专利名称：捕获生物细胞的飞秒激光光镊装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种捕获生物细胞的飞秒激光光镊装置，属于捕获生物细胞的光镊装置的改进。
背景技术：
细胞是最简单的生命单位，一切生命问题的答案最终都在细胞中可以找到。在生命科学体系中，细胞生物学之所以诞生较迟发展亦缓，原因之一固然在于细胞本身是一个复杂的生命系统，更重要的是到目前为止还没有十分令人满意的技术手段用来研究这样的生命基本单元。现代光学、先进的激光技术及图象显示技术的发展，为细胞生物学的研究提供了高科技手段。八十年代中期，美国贝尔实验室的Arthur Ashkin发现，聚焦的高斯激光束能捕捉单个细胞或原生动物，后来被发展为广泛用于的操作细胞和细胞器的工具—激光镊子。
目前，激光光镊多采用连续激光作为光源，它与激光微束技术结合能对生物细胞进行诸如细胞穿孔的操作。但确定辐照度所引起的细胞的各种生物效果的界限，如损伤阈值、毒副作用界限、导致细胞灭活的激光工作参数等，是以连续激光光镊研究的难点，也是目前制约激光细胞手术进一步发展的“瓶颈”。造成这种“瓶颈”的因素很多其一，辐照度所引起的各种生物效果既和激光的脉宽、能量及波长有关，又受作用目标本身性质及其物理环境的影响；其二，目前，用于激光显微操作的激光器的脉宽较宽(纳秒级)、波长单一且稳定性差，而单细胞的体积仅有飞立升(femtoliter，10-15升)的量级，因此较难控制工作参数；其三，以前，激光细胞手术的研究工作热点多集中在寻找新的作用对象上。因此，研究新型激光显微细胞操作手术系统，并以此为手段，深入研究激光与生物目标之间的相互作用机理，搞清激光细胞微细手术中激光对细胞的毒副作用，进而确定最佳工作参数，已成为克服“瓶颈”的关键。再者，对生物活细胞进行微米乃至纳米分辨的无创微束操作，如捕获、穿孔及对细胞器的局部改性，在单细胞水平上研究超快生物过程一直是生物医学领域期望实现的技术手段。
自20世纪90年代，飞秒(1飞秒＝10-15秒)激光技术得到长足发展。目前最窄的光脉冲宽度为4-5飞秒，放大后的飞秒光脉冲的峰值功率已达太瓦(1012瓦)以上。飞秒激光脉冲的极短的脉冲宽度和极小的单脉冲能量便可获得超强的峰值功率，使其在与生物介质相互作用过程中表现出极高的时间(飞秒)和空间(亚微米)分辨率。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种以高重复率飞秒脉冲激光作为光镊光源实现对生物细胞稳定捕获的装置，该装置在捕获生物细胞过程中，可进行微米乃至纳米分辨的无创微束操作，且能在单细胞水平上研究超快生物过程。
本实用新型是通过下述技术方案加以实现的，一种捕获生物细胞的飞秒激光光镊装置，其特征在于该装置包括飞秒脉冲激光器1、光束耦合装置2、倒置显微镜主体3及监控系统组成。所述的飞秒脉冲激光器为掺钛蓝宝石自锁模飞秒激光振荡级，输出脉冲重复频率大于70兆赫兹，脉冲宽度小于100飞秒；所述的光束耦合器包括一个焦距为150毫米的凸透镜2-1、两个平面反射镜2-2、2-3及可旋转偏振片2-4，凸透镜与显微镜内置透镜形成望远镜系统，平面反射镜用于调节入射激光光束方向，使其光轴与显微镜成像光路的光轴完全重合，通过旋转偏振片可改变入射至显微镜的光脉冲平均功率；所述的倒置显微镜主体3基于Olympus公司IX71型生物倒置显微镜，倒置显微镜主体的载物台3-3为二维线性激励源4控制的二维微位移平台，二维线性激励源4受计算机7控制，精度为0.2微米；所述的监控系统包括目镜6以及与计算机相连的CCD相机5，利用倒置显微镜主体的照明光路3-5，通过目镜或CCD相机实时监测捕获细胞的过程。
