专利名称：一种用于运输和定向移动微粒和细胞的激光微控装置及方法
技术领域：
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种用于运输和定向移动微粒和细胞 的激光微控装置及方法。
背景技术：
自从Ashkin在1970年利用激光的梯度力和辐射力捕获和控制玻璃微粒以后 引起了越来越多人的关注，特别是1986年他发明了激光光镊技术，从此以后激 光光镊技术得到了迅速的发展，已经成为捕获和操控微粒和细胞的有效手段。 同时被操控的粒子的范围很广，包括中性原子和分子，以及微型介质小球和活 细胞等等。
众所周知，光有能量和动量，因此当光子和粒子发生作用时光子的动量和 能量会和粒子会发生相互交换，从而产生了光对粒子的剃度力和散射力。而激 光束中，由于其具有梯度力和散射力的特性，已成为光学操控领域应用的重要 方法，作为激光导管、光学镊子(光镊)和光扳手，以及激光束或空心光束在微观 粒子(如微米粒子、纳米粒子、自由电子、生物细胞和原子或分子等)的精确、无 接触操控和控制中有着非常广泛的应用。传统的激光光镊的操控系统装置包括 激光器、强聚焦系统、样品操作平台和显微观测系统。
传统的微流控分析系统对微粒和细胞进行运输和定向移动都是在载放有微 粒和细胞的容器两端加电极，将微粒和细胞进行极化，极化后微粒和细胞就会 受到两端电极的电场力的作用，朝着电场方向运输，从而达到对微粒和细胞进 行运输的效果。同时可以按照预定的角度P设置两对电极，其中0<^<180°，可 以按照两种方法对微粒和细胞进行定向移动。第一种是两对电极不是同时加电 压，先对第一对电极加电压，对微粒和细胞进行极化，微粒和细胞在电场力的 作用下朝着第一对电场的方向运输，当到达两对电场交汇处时，关闭第一对电 极，打开第二对电极，微粒和细胞会在第二对电极的作用下极化，会朝着第二 对电极方向运输，从而达到对微粒和细胞进行定向移动的效果。第二种是两对 电极同时加上电压，第一对电极的电压为Ul，第二对的电极的电压为U2，其 中U2".5xUl。先将微粒或细胞放在第一对电极中，当微粒在第一对电极的电 场力的作用下运输到两对电极交汇处时，由于第二对电极的电压高于第一对电 压，因此微粒会在第二对电极的作用下改变原来的运输方向，朝着第二对电极 的方向运输，从而同样能够实现对微粒的定向移动。这两种方法都能实现用
双电极对微粒和细胞的定向移动。这种用电极的方法对于微粒的影响还比较小， 但是对于细胞则影响比较大，如果对细胞施加电压有可能会影响细胞组织甚至 破坏细胞壁。而在生物上对细胞的定向移动的操作非常多，因此迫切需要寻找 另外一种对生物组织损伤更小甚至是无损伤的操控方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统的用电极的方法来运输和定向移动细胞时容 易对生物细胞产生损伤的缺陷，充分利用激光束的特性，提供一种用于运输和 定向移动微粒和细胞的激光微控装置及方法。
一种用于运输和定向移动微粒和细胞的激光微控装置包括激光器、光束转 换系统、聚焦系统、二维运动载物平台、显微观测系统，二维运动载物平台下 方设有显微观测系统，光源系统为依次放置的激光器、光束转换系统、聚焦系 统，激光器、光束转换系统、聚焦系统放置在同一光轴上，光源系统和二维运动 载物平台放置在同一平面内。
所述的光源系统为依次放置的激光器、光束转换系统、聚焦系统，激光器、 光束转换系统、聚焦系统，放置在同一光轴上，所述的光源系统为多个。
一种用于运输和定向移动微粒和细胞的激光微控方法是首先使用显微观 测系统选择被操控微粒和细胞比较密集分布的区域，将聚焦系统对入射激光束 进行束腰压縮，其束腰尺寸仅是微粒和细胞的直径的几倍，将压縮后的激光束 照射入装载有微粒和细胞的容器，调整二维运动载物平台，具体步骤如下
