一种判断光学拉伸器中生物细胞成功捕获的装置及方法与流程

本发明是涉及一种判断光学拉伸器中生物细胞成功捕获的装置及方法，属于光学工程领域和精密测量技术领域。

背景技术：

单细胞水平的机械力学性能表征，可以有效阐明细胞的功能，解释细胞的单体差异性，对于细胞的分化和病理研究，以及疾病的早期临床诊断和治疗具有非常重要的意义。光学拉伸器是研究单个生物细胞机械力学性质的工具。它本质上是由两束功率相同、方向对准的高斯激光束相向传播形成的能束缚微米尺度粒子的双光束光阱。当生物细胞被双光束光阱成功捕获后，通过改变捕获激光的功率可实现细胞的拉伸和形变，从而达到研究生物细胞力学性质的目的。光学拉伸器在非机械接触的情况下进行捕获和拉伸，且不需要对激光进行聚焦，能实现细胞损伤最小化，故而其应用前景非常广阔。

使用光学拉伸器的过程中，在生物细胞被成功捕获后才能进行细胞拉伸和力学性质的测量，因此需要判断生物细胞是否被成功捕获。目前对于光学拉伸器中生物细胞捕获的判断，主要依靠显微成像和人工判断相结合的方法。使用CCD或CMOS数码相机连续采集光阱平面图像判断生物细胞的状态，当生物细胞处于光阱中并保持不动时，认为生物细胞被双光束光阱成功捕获。这种方法有三个弊端：一是受制于相机的采样频率，图像传输有延时，精度不高；二是相机体积大，不利于系统集成；三是相机价格高。利用光功率测量来判断光学拉伸器中生物细胞捕获的装置和方法，特别是对于在无法安装成像系统的条件下，准确判断双光束光阱中生物细胞是否已被成功捕获的装置和方法，目前还未见报道。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明提出了一种通过测量回光功率判断光学拉伸器中生物细胞是否已成功捕获的装置和方法。

本发明基于以下原理：两束功率相同、方向对准的高斯激光束相向传播形成的能束缚微米尺度粒子的双光束光阱。这两束高斯激光束称为捕获激光。第一束捕获激光经过生物细胞透射后会传播到第二束捕获激光一侧，同时，第二束捕获激光经过生物细胞散射后将有部分激光反方向传播到第二束捕获激光一侧，这两部分激光统称为回光，而在第一束捕获激光一侧同样存在回光。保持激光功率不变，当双光束光阱中无生物细胞时，回光功率处于稳定状态；当生物细胞进入光阱时，由于生物细胞的遮挡，回光功率剧烈波动；当生物细胞被成功捕获时，回光功率数值减小，波动幅度较未捕获时显著降低。

本发明采用的技术方案如下：一种判断光学拉伸器中生物细胞成功捕获的装置，由一号光分束器、二号光分束器、一号光电探测器和二号光电探测器组成，所述一号光分束器和二号光分束器分别位于两束入射激光的光路上，一号光电探测器与一号光分束器相连，二号光电探测器与二号光分束器相连；一号光分束器将入射激光分成两束，一束光作为第一束捕获激光，另一束光入射与一号光分束器相连的一号光电探测器，一号光电探测器用于读取一号光分束器输出的光功率，进而监控入射光功率W；二号光电探测器与二号光分束器相连，用于监控二号光分束器耦合而成的回光功率W1，通过二号光电探测器实时监控回光功率W1判断生物细胞是否成功捕获，通过一号光电探测器实时监控入射光功率W以确认入射光功率稳定，从而排除入射光功率对回光功率的影响。

本发明的有益效果是：

本发明通过测量回光功率来实时判断生物细胞是否被成功捕获，应用于无成像系统条件下的光学拉伸器，最大程度地利用了光学拉伸器中双光束光阱系统本身的构成部分，只需外接光分束器和光电探测器即可完成探测，具有结构简单、灵敏度高、实用性强等优点。另外，本发明不局限于生物细胞种类和芯片结构，适用范围非常广。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明装置的实施案例示意图；

