[发明专利]一种在物镜视场内任意移动细胞的环形光镊及实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及到一种光镊技术,尤其涉及到一种在显微物镜视场内任意移动细胞的环形光镊及实现方法。

背景技术

美国科学家Ashkin早在1986年的实验中成功地利用一束紧聚焦的激光实现了对生物粒子的捕获和非接触性、无损伤的操作，这种被形象的称为光镊的技术已经从早期简单的操控发展为可用于标定光阱中粒子的受力和纳米尺度的位移等的应用技术。光镊的出现，为人们研究微小粒子的行为提供了实时和强有力的手段，而且在研究方法上从被动的观察转为主动的操控，为生命科学,材料科学，物理学和化学等众多学科领域带来了革命性的创新。

经过三十多年的发展,光镊技术取得了许多重要进展。早期的光镊技术只能产生一个光阱,操纵功能非常有限，而且被捕获微粒相对于周围介质的移动只能通过整体移动样品池或载物台。因此,从单光阱捕获向多光阱捕获并且发展动态移动光镊是光镊技术发展的必然趋势。将多个激光器输出的光束耦合到同一个聚焦物镜是产生多光阱的最直接方法,但是这种方法产生的光阱数目有限,且装置复杂。通过衍射光学元件或空间光调制器，调制光束相位来产生特定目标光场的全息光镊技术可产生大阵列光阱,而且具有实时、动态、三维空间独立控制多微粒等优点。1998年Dufresne等利用一个固定衍射元件产生了大阵列光阱分布,标志着全息光镊技术的诞生。2002年,他们利用液晶空间光调制器(SLM)调制入射光场的相位产生二维或三维光阱阵列,实现了实时、动态，独立操控多个微粒的功能。从此，各国科学家们开展了基于激光束振幅调制，相位调制和偏振态调制的空间光场调制全息光镊技术研究，提出了各种各样的光阱产生方法和微粒操控手段。例如经过相位调制的带有轨道角动量的涡旋光束聚焦产生可旋转微粒的环形光镊。经过偏振调制的径向偏振光束可以产生带有轴向电场分量，横向高度压缩的实心聚焦光镊。角向偏振光束聚焦可以在焦平面中心产生环形光镊。但是到目前为止，要么产生聚焦实心可移动光镊，要么聚焦产生不可任意移动的空心环形光镊。未见有研究报道在物镜视场范围可以任意移动位置,尺寸可以根据需要进行调节的空心环形光镊。由于空心环形光镊可以用于捕获折射率较低,尺寸在几百纳米到几十微米范围的物质微粒，例如细胞。而可以任意移动的空心环形光镊则可以对细胞进行搬运，分选，手术，融合，诊断和测试。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种利用反射型纯相位空间光调制器和4F傅里叶变换成像系统对入射聚焦物镜的准直激光进行纯相位调制，并不断动态更新加载在空间光调制器上的纯相位调制图从而在物镜焦平面产生按事先设计的路径近似连续移动的空心环形光镊。而且该环形光镊的尺寸可以精确设计,以满足捕获和移动不同尺寸微粒的需要。

为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：

一种在显微物镜视场内任意移动细胞的环形光镊，其特征在于，包括：激光器、扩束准直系统、线偏振器、第一反射镜、第一计算机、纯相位空间光调制器、4F傅里叶变换成像系统、分束镜、倒置物镜、载物台、样品池、正置物镜、LED样品照明光源、第二反射镜、滤色镜、成像透镜、CCD电荷耦合成像器件、第二计算机，所述扩束准直系统包括物镜、小孔和透镜；

其中，将激光器发出的激光首先进行扩束准直使之成为平行光束，再通过一个线偏振器获得线偏振平行光束，偏振方向与纯相位空间光调制器的液晶面长边平行；使线偏振平行光束通过第一反射镜斜入射纯相位空间光调制器以获得相位调制光束，纯相位空间光调制器的相位由第一计算机通过数据线加载；

相位调制光束由4F傅里叶变换成像系统和分束镜成像在倒置物镜的后孔径平面；倒置物镜将光束聚焦成可以改变位置的空心环形光斑,空心环形光斑透过盖玻片入射在位于载物台下表面的样品池内；样品池由LED样品照明光源和正置物镜聚焦的光束照明；照明后的样品池透过倒置物镜、分束器、第二反射镜、滤色镜和聚焦透镜成像在电荷耦合成像器件以及与之连接的第二计算机上；

通过样品台水平扫描使空心环形光斑能够捕获样品池内悬浮的某个细胞；动态更新加载在第一计算机和纯相位空间光调制器的相位调制图，使空心环形光斑在焦平面内沿事先设计的路径移动，从而带动捕获的细胞移动。

上述技术方案中，所述样品池由双面透明胶粘在载玻片上的四周的结构构成，样品池中的样品由溶解在蒸馏水的细胞组成，并使用微升移液器把样品加注入样品池并由盖玻片密封完成。

上述技术方案中，被捕获的细胞沿任意事先设计的路径移动。

本发明的一种利用在显微物镜视场内任意移动细胞的环形光镊的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：