1) 打开光源系统中的激光器2，激光器输出高斯光束，或将高斯光束再通过 光源系统中的光束转换系统3得到空心光束；
2) 用光源系统中的聚焦系统4对输出的激光束进行聚焦，将激光束压縮到 100个微米以内；
3) 调节显微观测系统7对装载有微粒和细胞5的容器进行扫描，找到微粒和
细胞分布最密集的待操控区域
4) 通过二维运动载物平台6，将待操控微粒和细胞5移至激光照射区域；
5) 调整二维运动载物平台6的高度，使待操控微粒或细胞5位于激光束腰位
置；
6) 用显微观测系统7查看激光照射区域，观测微粒或细胞5在激光束的作用 下，朝着激光束传输方向运动，通过调节激光器功率，实现微粒的最佳运输速 度，从而实现对微粒和细胞进行运输；
另一种用于运输和定向移动微粒和细胞的激光微控方法是首先使用显微
观测系统选择被操控微粒和细胞比较密集分布的区域，将聚焦系统对入射激光 束进行束腰压縮，使得最后运输微粒和细胞的激光束束腰在微米量级，其束腰 尺寸仅是微粒和细胞的直径的几倍，将压縮后的两束激光束以^角度照射入装载 有微粒和细胞的容器，其中，0〈0d8Oe,调整二维运动平台，使得激光束照射在 分布比较密集的区域，具体步骤如下
1) 打开光源系统中的激光器2，激光器输出高斯光束，或将高斯光束再通过 光源系统中的光束转换系统3得到空心光束；
2) 用光源系统中的聚焦系统4对输出的激光束进行聚焦，将激光束压縮到 100个微米以内；
3) 调节显微观测系统7对装载有微粒和细胞5的容器进行扫描，找到微粒和 细胞分布最密集的待操控区域
4) 通过二维运动载物平台6，将待操控微粒和细胞5移至激光照射区域；
5) 调整二维运动载物平台6的高度，使待操控微粒或细胞5位于激光束腰位
置；
6) 用显微观测系统7查看激光照射区域，观测微粒或细胞5在激光束的作用 下，朝着激光束传输方向运动，通过调节激光器功率，实现微粒的最佳运输速 度，从而实现对微粒和细胞进行运输；
微粒到达两激光束交汇处位置，关掉第一束激光束，打开第二束激光束， 微粒在第二束激光束的梯度力的作用下，其运动方向发生改变，将沿着第二束 激光传输方向运动，实现激光束对微粒操控的定向移动；
或者先将第一束光强为Pl的激光束对着微粒照射，微粒在激光束的梯度力 和辐射力的作用下，沿着第一束激光束的传输方向运输，当微粒到达两激光束 交汇处位置，第二束激光的光强为P2，其中，P2^1.5*P1，微粒会发生转向，沿 着第二束激光束的传输方向运动，使得微粒和细胞的运动方向发生改变，实现 激光束对微粒操控的定向移动。
本发明的工作原理激光光子照射到透明的微粒小球或细胞上时， 一部分 的光子将会被反射，并且其运动方向会遵循反射定律的方向，该方向相对于入 射激光光束方向是有一定的变化，在碰撞过程中，光子有能量和动量，因此当 光子和粒子发生作用时光子的动量和能量会和粒子将会发生相互交换，从而产 生了光对粒子的辐射力，因此微粒和细胞会在辐射力的作用下沿着光的传输方 向运动。同时由于激光束在光强分布上的特点，微粒和细胞将会受到激光束的 梯度力的作用，其直接效应就是将微粒和细胞束缚在激光照射区域，通过调节
激光的功率从而改变激光束的梯度力的大小，使得梯度力的大小能够克服布朗 运动力等其他外界的干扰力，那么就可以利用该力进行对微粒和细胞的运输、
移动等操作。同时可以采用双激光束来对微粒和细胞进行定向移动，通过调节 两束激光的开关的延迟和调节两束激光的光强上的大小分别实现对微粒和细胞 的定向移动等操作。
本发明能够利用激光束或空心光束的梯度力和散射力的特性，实现对微粒 和细胞的运输和定向移动，能够克服传统用电极方法的不足点，可以实现对生 物细胞进行运输和定向移动的研究。
图1是激光光子对微粒和细胞的光作用力的示意图，图中F和F'代表聚焦 激光束1对微粒和细胞5的作用力；
