利用空间调制的光学力显微术检测细胞变形性的设备和方法

专利名称：利用空间调制的光学力显微术检测细胞变形性的设备和方法
利用空间调制的光学力显微术检测细胞变形性的设备和方法
技术领域：
本发明要求2005年10月17日提交的美国临时专利申请第60/726,620号 的优先权，该份申请的内容全文引用在此作为参考。
背景技术：
疾病的特征常在于其独特的分子和/或遗传指纹。然而，对于包括癌症在 内的许多疾病，这取得的成功有限；部分是因为细胞中的分子途径变成致病性 可能有许多方式，很多还未知。
在美国，虽然致力于癌症的研究活动己有数十年，但其依然是头号杀手。 然而，细胞除了是生物化学和遗传学实体外，它也是具有诸如弹性等物理特性 的机械实体。包括癌症在内的影响细胞的细胞骨架蛋白质网络(即，细胞的结 构完整性)的疾病应该自然地产生其机械特性(例如，弹性)发生变化的细胞。该 研究领域仍处于初级阶段，但近年来的研究已能根据利用光学器件实验测得有 效细胞弹性从而成功区分癌细胞和正常细胞(参见参考文献Guck等)。
如Guck, J等人在"光学变形性作为检测恶性转化和转移能力的固有细 胞特征"(Optical Defo腿bility as an Inherent Cell Marker for Testing Malignant Transformation and Metastatic Competence, Biophysical Journal 88:3689-98， 2005)—文中所述，将作用力施加于细胞的现有方法显示癌细胞 的变形性增加。已知携带动量的光子能对其折射率不同于介质的折射率的微观 物体的质心施加净力(例如，光学镊子)。以前进行的实验显示所产生的表面作 用力可能远高于净力，其强度足以使生物学上重要的物体(例如细胞)变形(参 见Guck, J等，"光学延伸器 一种显微操作细胞的新激光工具"(The Optical Stretcher: A Novel Laser Tool to Micromanipulate Cells), Biophysical Journal 81:767-84, (2001))。 Guck等的光学延伸器(Optical Stretcher)显示如果施加光 学力，在看起来相同的细胞中癌细胞显示的变形性明显较高。
9具体地说，在光学延伸器中，两条反向传播的光束每一次捕获悬浮液中的 一个细胞并将其拉长。用显微镜固定的CCD照相机记录拉长的幅度，经拉长 的细胞的长宽比(最长轴与最短轴之比)的测量值产生出一个光学变形性参数。
与扫描力显微镜(scanning force microscope)的直接机械探针不同，测得的变形 性实际上是细胞的机械特性和光学特性的结合(S卩，折射率)，因此基于对光学 特性的了解，从这些测量值推导出了弹性模型(参见Lekka, M.等，"通过扫 描力显微术研究的正常和癌性人膀胱细胞的弹性"(Elasticity of normal and cancerous human bladder cells studied by scanning force microscopy)， European Biophysics Journal 28:312-6 (1999))。因为对于临床目的和大多数科 学目的而言，变形性测量参数的统计学显著性和可靠性足够，并且不需要严格 计算弹性模型，所以这不是明显的障碍。
Guck等人证明测得的变形性与侵袭力充分相关，而光学变形性测量与细 胞的长宽比(最长轴与最短轴之比)有关。
然而，光学延伸器技术的实际局限性是只可检测悬浮细胞。不幸的是，细 胞处于某种非生理学状态，因为它们通常使得细胞-细胞发生接触并且具有固 体胞外支持物(即，固体组织)。因为那些不具有任何可供黏附的表面的细胞会 快速丧失其病灶黏着点(focal adhesion point)和相关的应力纤维，因此，与它们 的体内特性相比，人工悬浮条件下的细胞的弹性可能有显著变化。
在测量细胞弹性的其它技术中，己成功地应用了扫描力显微术来比较处于 一个表面上的正常和癌变细胞的弹性，但该方法有两个难点1)该技术非常 慢(每天只能测量几个细胞)，因而难以想像可将其转换为临床领域，和2)难以 避免和样品发生机械接触，因此在测量一系列细胞时探针污染是实际的危险。
因此，需要一种能测量处于一个表面上的多个细胞、避免破坏细胞且能使 该技术加速发展从而在商业上可行的技术。
发明概述