本实用新型的优点是可实现高重复率飞秒脉冲激光对微米量级粒子及生物细胞的稳定捕获，其精度可达0.2微米；能实时监控飞秒激光光镊捕获细胞的过程，并显示于计算机屏幕，便于数据分析；在本实用新型的装置上，结合时间分辨光谱技术，可对单细胞生物体超快生物过程进行研究，及进行飞秒激光双光子荧光光动力学研究；并可充分利用飞秒激光的高时间及空间分辨特性，对目标细胞作无创局部改性的操作。
图1为本实用新型装置的结构框图。
图中1-飞秒脉冲激光器，2-光束耦合装置，2-1-凸透镜，2-2、2-3-平面反射镜，2-4-偏振片，3-倒置显微镜主体，3-1-内部光路，3-2-物镜，3-3-载物台，3-4-样品盒，3-5-照明光路，4-二维线性激励源，5-CCD相机，6-目镜，7-计算机。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步的描述。
参见图1，本发明采用掺钛蓝宝石飞秒脉冲激光器1作为光镊光源，采用倒置显微镜3作为本发明装置的主体。从飞秒脉冲激光器输出的光脉冲为线偏光，其重复频率大于70兆赫兹，脉冲宽度小于100飞秒。利用光束耦合装置2，将飞秒脉冲激光耦合进入显微镜中。通过旋转偏振片可以连续改变耦合至显微镜的飞秒脉冲激光的平均功率。在显微镜中，飞秒脉冲激光与倒置显微镜成像光路逆向传播，经高倍的物镜3-2紧聚焦，会聚成半径小于1微米的光斑，形成光学势阱。利用二维线性激励源4高精度地控制载物台3-3上样品盒3-4中的目标细胞(血红细胞)，将其移进飞秒激光的光学势阱内，实现对目标细胞的稳定捕获。高倍的物镜3-2的数值孔径大于0.75。借助于倒置显微镜主体的照明光路3-5，可在目镜6中监视飞秒激光光镊捕获细胞的过程；通过CCD相机5和计算机7显示并记录操作过程。
权利要求1.一种捕获生物细胞的飞秒激光光镊装置，其特征在于该装置包括飞秒脉冲激光器(1)、光束耦合装置(2)、倒置显微镜主体(3)及监控系统组成；所述的飞秒脉冲激光器为掺钛蓝宝石自锁模飞秒激光振荡级，输出脉冲重复频率大于70兆赫兹，脉冲宽度小于100飞秒；所述的光束耦合器包括一个焦距为150毫米的凸透镜(2-1)、两个平面反射镜(2-2)、(2-3)及可旋转偏振片(2-4)，凸透镜与显微镜内置透镜形成望远镜系统，平面反射镜用于调节入射激光光束方向，使其光轴与显微镜成像光路的光轴完全重合，通过旋转偏振片可改变入射至显微镜的光脉冲平均功率；所述的倒置显微镜主体(3)基于Olympus公司IX71型生物倒置显微镜，倒置显微镜主体的载物台(3-3)为二维线性激励源(4)控制的二维微位移平台，二维线性激励源受计算机(7)控制，精度为0.2微米；所述的监控系统包括目镜(6)以及与计算机相连的CCD相机(5)，利用倒置显微镜主体的照明光路(3-5)，通过目镜或CCD相机实时监测捕获细胞的过程。
专利摘要本实用新型公开了一种捕获生物细胞的飞秒激光光镊装置，属于捕获生物细胞的光镊装置的改进。该装置包括飞秒脉冲激光器、光束耦合装置、倒置显微镜主体及监控系统组成；所述的飞秒脉冲激光器输出脉冲重复频率大于70兆赫兹，脉冲宽度小于100飞秒；所述的光束耦合器包括一个凸透镜、两个平面反射镜及可旋转偏振片；所述的倒置显微镜主体基于Olympus公司IX71型生物倒置显微镜，它载物台为二维微位移平台，二维线性激励源的控制精度为0.2微米；所述的监控系统包括目镜以及与计算机相连的CCD相机。本实用新型的优点是可实现高重复率飞秒脉冲激光对微米量级粒子及生物细胞的稳定捕获，其精度可达0.2微米；能实时监控光镊捕获细胞的作无创局部改性的操作过程。
文档编号G01N21/01GK2758757SQ200420085210
公开日2006年2月15日 申请日期2004年10月27日 优先权日2004年10月27日
发明者邢岐荣, 毛方林, 柴路, 王清月, 王专, 王锴, 吴元生 申请人:天津大学