图2是用于定向移动微粒或细胞的激光微操控装置结构示意图图中2-
激光器、3-光束转换系统、4-聚焦系统、5-待操控的微粒或细胞、6-二维运动载
物平台、7-显微观测系统。
具体实施例方式
如图2所示，用于运输和定向移动微粒和细胞的激光微控装置，包括激光 器2、光束转换系统3、聚焦系统4、 二维运动载物平台6、显微观测系统7， 二 维运动载物平台6下方设有显微观测系统7，光源系统为依次放置的激光器2、 光束转换系统3、聚焦系统4，激光器2、光束转换系统3、聚焦系统4放置在 同一光轴上，光源系统和二维运动载物平台6放置在同一平面内。
所述的光源系统为依次放置的激光器2、光束转换系统3、聚焦系统4，激 光器2、光束转换系统3、聚焦系统4，放置在同一光轴上。光源系统为多个。 其中激光器发射的激光光束模式为基模的高斯光束，二维运动载物平台的移动 可以手动或采用电动马达的运动方式，显微观测系统可以选择为可以实时显示 和在线观测的显微镜系统。
激光器2的作用是发射激光光源，其出射光束为基模高斯光束，光束转换 系统3的作用是将激光器出射的实心高斯光束转换为空心光束，聚焦系统4的 作用是将出射光束的束腰进行压縮，以达到实验需求的束腰为1一100微米左右 的光束，二维运动载物平台6的作用是载放微粒和细胞5以及控制其运动方向， 显微观测系统7的作用是辅助精确定位以及在线观测。
一种用于运输和定向移动微粒和细胞的激光微控装置及方法，其特征在于 首先使用显微观测系统选择被操控微粒和细胞比较密集分布的区域，将聚焦系统对入射激光束进行束腰压縮，其束腰尺寸仅是微粒和细胞的直径的几倍，将 压縮后的激光束照射入装载有微粒和细胞的容器，调整二维运动载物平台，具 体步骤如下
1) 打开光源系统中的激光器2，激光器输出的是实心的高斯光束，如果需要 用空心光束来操控微粒和细胞，只需要将高斯光束再通过光源系统中的光束转 换系统3，就能得到空心光束；
2) 用光源系统中的聚焦系统4对输出的激光束进行聚焦，将激光束压縮到
ioo个微米以内，因为直接输出的实心光束或空心光束一般是在几个毫米量级， 而被操控的微粒和细胞的直径量级一般只在1-100微米的量级，因此非常有必要 对入射的实心光束或空心光束进行束腰压縮，压縮到100个微米以内，从而得 到实验需要的激光束或空心光束；
3) 调节显微观测系统7对装载有微粒和细胞5的容器进行扫描，找到微粒和 细胞分布最密集的待操控区域，用激光束对密集的待操控区域中的微粒和细胞 进行操控，这可以提高操控效率；
4) 通过二维运动载物平台6，将待操控微粒和细胞5移至激光照射区域，实 验中将激光束大致对准待操控区域，保持激光束不动，调节二维运动载物平台 的手动或电动马达，这样可以精确的将微粒和细胞移动到激光束照射区域；
5) 调整二维运动载物平台6的高度，使待操控微粒或细胞5位于激光束腰位 置，激光束在束腰位置的光强最大，而激光束作用于微粒和细胞时产生的梯度 力和辐射力和光强强度有关，因此需要将激光光束的束腰位置对准微粒和细胞；
6) 用显微观测系统7查看激光照射区域，观测微粒或细胞5在激光束的作用 下，朝着激光束传输方向运动，通过调节激光器功率，挑选适合显微观测系统7 能够观测的传输速度，实现微粒的最佳运输速度，从而实现对微粒和细胞5进 行单光束运输；
另一种用于定向移动微粒或细胞的激光微操控方法，其特征在于首先使 用显微观测系统选择被操控微粒和细胞比较密集分布的区域，将聚焦系统对入 射激光束进行束腰压縮，使得最后运输微粒和细胞的激光束束腰在微米量级， 其束腰尺寸仅是微粒和细胞的直径的几倍，将压缩后的两束激光束以^角度照射 入装载有微粒和细胞的容器，其中0<^<180。,调整二维运动平台，使得激光束 照射在分布比较密集的区域，具体步骤如下
1)打开光源系统中的激光器2，激光器输出的是实心的高斯光束，如果需要 用空心光束来操控微粒和细胞，只需要将高斯光束再通过光源系统中的光束转换系统3，就能得到空心光束；