本发明的一个目的是能将光学力施加于黏附细胞，并且针对所导致的表面 扭曲还能灵敏且定量地测量多个光程链路(link)。本发明的空间调制光学力显微镜(SMOFM)能以干涉灵敏度(亚纳米灵敏度) 定量测定因光学施加表面作用力而导致的细胞表面扭曲。或者，可利用SMOFM 定量测定非光学施加表面作用力(即，流体动力学作用力、流体静力学作用力、 静电力、磁力、渗透力、机械力或内部作用力)导致的细胞表面扭曲。这种定 量测定是这样进行的利用计算机控制的空间光调制器对图像的一系列四(4) 张相移复制品(phase shifted replica)进行成像；并且采用现有算法通过像素光 程长来计算像素。可以确定光程长的变化以及由此引起的形状变化(假定各组 分的折射率未改变)。
在本发明中，光的空间光调制涉及多达两种不同的方法。第一，通过在透 射(成像)中对用低相干光照射的样品图像的傅立叶变换进行空间调制，而在 检测样品中的光程长变化的过程中使用空间光调制。第二，可用独立的空间光 调制器来产生激光，所述激光用于以用户定义的强度对视场中用户定义的位置 处的物体施加光学作用力(光学施力)。该实施方式中各空间光调制器调节不同 来源的光信号(空间光调制器(SLM) SLM1:成像源，S卩，低相干二级管， 空间光调制器(SLM)SLM2:用于光学施力的激光源)。
因此，对于本发明，利用空间调制光学力显微镜(SMOFM)可以测量任何 类型细胞的光学变形性，因而可以鉴定包括癌细胞在内的具有独特光学变形性 特征的患病细胞。除了用作诊断工具，空间光调制作用力显微镜还可用作研究 工具来了解因特定患病细胞状态而导致的光学变形性发生任何改变的原因。这 种细胞的光学变形性可以与结构蛋白质表达水平和模式相关联，例如空间调制 作用力显微镜能揭示由疾病导致的细胞粘弹性反应发生改变的分子起源。
本发明的设备是基于光学的，因此其优点是可作为快速而无菌的测量平 台。与现有技术相反，在本发明中，待检测的物体或细胞可以黏附于一个表面 (即，显微镜盖玻片表面)，因而能维持它们天然存在的黏着斑和应力纤维。
与现有方法相比，本检测技术(利用空间调制光学显微术)是更灵敏的形变 检测技术，其灵敏度为亚纳米水平。本发明的灵敏度更高有两个重要的优点 1)可以检测动态范围更大的弹性反应，和2)可以以较低的激光功率来实现可 检测的变形。对并行处理而言，第二个优点至关重要。在另一实施方式中，可以检测正常和患病细胞的光学变形性，所述变形性 与细胞骨架/结构蛋白质表达的测量值有关。例如，可通过荧光标记靶蛋白质并 收集荧光图像来测定蛋白质表达。
因此，本发明的光学力显微术设备是使细胞中的分子和遗传模式与变形性 的机械测量值相关联的有价值工具，从而给癌性表型的表征添加一个新的考量 方面。根据变形性测量参数，本发明还提供了癌症筛选试验的基础。
因此，上文概述了本发明的一些特征，从而能更好地理解下文的详述并更 好地知道对现有技术的贡献。当然，下文将描述本发明的其它特征，这些特征 构成了随附权利要求书的主题。
就此而言，在详细解释本发明的至少一个实施方式之前，应该知道本发明 的应用不限于以下描述所列或附图所述的构造细节和组件的配置方式。本发明 的方法和设备能(有)其它实施方式并能以各种方法实施和执行。还应知道本文 所用的措词和术语以及下文所包括的摘要是出于描述的目的而不应视作限制 性的。
因此，本领域技术人员知道本文所依据的理念不难用作设计实施本发明几 种目的的其它结构、方法和系统的基础。所以，权利要求应视作包括这些等价 结构是至关重要的，因为这些等价结构未脱离本发明方法和设备的构思和范 围。
附图简述


图1显示了本发明一个实施方式的光学力测量设备。
图2显示了本发明一个实施方式的示范性全息光肼系统，其是图1所示设
备的一部分。
图3显示了按照本发明一个实施方式，实施空间光调制光学力显微术所需 的光学组件，其是图l所示设备的一部分。
发明详述
本发明涉及能施加光学力并灵敏地检测在物体，例如细胞中所致变形的光学力检测装置，所述物体设置或黏附在一个表面上，而不似以前应用那样处于 悬浮液中。
具体地说，在一个实施方式中，本发明采用，例如全息光肼技术将光学力 同时引导至潜在的许多感兴趣区域，从而将物体中的变形检测为所施加的光学 力的函数。
在另一实施方式中，本发明采用定量相差显微技术，例如空间调制的光学
力显微术(SMOFM)检测物体中的变形。
