装置中用于产生光束偏转的玻璃片示意图，在图中，箭头所示的光镊激光光束 与玻璃片的夹角为小i，出射角为小r，玻璃片倾角为9 ，玻璃片折射率为n，玻璃片的厚度为 d。 步骤S103 :逐步提高调节光镊光束的旋转速度，在每个待检测细胞出现逃逸现象
时，都同时实时记录光镊光束的旋转速度以及对应地采集该出现逃逸现象细胞的图像； 上述在出现逃逸现象时光镊光束的旋转速度即为细胞的逃逸速度。
步骤S104 :根据上述记录的所有细胞在出现逃逸现象时具有的光镊光束旋转速
度(即细胞具有的旋转速度)的大小，对所有的细胞进行分类，并且输出显示对应该光镊光
束旋转速度的出现逃逸现象的细胞，最终实现对不同细胞的分选表征。 需要说明的是，不同折射率的物质具有的逃逸速度是不同的，因此逃逸速度可以 应用于折射率的表征，同时，如前所述，由于不同的折射率表征了不同的细胞状态，因此根 据不同的逃逸速度可以对具有不同折射率的细胞进行分类，从而分选表征出不同状态下的 细胞， 因此本发明，通过利用光镊光束操纵待检测细胞作圆周运动，缓慢调节旋转速度， 当光镊光束的旋转速度达到待检测细胞逃逸速度时，记录此时光镊光束的旋转速度(等于 待检测细胞的逃逸速度)，然后根据出现细胞逃逸现象时不同的光镊光束旋转速度，对不同 细胞进行分类，从而对于不同种细胞，或是同种细胞的不同状态(如有基因转入)等，都可 以运用上述本发明提供的方法进行分选。 基于上述本发明提供的一种基于动态光镊的细胞分选表征方法，参见图2，本发明
提供了一种基于动态光镊的细胞分选表征系统，该系统包括 激光器l，用于发出光镊激光光束并水平照射到望远系统2上； 在本发明中，所述激光器1优选为1064nm波长的激光器； 望远系统2，该望远系统2由一对透镜构成，位于所述激光器1的左边，激光器1发 出的水平激光穿过该望远系统2后照射到平面反射镜4上；在本发明中，所述望远系统2的 作用是为了縮小激光光束。 具体实现上，所述望远系统2优选为一对1064nm波长的增透透镜；
动态旋转装置，用于带动其上安装的用于折射的玻璃片3进行旋转运动，使得经 过该玻璃片3的光镊光束偏折而进行圆周运动，所述动态旋转装置上安装的玻璃片3位于 所述望远系统2包含的一对透镜之间； 需要说明的是，具体实现上，动态旋转装置带动它上安装的玻璃片在纵向上进行 旋转运动； 在本发明中，具体实现上，动态旋转装置是将可调节的玻璃片安装在驱动电刷上， 由驱动电刷转动带动玻璃片的旋转，使光镊中光束有一定偏折实现圆周运动，参见图3，图 3为动态旋转装置中用于产生光束偏转的玻璃片示意图，在图中，箭头所示的光镊激光光束 与玻璃片的夹角为小i，出射角为小r，玻璃片倾角为9 ，玻璃片折射率为n，玻璃片的厚度为 d。 所述动态旋转装置可用电压调节旋转速度，可由玻璃片的厚度，加载的器件形状 大小、及玻璃片的倾角来调节旋转半径，将其他的装置放在此位置中也能实现圆周运动，如 空间光调制器，震境等。 平面反射镜4，所述平面反射镜4位于所述望远系统2的左边，所述平面反射镜4 包括纵向上下分布的一对1064nm增反的上平面镜41和下平面镜42，所述上平面镜41和下 平面镜42沿水平方向上下对称，所述下平面镜42与水平面的夹角为锐角且该下平面镜42 的头部向左倾斜； 需要说明的是，所述下平面镜42与动态旋转装置上面安装的用于折射的玻璃片3 位于同一平面上。 双色分束镜5，位于所述上平面镜41的右边，所述上平面镜41与双色分束镜5位 于同一平面上，所述上平面镜41与双色分束镜5沿垂直方向左右对称；
在本发明中，所述双色分束镜5优选为45度双色分束镜。 所述双色分束镜5的正下方设置有高倍显微镜6，所述高倍显微镜6下方设置有 微量细胞样品芯片7，所述微量细胞样品芯片7位于所述三维微调节移动平台9上，所述微 量细胞样品芯片7的正下方设置有照明光源8，所述照明光源8位于三维微调节移动平台9 的下方； 所述双色分束镜5的正上方设置有CCD (电荷耦合器件)摄像机10，所述CCD摄像 机IO与一台计算机ll相连接。 