2) 用光源系统中的聚焦系统4对输出的激光束进行聚焦，将激光束压縮到 ioo个微米以内，因为直接输出的实心光束或空心光束一般是在几个毫米量级， 而被操控的微粒和细胞的直径量级一般只在1-100微米的量级，因此非常有必要 对入射的实心光束或空心光束进行束腰压縮，压縮到100个微米以内，从而得 到实验需要的激光束或空心光束；
3) 调节显微观测系统7对装载有微粒和细胞5的容器进行扫描，找到微粒和 细胞分布最密集的待操控区域，用激光束对密集的待操控区域中的微粒和细胞 进行操控，这可以提高操控效率；
4) 通过二维运动载物平台6，将待操控微粒和细胞5移至激光照射区域，实 验中将激光束大致对准待操控区域，保持激光束不动，调节二维运动载物平台 的手动或电动马达，这样可以精确的将微粒和细胞移动到激光束照射区域；
5) 调整二维运动载物平台6的高度，使待操控微粒或细胞5位于激光束腰位 置，激光束在束腰位置的光强最大，而激光束作用于微粒和细胞时产生的梯度 力和辐射力和光强强度有关，因此需要将激光光束的束腰位置对准微粒和细胞；
6) 用显微观测系统7查看激光照射区域，观测微粒或细胞5在激光束的作用 下，朝着激光束传输方向运动，通过调节激光器功率，挑选适合显微观测系统7 能够观测的传输速度，实现微粒的最佳运输速度，从而实现对微粒和细胞5进 行单光束运输；
微粒到达两激光束交汇处位置，关掉第一束激光束，打开第二束激光束， 微粒在第二束激光束的梯度力的作用下，其运动方向发生改变，将沿着第二束 激光传输方向运动，实现激光束对微粒操控的定向移动；
或者先将第一束光强为Pl的激光束对着微粒照射，微粒在激光束的梯度力 和辐射力的作用下，沿着第一束激光束的传输方向运输，当微粒到达两激光束 交汇处位置，第二束激光的光强为P2，其中，P2^1.5P1，微粒会发生转向，沿 着第二束激光束的传输方向运动，使得微粒和细胞的运动方向发生改变，实现 激光束对微粒操控的定向移动。
本发明的工作原理图参见图1，图1为激光束对微粒和细胞的光力作用的示 意图，根据上述工作原理可知，聚焦的激光束由于其光强分布的特性，当激光 束1照射到微粒和细胞5上会在垂直与传输方向上产生梯度力，梯度力的作用 使得微粒和细胞被束缚在光照射区域，但是同样微粒和细胞会与光束进行动量 和能量的交换，微粒和细胞会受到激光束对其产生的辐射力的作用，推着微粒
和细胞沿着光传输方向上运动，从而实现用单激光束对微粒和细胞的运输。同 样可以采用激光束，利用两束光束的开关的延迟和光强的大小，同样都可以实 现对微粒和细胞的定向移动。
本发明用激光束对微粒和细胞的运输和定向移动的微控方法及装置，不仅 仅适用于微米和亚微米量级的透明微粒，而且同样适用于对激光束透明的生物 细胞等生物组织。
权利要求
1.一种用于运输和定向移动微粒和细胞的激光微控装置，其特征在于包括激光器2、光束转换系统3、聚焦系统4、二维运动载物平台6、显微观测系统7，二维运动载物平台6下方设有显微观测系统7，光源系统为依次放置的激光器2、光束转换系统3、聚焦系统4，激光器2、光束转换系统3、聚焦系统4放置在同一光轴上，光源系统和二维运动载物平台6放置在同一平面内。
2. 根据权利要求1所述的一种用于运输和定向移动微粒和细胞的激光微控 装置，其特征在于所述的光源系统为依次放置的激光器2、光束转换系统3、聚 焦系统4，激光器2、光束转换系统3、聚焦系统4，放置在同一光轴上。
3. 根据权利要求1所述的一种用于运输和定向移动微粒和细胞的激光微控 装置，其特征在于所述的光源系统可以为多个。
4. 根据权利要求1所述的一种用于运输和定向移动微粒和细胞的激光微控 装置，其特征在于所述的操控微粒和细胞的激光束可以为实心光束也可以为空 心光束。