在一优选的实施方式中，本发明采用空间调制的光学力显微镜(SMOFM) 产生探针光束(probe beam)作为作用力探针(force probe)来干扰黏附或置于某 表面上的物体，因而随后可以检测所述物体的变形，所述显微镜具有单光束光 学力检测能力或装有能进行多光束光学力检测并与显微镜物镜耦合的全息光 肼系统。
与现有技术相反，本发明能检测不处于悬浮液中的物体。事实上，本发明 所检测的物体可以是任何类型的黏附细胞，采用光学技术测定细胞是正常细胞 还是癌细胞。通过光学变形性还可检测和/或表征其它细胞类型(例如，干细胞) 或细胞状态(例如，疾病状态)，只要耙细胞类型或细胞状态对光学作用力探针 具有特征性的弹性或粘弹性反应。
光子在穿越折射率不同的介质时因其动量守恒导致光学产生的表面作用 力，从而产生感兴趣的细胞扭曲。当折射率为m的介质l中的光子穿入折射率 为ri2的介质2时，该光子的动量从iME/c改变为ri2(l-R)E/c，其中E是光 子能量，R是由菲涅耳公式所得的反射率(R约为1(T3)。此外，反射分量 的光子动量是rnRE/c。由于动量守恒，表面获得的动量是Ap。
所以，表面经受的作用力是F:Ap./At。这样，表面作用力使表面偏离较 稠密的介质，从而增加了该较稠密的介质沿入射轴的光程长。通过检测不同样 品的光程长变化，可以比较它们的光学变形性。
因此，物体的表面扭曲(S卩，应力)程度是该物质的粘弹性特性的函数。在 相等的照射条件下比较光学特征相同的两(2)物体的反应能比较它们的粘弹性 反应。在本发明中，通过对物体图像的一系列相移复制品进行成像并采用某算法
通过像素光程长计算像素，来定量测定因光学施加的表面作用力而导致的物体 表面扭曲以实施测量。可观察的光学变形性包含某给定的入射强度(和光束分 布)时的形状改变(例如，光程长的分数改变)。将光程长定义为光束所穿越物体
的真实物理长度L乘以其折射率n(即光程长=nL)。因此，通过检测物体，例 如癌细胞的光程长变化，将其与其它物体(即，非癌细胞)的作比较，可以测得 光学变形性并诊断恶性肿瘤。
具体地说，本发明技术可检测口腔鳞状细胞癌(OSCC)。得到的癌性上皮
细胞(黏附性的)远比源自基质细胞，例如成纤维细胞的癌症(S卩，肉瘤)更常见， 这些上皮细胞是采用能查询这种细胞的本发明技术检测恶性肿瘤的主要候选 对象。
然而，本发明技术还能应用于测试任何恶性肿瘤类型(即，源自任何器官， 例如乳腺、前列腺等的任何类型上皮细胞的癌症)的任何细胞。
具体地说，在本发明中，物体(例如，患者的或培养的细胞系的细胞)在基 板的表面形成单层，当将光施加于所述物体时，光子会穿越折射率为iM(细胞 介质)、n2(细胞)和ri3 (基板)的物质。应该知道n^n3，否则细胞会因表面作 用力而离开表面(即，否则毗邻基板的细胞表面会被推离基板而导致解离)。
普通基板，例如玻璃或塑料不满足此关系，但折射率与水相当或较低并且 透明的一类特殊的无定形氟聚合物(即，Teflon AF，杜邦公司)满足此关系。 此类无定形氟聚合物(化学惰性的)基板上该范围的细胞不会因施加于细胞上的 光学表面作用力而离开表面。
如果细胞不能直接附着在氟聚合物基板表面上，可以用各种蛋白质，例如 层粘连蛋白-5、胶原I或纤连蛋白中的一种包被该表面以使细胞附着。可以检 测细胞是正常还是癌性(即，OSCC， 口腔镰状细胞癌)上皮细胞。
在一个实施方式中，细胞的光学变形性(细胞弹性/粘弹性的量度)与细胞骨 架蛋白质表达的测量值(例如，荧光)相关，还与侵袭力的测量值相关，从而能 测定是否存在恶性肿瘤。
具体地说，在本发明的一个实施方式中，图1显示了采用全息光肼技术对黏附细胞实施空间调制的光学力显微术(SMOFM)的设备100的示意图。
然而，本领域普通技术人员知道可以采用空间调制的光学力显微术而不采 用全息光肼技术，或不用光学施加的作用力而对黏附细胞实施本发明。或者， 如果采用全息光肼技术来施加光学作用力，可不用本文概述的傅立叶相位技 术，而采用其它定量相位显微技术(quantitative phase microscopy techniques) 实施本发明。
本发明的激光耦合空间调制光学力显微镜(SMOFM)设备100利用，例如 的翻转式Nikon TE200显微镜101，其装有温控样品台102作为平台。例如， 可将生长在无定形氟聚合物-包被盖玻片或载玻片104，或上述包被有蛋白质的 无定形氟聚合物包被盖玻片或载玻片104上的物体(即，黏附细胞)103置于样 品台102上(例如，控制至37。C)。