对于上述本发明提供的基于动态光镊的细胞分选表征系统，具体运用上，首先，将 待检测细胞与已知折射率样本的粒子制作在同一个微量细胞样品芯片7上，然后将微量细 胞样品芯片7放置到三维微调节移动平台9上，并打开激光器1，输出光镊激光光束，稳定光 镊激光光束的输出功率实现对目标细胞或样品粒子的稳定捕获；然后确定圆周运动的旋转 半径，打开动态旋转装置的电源，动态旋转装置的通电电压由低到高逐渐非常缓慢的调节， 从而实现让动态旋转装置上安装的玻璃片进行圆周运动且旋转速度缓慢增加，如前所述， 光镊激光光束随着玻璃片的转动而有一定偏转而进行圆周运动，光镊激光光束捕获的细胞 随着光镊激光光束进行圆周旋转运动，参见图4 ; 在调节过程之中，通过高倍显微镜6以及CCD摄像机10， CCD摄像机10相连接的 计算机11实时观察待检测细胞出现逃逸的瞬时情况，并记录下动态旋转装置3在待检测细 胞出现逃逸现象时对应的旋转速度，激光输出功率；
然后分别对细胞及样本粒子进行上述操作，由计算机11采集出现逃逸现象的待 检测细胞图像，并同时记录数据(即动态旋转装置的旋转速度)，并重复多次进行，将采集 的出现逃逸现象的待检测细胞图像与同时记录的数据(即动态旋转装置的旋转速度，也就 是待检测细胞的逃逸速度)进行分析，根据逃逸速度的不同，对具有不同逃逸速度的待检 测细胞进行分类，分选出具有不同折射率的细胞并在计算机11上显示出来，最终分选表征 出不同状态下的细胞。 需要说明的是，在光镊激光光束的圆周运动速度低于逃逸速度时，细胞或样品粒 子跟随着光镊激光光束一起连续转动，在光镊激光光束的圆周运动速度达到细胞的逃逸速 度时，细胞或样品粒子瞬间从捕获光束中(即光镊激光光束中)脱离，速度超过逃逸速度之 后细胞或样品不再随光镊光束的运动而运动。
下面说明一下本发明的工作原理。 在微量细胞样品芯片7中的细胞受到周围环境溶液的粘滞阻力，及光镊的拉力， 在细胞速度不断增加的过程中粘滞阻力不断增加，光镊对细胞的拉力存在一个极大值，在 细胞速度不断增加的过程中，光镊最大拉力对应一个最大的速度，细胞速度达到最大速度 时，将出现逃逸现象。折射率作为影响拉力的一个因素，不同折射率的物质逃逸速度是不同 的，因此细胞的逃逸速度可以应用于细胞折射率的表征。 因此本发明，利用操纵细胞作圆周运动，缓慢调节旋转速度，当速度达到逃逸速度 时，记录此时的旋转速度，不同种细胞，或是同种细胞的不同状态如有基因转入等，都可以 运用本发明提供的方法及系统进行分选。 对于本发明提供的基于动态光镊的细胞分选表征系统，由光镊与一个产生圆周运 动的动态旋转装置组成，光镊激光光束通过该动态旋转装置而带动被光束捕获的细胞进行 圆周运动，细胞圆周运动速度与半径可以灵活调节，在半径不变情况下，当速度提高到临界 速度时，细胞将脱离光镊光束，出现逃逸现象。由于不同折射率的细胞具有不同逃逸速度， 且光镊作用力对折射率微小差异非常敏感，该系统能够实现基于细胞折射率微小差异的细 胞分选表征。 在本发明提供的基于动态光镊的细胞分选表征系统中，由光镊激光光束操纵的细 胞随着光束进行圆周运动，运动速度由电压控制连续可微调，在速度不断缓慢增大的过程 中，当达到一定速度时细胞出现逃逸现象，其它条件统一的情况下折射率是影响逃逸速度 的唯一因素，若折射率不同，在系统中观察到的逃逸速度是不同的。因此可通过细胞折射率 差异实现分选表征，该系统设备简单，准确性高。 在动态旋转装置的圆周运动旋转半径确定的情况下，达到逃逸速度时可由控制速 度的电压直接读出，用电压表征速度。 综上所述，与现有技术相比较，本发明提出了一种基于动态光镊的细胞分选表征 方法及其系统，可以用光镊光束操纵细胞进行圆周运动，细胞在达到逃逸速度时会出现逃 逸现象，鉴于不同折射率的细胞具有不同的的逃逸速度，从而分选表征不同折射率的细胞， 实现对不同状态的细胞进行区分，可以广泛应用于医学技术领域，具有重大的生产实践意 义。 基于正常细胞和癌细胞的折射率不同，本发明提供的基于动态光镊的细胞分选表 征方法及其系统可以应用于正常细胞和癌细胞的检验上，来代替医学作为细胞是否发生癌变的一个物理方法。在初期的正常细胞和癌细胞内部结构发生变化但是其大小未产生明显
差异，对应其物理特性即其光学折射率发生变化，则用本发明提供的系统，通过折射率差异
影响细胞圆周运动的逃逸速度理论，对细胞进行排查看是否含有癌细胞。 本发明可以避免在生物操纵中的荧光染色，且不影响细胞的活性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人
