一种测量生物细胞流变性的力学激励方法及系统

本发明涉及的是一种测量生物细胞流变性的力学激励方法及系统，可用于贴壁细胞等生物细胞的粘滞性等物理量的实时监测与测量，属于光学操控及生物医学光子学领域。

背景技术：

1、细胞作为生命结构和功能的基本单位，具有在其周围环境中感知、产生并且维系力的作用的生理学特性，即细胞的力学特性，它会因为基因突变或病原体的入侵而发生变化，从而用于区分正常和病变的细胞。细胞既具有类似固体的弹性，也具有类似液体的粘性，即细胞的粘弹性，也称为细胞的流变性。细胞流变性检测已成为细胞诊断、细胞治疗和细胞筛选的有效技术手段。

2、用于细胞流变性检测的方法有毛细吸管、磁镊、光镊、原子力显微镜和平板微流等技术。与其它技术相比，光镊操控技术具有非侵入、精度高、灵敏度高的特点。对于细胞的流变性测量而言，其研究的关键是细胞所受到的力学加载方式。因此，为实现快速、高效测量细胞流变性，需要选择合适的力学激励方法。

3、传统光镊测量细胞流变性的问题在于光阱束腰半径在亚微米尺寸量级，细胞整体尺寸远大于光阱束腰半径，必须通过分束镜、声光偏转器或空间光调制器形成多束光镊操控细胞，激励细胞缓慢的蠕变响应才能获得细胞流变性，导致该方法耗时长，不能满足快速检测细胞流变性的迫切需求。暨南大学的李宝军小组使用双光纤光镊法操控细胞(专利公开号：cn107085292a)，然而，该方法是基于细胞缓慢的蠕变响应测量其流变性，很难达到快速检测的目的。北京纳米能源与系统研究所使用纳米线阵测量细胞力学特性(专利公开号：wo2017036359)，是基于接触力学的检测方法，尽管测量精度高，但是细胞下表面多处受力后其内部容易产生复杂的生物和化学信号，导致细胞内部生物物理学特性极易发生改变，难以达到精准检测细胞力学特性的目的。

4、因此，利用非接触的光镊技术选择动态测量的力学激励方法，对实现快速、准确测量细胞的流变性具有重要意义，对促进我国自主研发的细胞分选仪器应用在医学诊断、药物研发和疾病治疗等方面具有重要的科学价值和社会效益。

技术实现思路

1、本发明提供一种测量生物细胞流变性的力学激励方法及系统，近红外激光通过光束整形系统和准直系统，在显微物镜第一焦平面处形成线形光镊，控制和改变所述光束整形系统的旋转频率和转轴位置，使线形光镊辐照的细胞受到动态旋转的力学激励，为测量细胞局部或细胞全局的流变性提供非接触、非侵入式、动态的力学激励方法。本发明易操作，精度高，可以对单细胞、细胞群至生物组织施加高频旋转的力学激励。

2、一种测量生物细胞流变性的力学激励方法及系统：

3、近红外激光通过光束整形系统和准直系统，在显微物镜第一焦平面处形成线形光镊，控制和改变所述光束整形系统的旋转频率和转轴位置，使线形光镊辐照的细胞受到动态旋转的力学激励。

4、所述光束整形系统用于产生在前后两个焦平面聚焦的，且在各焦平面上分别有一个轴向发散角的像散光。

5、所述准直系统用于减小像散光束快慢轴的发散角，延长像散光至显微物镜入瞳的距离，保证全部像散光束进入显微物镜入瞳。

6、所述显微物镜用于汇聚像散光束产生能量更加集中的线形光镊。

7、所述第一焦平面处形成线形光镊的几何尺寸可调整。

8、所述控制和改变所述光束整形系统的旋转频率和转轴位置，使线形光镊辐照的细胞受到动态旋转的光辐射应力，用于产生高频旋转的力学激励施加给生物细胞。

9、所述生物细胞为贴壁培养细胞。

10、所述细胞的光学折射率大于周围溶液的光学折射率，保证贴壁细胞表面受到沿光轴方向向上的光辐射应力。

11、所述光束整形系统，其特征在于由单个柱面透镜或两个垂直有距柱面透镜组构成，变换光束整形系统参量可调整像散光参数，系统旋转频率和转轴位置可调控。

12、所述光束整形系统参量为单个柱面透镜或两个垂直有距柱面透镜组的透镜焦距和孔径。

13、所述像散光参数包括快慢轴发散角和两个焦平面的距离。

14、所述转轴为与光轴平行的轴。

15、所述线形光镊，其特征在于线形光镊的转轴位置和几何尺寸大小取决于测量细胞的局部流变性还是测量细胞的全局流变性。

16、所述测量细胞的局部流变性时，保证旋转的线形光镊范围只作用于感兴趣的局部区域。

17、所述测量细胞的全局流变性时，线形光镊长度略长于待测细胞的最大直径，保证旋转的线形光镊作用范围覆盖全部细胞。

18、所述测量生物细胞流变性不局限于单细胞样品，也适用于生物组织及细胞群等生物样品。

19、本发明具有的优点是：

20、首次提出了使用非接触且旋转的线型光镊操控方法用于激励贴壁细胞表面自由端。

21、线形光镊几何尺寸可调，实现细胞局部和全局范围力学激励细胞的流变响应。

22、所述测量生物细胞流变性不局限于单细胞样品，也适用于生物组织及细胞群等生物样品。

23、使用易实现的像散光构成尺寸可调节的线型光镊，旋转光束整形系统，动态激励细胞流变响应，达到精准、快速、简易调控的目的。

24、本发明为细胞等生物样品流变性的测量提供了一种新颖的力学激励手段。对于基础科学研究、精密测量及医疗技术的发展具有重要的意义。

技术特征：

1.一种测量生物细胞流变性的力学激励系统，其特征在于，近红外激光通过光束整形系统和准直系统，在显微物镜第一焦平面处形成线形光镊，控制和改变所述光束整形系统的旋转频率和转轴位置，使线形光镊辐照的细胞受到动态旋转的力学激励；

2.根据权利要求1所述测量生物细胞流变性的力学激励系统，其特征在于，光束整形系统由单个柱面透镜或两个垂直有距柱面透镜组构成，变换光束整形系统参量可调整像散光参数，系统旋转频率和转轴位置可调控；

3.根据权利要求1所述测量生物细胞流变性的力学激励系统，其特征在于，线形光镊的转轴位置和几何尺寸大小取决于测量细胞的局部流变性还是测量细胞的全局流变性；

4.根据权根据权利要求1所述测量生物细胞流变性的力学激励系统，其特征在于，所测量的生物细胞为单细胞、细胞群及生物组织且底部固定于基质表面的生物样品。

技术总结
本发明公开了一种测量生物细胞流变性的力学激励方法及系统。近红外激光通过光束整形系统和准直扩束系统，在显微物镜第一焦平面处形成线形光镊，控制和改变所述光束整形系统的旋转频率和转轴位置，使线形光镊辐照的细胞受到动态旋转的力学激励，为测量细胞局部或细胞全局的流变性提供非接触、非侵入式、动态的力学激励方法。本发明易操作，精度高，可以对单细胞、细胞群至生物组织施加高频旋转的力学激励，可用于生物医学工程领域，通过调节线型光镊的旋转角频率来实现对细胞的高频流变响应激励，有助于克服传统细胞粘滞性测量系统的测量慢、精度低的缺陷。

技术研发人员：于凌尧,姚鑫,尹君,刘帅,贾源,胡徐锦,苑立波
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13