在一个实施方式中，利用瓦数足够的灯105照射显微镜载玻片105上的物 体，从而足以通过显微镜101的目镜106和成像装置，例如照相机(CCD 107) 观察物体103。如果需要可以取消利用灯105进行的这种照射。
可利用低相干光源，例如超发光二级管108来成像(即，中心波长为820 nm，带宽为14nm的OLSLD-820-HP1，激光2000)。为检测视场中的光程长 差异，超发光二级管108可对载玻片104上的物体103提供宽视场照射，因而 特别适合于空间光调制的作用力显微技术。
然而，对于任何定量相位显微技术，包括空间光调制的作用力显微术，还 可使用除超发光二级管108以外的其它相干光源，例如合适的激光。利用物镜 111将超发光二级管108的光适当地对准物平面，从而使得光束的直径充满观 察区域。
对于只有一条探针光束的空间调制光学力显微镜101，通过具有自由空间 光束或光纤光耦合光束的二色镜113，将光学作用力激光(即，1064 nm，V106C， Spectra-Physics)109耦合到物镜111中。使该光束聚焦到物镜111的后方孔径 平面，从而自物镜lll产生准直光束。通过置于激光109的输出孔径处的、经 校验的计算机控制的激光衰减器119(即，OZ Optics),来控制激光109的输出 功率，从而能控制施加于物体103的光学作用力的大小。为了提供能并行检测载玻片104上许多物体103的光程长的装置，将全息
光肼(HOT)设备110(例如，参见通过引用纳入本文的Grier等的美国专利 6,055,106诉作光源。照射物体103的HOT光源是用于施加光学产生的作用力 的激光109(例如，1064 nm, V106C， Spectra-Physics laser)。
对于装有其数量可由用户定义的光肼(tr叩)(可动态改变)的空间调制光学 力显微镜101，可利用HOT设备110修改光学力激光109的波前，从而能将 多个光点施加于感兴趣的位置(例如，视场中的物体103或细胞所处的地方)。
具体地说，HOT设备IIO(见图2)包括准直激光束201，该激光束通过衍 射光学元件202而定形，经(例如)望远镜透镜204、 205传递至物镜203的后方 孔径，聚焦到由光束208照射的多个光肼207。点B'与B共轭。然而应注意， 如果需要可将望远镜透镜204、 205从设备上除去。
图1显示了图2所示HOT设备110的一些元件。例如，物镜203是用于 使光束208聚焦从而形成光肼207的显微镜物镜111，所述光肼影响载玻片104 上的物体103。
因此，可利用HOT设备110作为高强度光源(即，用于光学检测的激光 109)对载玻片104上的物体103(例如，细胞)施压。该压力施加于载玻片104 上的各物体103。
此外，为更有效地检测物体103或细胞的光程长，可采用全息光学技术平 行放置光学力探针。通过利用计算机控制的SLM 115来控制单激光109波前 的相位，可能在视场中同时放置并应用多个光学力探针。
此外，因为空间调制的光学力显微技术所用的检测方法能以像素为单位一 次性检测整个视场的光程长，所以本发明不难用于并行检测许多物体103或细 胞(如果需要，也可以自动进行)。因此，利用单光源(例如，利用HOT IIO)产 生许多探针光束(细光束)可以同时检测物体样品104(例如，细胞)内的许多物体 或点。
本发明利用置于灯105前的带通滤波器114照射物体103，所述带通滤波 器能使可见光带从灯105中出来并到达观察照相机(CCD)107，并排除来自其它 两种光源(即，激光109和超发光二级管108)的光。如上所述，用户利用该可见光带进行观察，如果需要可从设备中省去。
来自超发光二级管108的光是作为未修改的图像与该图像的相移版本的
叠加产物而被成像的，这可通过空间光调制器(SLM)115(也称为可编程相位调 制器(PPM))(即，X8267滨松光子公司(HamamatsuPhotonics), K.K.)来实施， 该调制器是图3所示SMOFM 300的一部分。所传递的光通过带通滤波器118， 从而只有超发光二级管108的光在成像装置或CCD 116上成像而阻断激光109 到达该CCD 116。
计算机控制接口 117整合了SLM 115、 CCD 116图像获取、HOT 110和 激光衰减器109控制(即，OZ Optics的)及位置依赖性光程长计算所需的图像 处理，该接口具有以图形编程语言编写的软件。