员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应
视为本发明的保护范围。
权利要求
一种基于动态光镊的细胞分选表征方法，其特征在于，包括以下步骤利用光镊光束对待检测细胞进行照射，实现用光镊光束捕获待检测细胞；旋转光镊光束进行圆周运动，待检测细胞随着光镊光束进行圆周运动；逐步提高调节光镊光束的旋转速度，在每个待检测细胞出现逃逸现象时，都同时实时记录光镊光束的旋转速度以及对应地采集该出现逃逸现象细胞的图像；根据上述记录的所有细胞在出现逃逸现象时具有的光镊光束旋转速度的大小，对所有的细胞进行分类，并且输出显示对应该光镊光束旋转速度的出现逃逸现象的细胞，最终实现对不同细胞的分选表征。
2. 如权利要求1所述的细胞分选表征方法，其特征在于，通过将光镊光束穿过用于折 射的玻璃片，旋转该玻璃片，使得光镊光束出现偏折而实现圆周运动。
3. 如权利要求2所述的细胞分选表征方法，其特征在于，所述用于折射的玻璃片在纵 向上进行旋转运动。
4. 一种基于动态光镊的细胞分选表征系统，其特征在于，包括有 激光器(l)，用于发出光镊激光光束并水平照射到望远系统(2)上；望远系统(2)，该望远系统(2)由一对透镜构成，位于所述激光器(1)的左边，激光器(1)发出的水平激光穿过该望远系统(2)后照射到平面反射镜(4)上；动态旋转装置，用于带动其上安装的用于折射的玻璃片(3)进行旋转运动，使得经过 该玻璃片(3)的光镊光束偏折而进行圆周运动，所述动态旋转装置上安装的玻璃片(3)位于所述望远系统(2)包含的一对透镜之间；平面反射镜(4)，所述平面反射镜(4)位于所述望远系统(2)的左边，所述平面反射镜(4) 包括纵向上下分布的上平面镜(41)和下平面镜(42)，所述上平面镜(41)和下平面镜 (42)沿水平方向上下对称，所述下平面镜(42)与水平面的夹角为锐角且该下平面镜(42) 的头部向左倾斜；双色分束镜(5)，位于所述上平面镜(41)的右边，所述上平面镜(41)与双色分束镜(5) 位于同一平面上，所述上平面镜(41)与双色分束镜(5)沿垂直方向左右对称； 所述双色分束镜(5)的正下方设置有高倍显微镜(6)，所述高倍显微镜(6)下方设置有微量细胞样品芯片(7)，所述微量细胞样品芯片(7)位于移动平台(9)上，所述微量细胞样 品芯片(7)的正下方设置有照明光源(8)，所述照明光源(8)位于移动平台(9)的下方；所述双色分束镜(5)的正上方设置有CCD摄像机(IO)，所述CCD摄像机(10)与一台计 算机(11)相连接。
5. 如权利要求4所述的细胞分选表征系统，其特征在于，所述激光器(1)为1064nm波 长的激光器，所述望远系统(2)为一对1064nm波长的增透透镜，所述上平面镜(41)和下平 面镜(42)是1064nm增反的平面镜。
6. 如权利要求4所述的细胞分选表征系统，其特征在于，所述双色分束镜(5)为45度 双色分束镜。
7. 如权利要求4所述的细胞分选表征系统，其特征在于，所述动态旋转装置带动它上 安装的玻璃片在纵向上进行旋转运动。
8. 如权利要求4所述的细胞分选表征系统，其特征在于，所述动态旋转装置中，所述玻 璃片(3)安装在驱动电刷上，由驱动电刷转动带动玻璃片的旋转，从而使光镊中光束有偏折而实现圆周运动。
9.如权利要求4所述的细胞分选表征系统，其特征在于，所述下平面镜(42)与动态旋转装置上面安装的用于折射的玻璃片(3)位于同一平面上。
全文摘要
本发明公开了一种基于动态光镊的细胞分选表征方法及其系统，可以用光镊光束操纵细胞进行圆周运动，细胞在达到逃逸速度时会出现逃逸现象，鉴于不同折射率的细胞具有不同的逃逸速度，从而分选表征不同折射率的细胞，实现对不同状态的细胞进行区分，可以广泛应用于医学技术领域，具有重大的生产实践意义。
文档编号C12Q1/04GK101701244SQ200910071098
公开日2010年5月5日 申请日期2009年11月3日 优先权日2009年11月3日
发明者张勃, 方志良, 朱思伟, 步敬, 袁小聪 申请人:南开大学