图3为生物细胞被捕获前后回光功率的变化示意图。

图中1为生物细胞，2为第一束捕获激光，3为第二束捕获激光，4为第一束捕获激光的透射光，5为第二束捕获激光的散射光，6为一号光分束器，7为二号光分束器，8为一号光功率计，9为二号光功率计，10为细胞室，11为一号激光器，12为二号激光器，13为一号光隔离器,14为二号光隔离器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施案例作详细的说明，但不应因此限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种判断光学拉伸器中生物细胞成功捕获的装置，由一号光分束器6、二号光分束器7、一号光电探测器8和二号光电探测器9组成，所述一号光分束器6和二号光分束器7分别位于两束入射激光的光路上，一号光电探测器8与一号光分束器6相连，二号光电探测器9与二号光分束器7相连；一号光分束器6将入射激光分成两束，一束光作为第一束捕获激光2，另一束光入射与一号光分束器6相连的一号光电探测器8，一号光电探测器8用于读取一号光分束器6输出的光功率，进而监控入射光功率W；二号光电探测器9与二号光分束器7相连，用于监控二号光分束器7耦合而成的回光功率W1，通过二号光电探测器9实时监控回光功率W1判断生物细胞是否成功捕获，通过一号光电探测器8实时监控入射光功率W以确认入射光功率稳定，从而排除入射光功率对回光功率的影响。

本发明实施例如图2所示，两束入射激光的光源选用两个激光器：一号激光器11和二号激光器12，从一号激光器11和二号激光器12出射的两束激光，相向传输入射细胞室10。所述一号激光器11和二号激光器12的输出功率设置为相等的数值，以保证入射细胞室10的第一束捕获激光2和第二束捕获激光3功率相等。一号激光器11与一号光隔离器13相连，二号激光器12与二号光隔离器14相连，均用于隔离反射光，保护激光器。使用三维位移台等辅助工具，以保证两束激光完全对准后入射细胞室10，达到捕获细胞室10内生物细胞1的目的。

如图2所示，一号光分束器6和二号光分束器7分别位于两束入射激光的光路上，一号光电探测器8与一号光分束器6相连，二号光电探测器9与二号光分束器7相连；一号光分束器6将入射激光分成两束，一束光作为第一束捕获激光2，另一束光入射与一号光分束器6相连的一号光电探测器8，一号光电探测器8用于读取一号光分束器6输出的光功率，进而监控入射光功率W；二号光电探测器9与二号光分束器7相连，用于监控二号光分束器7耦合而成的回光功率W1，通过二号光电探测器9实时监控回光功率W1判断生物细胞是否成功捕获，通过一号光电探测器8实时监控入射光功率W以确认入射光功率稳定，从而排除入射光功率对回光功率的影响。

本发明的具体工作过程如下：

打开一号激光器11和二号激光器12，将二者的输出功率设置为相等的数值，一号激光器11和二号激光器12出射的两束激光分别经过一号光分束器6和二号光分束器7后照射到细胞室10，形成双光束光阱，此时与一号光分束器6相连的一号光电探测器8测得一号光分束器6出射光束的入射光功率W，与二号光分束器7相连的二号光电探测器9测得回光功率W1，此时回光功率稳定，如图3中“无生物细胞”时间段所示。

往细胞室10中注入生物细胞1，当有生物细胞进入光阱时，由于生物细胞的存在，透射光和散射光强度发生变化，回光功率W1剧烈波动，如图3中“生物细胞进入光阱但未被捕获”时间段所示；当生物细胞被双光束光阱成功捕获时，回光功率W1数值减小，波动幅度较未捕获时显著降低，如图3中“生物细胞被成功捕获”时间段。

在整个过程中，一号光电探测器8的读数均保持不变，通过监控二号光电探测器9的读数，可判断生物细胞在光学拉伸器中是否被成功捕获。