本发明采用空间调制的光学力显微术(SMOFM)检测物体103的光学变形。 如上所述，SMOFM能定量检测由HOT 110施加的光学力导致的光程长变化。
本发明技术包括引入第二光源(即，低相干超发光二级管108)，该光源是 从单模光纤(确保空间相干性)出现后经准直的光纤。超发光二级管108用空间
相干的光对物体103进行平面波照射，二级管108的光因时间相干性低而防止 检测期间出现有问题的反射伪像。像场的傅立叶变换被投影到SLM 115的表 面上。然后使该图像反向变换从而在CCD 116上形成物体的真实图像。无需 在SLM 115上进行任何调制，即可在CCD 116上重建原始图像。通过只调制 SLM115的k:0分量(以像素计假定在中心点处)，可不依赖于空间可变的分 量115而调制图像DC水平的相位。
本发明技术包括使图像DC分量的相位通过四(4)次相移(各Tl/2)而步进； 并逐个像素地捕获四(4)个CCD图像，它们用于存储图像的DC场和空间变化 场的干扰。
利用获得的四(4)个图像，采用现有算法(参见以下方程式[1]到[4])逐个像 素地获得DC场和空间变化场之间的相位差。该相移等于光在该像素位置处的 光程长的变化。
通过上述数学关系，四(4)个相移图像的信息可以表示为E场的相位分布。 通过比较施加光学力前后的相位分布，可以获得以像素计的所需光程长变化信息。例如，图像平面中的电场是E = EQ+EP总场E分成空间未变场(DC分 量)E。和空间变化分量Ep在CCD 116上检测到的四(4)次相移(11 = 0、 1、 2、 3)各自的强度为<formula>formula see original document page 18</formula> [1]Acp(x，y)是像素位置(x，y)处E。和E"x，y)之间的相位差，其为<formula>formula see original document page 18</formula>[2] E场的相位分布cp(x，y)为<formula>formula see original document page 18</formula>， [3]和<formula>formula see original document page 18</formula>[4]其中7=1/4阳0|2。借助这些现有的数学关系(参见Popescu, G.等，"研究生物学结构和动 力学的傅立叶相位显微术"(Fourier phase microscopy for investigation of biological structures and dynamics), Optics Letters 29(21):2503-5 (2004)),四 (4)个相移图像的信息可以表示为E场的相位分布。通过比较施加光学力前后的 相位分布，可以获得以像素计的所需光程长变化信息。因此，本发明首先将校正透镜(CL) 307(参见图3)置于图像的焦平面处来修 改超发光二级管108的图像信号(可选择CL 307，从而使得焦距等于图像平 面(IP) 306/虚拟点源(virtual point source) (VPS) 308长度)。随后利用傅立叶 透镜302(例如，焦距为50cm)，采用标准4-f几何方法将该图像经傅立叶变换 到SLM或PPM301(图1中的SLM 115)的表面上。空间光调制器SLM 115(即，可编程相位调制器(PPM)(即，X8267滨松光 子公司，&乂))可以是单独可寻址的2-维液晶阵列，其设计成具有0-2兀之间的 独立相位控制，各像素至少具有8比特的分辨率。插入起偏器P 304来选择入 射光的偏振作用使之与液晶分子轴的方向匹配，因而这种相位控制是可能的。SLM 301反射出的相位调制图像通过在CCD 116上的分束器(BS)反射而在 CCD照相机305(图1中的CCD 116)上成像。因此，检测各物体103包括1)在没有光学力存在时检测物体103的光程 长(产生光程长L)，和2)施加光学力后检测物体103的光程长(产生光程长L')。 本发明的技术能获得光学变形性的测量值(S卩，应力，(L，-L)/L)，将该测量值与 其它物体的光学变形性比较从而确定细胞的弹性是否能确诊癌症。因此，所施 加的光学力的持续时间和量级将确定是否引发了物体103的弹性和/或粘弹性 反应，以及弹性和/或粘弹性反应的量级是否表明了癌症。在另一实施方式中，可以检测物体或细胞的光学变形性，并与细胞骨架/ 结构蛋白质表达的测量值相关联(通过细胞的荧光显微术)。