5. —种使用如权利要求1所述装置的用于运输和定向移动微粒和细胞的激 光微控方法，其特征在于首先使用显微观测系统选择被操控微粒和细胞比较 密集分布的区域，将聚焦系统对入射激光束进行束腰压縮，其束腰尺寸仅是微 粒和细胞的直径的几倍，将压縮后的激光束照射入装载有微粒和细胞的容器，调整二维运动载物平台，具体步骤如下1) 打开光源系统中的激光器2，激光器输出高斯光束，或将高斯光束再通过光源系统中的光束转换系统3得到空心光束；2) 用光源系统中的聚焦系统4对输出的激光束进行聚焦，将激光束压縮到 100个微米以内；3) 调节显微观测系统7对装载有微粒和细胞5的密封容器进行扫描，找到微粒和细胞分布最密集的待操控区域4) 通过二维运动载物平台6，将待操控微粒和细胞5移至激光照射区域；5) 调整二维运动载物平台6的高度，使待操控微粒或细胞5位于激光束腰 位置；6) 用显微观测系统7查看激光照射区域，观测微粒或细胞5在激光束的作 用下，朝着激光束传输方向运动，通过调节激光器功率，实现微粒的最佳运输 速度，从而实现对微粒和细胞进行运输。
6. —种使用如权利要求1所述装置的用于运输和定向移动微粒和细胞的激光微控方法，其特征在于首先使用显微观测系统选择被操控微粒和细胞比较 密集分布的区域，将聚焦系统对入射激光束进行束腰压縮，使得最后运输微粒 和细胞的激光束束腰在微米量级，其束腰尺寸仅是微粒和细胞的直径的几倍， 将压縮后的两束激光束以e角度照射入装载有微粒和细胞的容器，其中， 0<0<180°，调整二维运动平台，使得激光束照射在分布比较密集的区域，具体步 骤如下1) 打开光源系统中的激光器2，激光器输出高斯光束，或将高斯光束再通过 光源系统中的光束转换系统3得到空心光束；2) 用光源系统中的聚焦系统4对输出的激光束进行聚焦，将激光束压縮到 100个微米以内；3) 调节显微观测系统7对装载有微粒和细胞5的容器进行扫描，找到微粒和细胞分布最密集的待操控区域4) 通过二维运动载物平台6，将待操控微粒和细胞5移至激光照射区域；5) 调整二维运动载物平台6的高度，使待操控微粒或细胞5位于激光束腰 位置；6) 用显微观测系统7查看激光照射区域，观测微粒或细胞5在激光束的作 用下，朝着激光束传输方向运动，通过调节激光器功率，实现微粒的最佳运输 速度，从而实现对微粒和细胞进行运输；微粒到达两激光束交汇处位置，关掉第一束激光束，打开第二束激光束， 微粒在第二束激光束的梯度力和辐射力的作用下，其运动方向发生改变，将沿 着第二束激光传输方向运动，实现激光束对微粒操控的定向移动；或者先将第一束光强为Pl的激光束对着微粒照射，微粒在激光束的梯度力 和辐射力的作用下，沿着第一束激光束的传输方向运输，当微粒到达两激光束 交汇处位置，第二束激光的光强为P2，其中，P2d.5xPl，微粒会发生转向， 沿着第二束激光束的传输方向运动，使得微粒和细胞的运动方向发生改变，实 现激光束对微粒操控的定向移动。
全文摘要
本发明涉及一种用于运输和定向移动微粒和细胞的激光微控装置及方法。装置中光源系统和二维运动载物平台放置在同一平面内，光源系统为依次放置的激光器、光束转换系统、聚焦系统，激光器、光束转换系统、聚焦系统放置在同一光轴上。本发明是利用激光束具有梯度力和辐射力的特点，将需要运输和定向移动的微粒和细胞束缚在光束聚焦区域，可以进行单激光束对微粒和细胞的运输，也可以用两相交激光束对微粒和细胞进行定向移动，从而实现对微粒和细胞进行操控的方法。本发明能够利用激光微操控技术实现对微粒和细胞进行直接运输和定向移动。可应用于微流控化学或生物分析系统。
文档编号G02B27/00GK101206308SQ200710164740
公开日2008年6月25日 申请日期2007年12月12日 优先权日2007年12月12日
发明者赵承良, 陆璇辉, 和 陈 申请人:浙江大学