例如，本领域已知 许多方法可利用荧光成像和采用免疫定位(参见Imai， K.等，"人口腔鳞状细 胞癌中桥粒核心糖蛋白和中间丝的免疫定位"(Immunolocalization of desmoglein and intermediate filaments in human oral squamous cell carcinomas), Head Neck 17:204-12 (1995))来定量测定蛋白质表达。此外，癌性口腔上皮细胞已显示能表达波形蛋白。也有报道提示甚至在肿 瘤细胞表现出间充质细胞形态之前就可检测波形蛋白表达，从而使得细胞变形 形中假定的波形蛋白介导的改变成为潜在的理想诊断标记。为通过免疫定位与蛋白质表达相关联，可用特异性抗体(即，抗-波形蛋白) 培育细胞，洗涤细胞，然后用荧光标记的第二抗体，例如艾力克萨荧光 594(Alexa Fluor 594)第二抗体培育细胞，洗涤，最后制备用于荧光图像分析与 SMOFM联用的细胞。可以相似方式采用本发明技术使任何理想的蛋白质表达标记与细胞的光 学变形性相关联。因此，例如本发明设备能将光学力施加于黏附细胞，并且可以灵敏而定量 地检测它们的合力表面扭曲。本发明的空间调制光学力显微术组件能以干涉灵 敏度(亚纳米灵敏度)定量测定光学施加的表面作用力所致的细胞表面扭曲。可 以测定光程长的改变以及随之的形状改变，因此可以鉴定具有独特光学变形性 特征的患病细胞，包括癌细胞。因此，本发明的光学力显微术设备是使显示变形性的机械检测结果的细胞 中的分子和遗传模式相关联，加入新维度来表征癌性表型的有价值工具。本发 明还为根据变形性检测参数进行癌症筛选试验提供了基础。应该强调的是，本发明的上述实施方式只是为明确理解本发明主旨而列出 的可能实施例。可对本发明的上述实施方式作出改变和改进而不脱离本发明的 构思和主旨。所有这种改进和改变应包括在本发明的范围内并受到以下权利要 求书的保护。
权利要求
1. 一种检测多个物体的变形情况的设备，包括 提供物体的宽视场照射的低相干光源；和 对各物体的相移形式进行成像的空间调制光学力显微术装置； 其中所述空间调制光学力显微术装置检测各物体的光程长差异；和 其中所述光程长差异表明这些物体的变形情况。
2. 如权利要求l所述的设备，其特征在于，还包括 全息光肼装置，包括将光学产生的作用力施加于物体的激光。
3. 如权利要求l所述的设备，其特征在于，所述物体是黏附细胞。
4. 如权利要求l所述的设备，其特征在于，还包括 照射物体的灯；使可见光波带中的光自所述灯出现从而照射物体的第一带通滤波器；和 观察由所述灯照射的物体的成像装置。
5. 如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述空间调制光学力显微术装置包括至少一个空间光调制器；物镜；和 显微镜。
6. 如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述细胞生长在无定形氟 聚合物包被的盖玻片上。
7. 如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述盖玻片包被有蛋白质。
8. 如权利要求l所述的设备，其特征在于，所述低相干光源是超发光 二级管。
9. 如权利要求l所述的设备，其特征在于，所述低相干光源是激光。
10. 如权利要求5所述的设备，其特征在于，使所述激光产生的光束 聚焦在所述物镜的后方孔径处。
11. 如权利要求IO所述的设备，其特征在于，还包括 放置于所述激光的输出孔径处的计算机控制激光衰减器，其控制所述激光的功率的大小和施加于所述物体的光学力。
12. 如权利要求ll所述的设备，其特征在于，所述全息光肼设备修改 所述激光的波前以将细光束施加于物体从而在这些物体上施加作用力。
13. 如权利要求12所述的设备，其特征在于，通过衍射光学元件使所述细光束成形。
14. 如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述细光束用作同时对 多个物体施压的光学力探针。
15. 如权利要求5所述的设备，其特征在于，通过所述空间光调制器， 使从所述低相干光源传递的光成像为物体的未修改图像加上物体的所述图 像的相移形式的叠加。
16. 如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述空间光调制器是可 编程相位调制器。
17. 如权利要求4所述的设备，其特征在于，还包括 第二成像装置；和只允许所述低相干光源的光在所述第二成像装置上成像的第二带通滤 波器。
18. 如权利要求11所述的设备，其特征在于，还包括 计算机控制的接口，其整合了所述空间光调制器、所述第二成像装置、所述全息光肼装置和所述计算机控制的激光衰减器。
19. 如权利要求18所述的设备，其特征在于，所述空间光调制显微术装 置定量地测量因所述全息光肼装置施加光学力所导致的所述光程长的所述差 异。
20. 如权利要求15所述的设备，其特征在于，使所述未修改图像的DC 分量的相位通过四次相移而步进，所得到的四个相移图像存储所述相移图像的 DC场和空间变化场的干涉。
21. 如权利要求20所述的设备，其特征在于，所述相移等于光在像素位置处经历的光程长变化。
22. 如权利要求15所述的设备，其特征在于，还包括置于所述图像的焦平面处的校正透镜；和将所述图像变换到所述空间光调制器表面上的傅立叶透镜。
23. 如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述空间光调制器是单 独可寻址的两维液晶阵列，其具有0-2;r之间的独立相位控制，各像素至少具 有8比特的分辨率。
24. 如权利要求23所述的设备，其特征在于，还包括 起偏器；其中使所述液晶阵列上的入射光偏振从而与所述液晶阵列的分子轴的方 向匹配。
25. 如权利要求24所述的设备，其特征在于，还包括 分束器；其中所述空间光调制器反射出的相位调制图像通过在所述分束器上的反 射而被成像在所述第二成像装置上。
26. 如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光学变形性的测量 包括测量物体的应力。
27. 如权利要求26所述的设备，其特征在于，所述应力定义为L，-L/L， 其中L是没有光学力存在时各物体的所述光程长的测量值，L'是施加光学 力后各物体的所述光程长的测量值。
28. 如权利要求26所述的设备，其特征在于，将光学变形性的所述测 量值与以前测量过的其它物体的光学变形性进行比较从而确定物体的粘弹性 或弹性的变化是否提供了关于疾病或损伤的判定。
29. 如权利要求28所述的设备，其特征在于，测量所述物体的所述光 学变形性，并使所述光学变形性与细胞骨架/结构蛋白质表达的测量值关联 起来。
30. 如权利要求29所述的设备，其特征在于，所述蛋白质是波形蛋白。
31. —种检测多个物体的尺寸的方法，包括利用低相干光源照射基板上的物体；在空间调制光学力显微术装置上对各物体的相移形式进行成像； 确定各物体的光程长的差异；和比较所述差异与其它物体的光程长来确定物体的光学变形性。
32. 如权利要求31所述的方法，其特征在于，还包括 利用全息光肼装置对物体施加光学产生的作用力。
33. 如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述物体是黏附细胞。
34. 如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述照射步骤包括 利用第一带通滤波器使得可见光波带中的光照射物体；和 利用成像装置观察照射的物体。
35. 如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述物体生长在无定形 氟聚合物包被的盖玻片上。
36. 如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述盖玻片包被有蛋白质。
37. 如权利要求34所述的方法，其特征在于，由低相干光源提供所述 照射。
38. 如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述低相干光源是超发 光二极管。
39. 如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述低相干光源是激光。
40. 如权利要求32所述的方法，其特征在于，还包括 将所述激光所产生的光束聚焦到物镜的后方孔径处。
41. 如权利要求40所述的方法，其特征在于，还包括 用安置于所述激光的输出孔径处的计算机控制的激光衰减器来控制所述激光的功率的大小和施加于所述物体的光学力。
42. 如权利要求41所述的方法，其特征在于，还包括 利用所述全息光肼设备修改所述激光的波前，从而将细光束施加于所述物体，进而将光学力施加于所述物体。
43. 如权利要求42所述的方法，其特征在于，由衍射光学元件使所述细光束成形。
44. 如权利要求42所述的方法，其特征在于，还包括通过利用所述细光束作为光学力探针，同时对所述物体施压。
45. 如权利要求44所述的方法，其特征在于，还包括-通过利用空间光调制器，使从所述低相干光源传递的光成像为所述物体的未修改图像加上所述物体的所述图像的相移形式的叠加。
46. 如权利要求45所述的方法，其特征在于，所述空间光调制器是可 编程相位调制器。
47. 如权利要求45所述的方法，其特征在于，还包括 利用第二带通滤波器，使所述低相干光源的光成像在第二成像装置上。
48. 如权利要求47所述的方法，其特征在于，还包括 利用计算机控制的接口，整合所述空间光调制器、所述第二成像装置、所述全息光肼装置和所述计算机控制的激光衰减器。
49. 如权利要求45所述的方法，其特征在于，还包括 定量测量因所述全息光肼装置施加光学力所导致的所述光程长的所述差异。
50. 如权利要求45所述的方法，其特征在于，还包括 通过所述未修改图像的DC分量的相位的四次相移而步进； 其中所得到的四个相移图像存储所述相移图像的DC场和空间变化场的干涉。
51. 如权利要求50所述的方法，其特征在于，还包括 将所述图像傅立叶变换到所述空间光调制器的表面上。
52. 如权利要求51所述的方法，其特征在于，所述空间光调制器是单 独可寻址的两维液晶阵列，其具有0-2;t之间的独立相位控制，各像素至少具 有8比特的分辨率。
53. 如权利要求52所述的方法，其特征在于，还包括 使所述液晶阵列上的入射光偏振，从而与所述液晶阵列的分子轴的方向匹
54. 如权利要求53所述的方法，其特征在于，还包括所述空间光调制器反射出的相位调制图像通过分束器的反射而在所述第 二成像装置上成像。
55. 如权利要求31所述的方法，其特征在于，还包括测量物体的应力以确定所述光学变形性。
56. 如权利要求55所述的方法，其特征在于，所述应力定义为L'-L/L， 其中L是没有光学力存在时所述物体的所述光程长的测量值，L'是施加光 学力后所述物体的所述光程长的测量值。
57. 如权利要求56所述的方法，其特征在于，还包括 将光学变形性的所述测量值与其它物体的光学变形性进行比较，从而确定物体的粘弹性或弹性是否提供了关于疾病或损伤的判定。
58. 如权利要求57所述的方法，其特征在于，还包括 测量物体的所述光学变形性并使所述光学变形性与细胞骨架/结构蛋白质表达的测量值关联起来，从而确定所述表达是否是关于疾病或损伤的 判定。
59. 如权利要求58所述的方法，其特征在于，所述蛋白质是波形蛋白。
60. 如权利要求1所述的设备，其特征在于，施加于物体以测量变形 性的作用力是非光学的。
61. —种检测多个细胞的变形性的设备，包括 安置于基板上的多个细胞；将光学力施加于这些细胞上的全息光肼装置，所述全息光肼装置包括产生激光束的激光光源；物镜；和衍射光学元件；其中由所述衍射光学元件调制所述光束从而形成细光束； 其中所述细光束用作对多个细胞同时施压的光学力探针；和 其中因施加所述光学力所致的各细胞的光程长的差异表明了细胞的变 形情况。
62. 如权利要求61所述的设备，其特征在于，所述细胞是黏附细胞。
63. 如权利要求62所述的设备，其特征在于，测量所述细胞的所述光 学变形性，并使所述光学变形性与细胞骨架/结构蛋白质表达的测量值关联 起来。
64. 如权利要求61所述的设备，其特征在于，所述物体的非黏附细胞。
全文摘要
本发明采用空间调制的光学力显微术(SMOFM)产生探针光束作为作用力探针来干扰黏附于或置于某表面上的物体，因而随后可定量检测所述物体的变形情况，所述显微术具有单光束光学力检测能力或装有能进行多光束光学力检测并与显微镜物镜耦合的全息光肼系统。利用计算机控制的空间光调制器使图像的一系列四(4)张相移复制品成像并采用现有算法通过像素光程长计算像素来定量测定。如果所述物体是细胞，光程长的变化以及随后引发的粘弹性或弹性反应表明损伤或疾病。在另一实施方式中，可检测细胞的光学变形性，并使之与细胞骨架/结构蛋白质表达的测量值相关联。
文档编号G01B9/02GK101313196SQ200680043642
公开日2008年11月26日 申请日期2006年10月17日 优先权日2005年10月17日
发明者O·阿卡基 申请人:阿而利克斯公司