[发明专利]一种纳米精度光遗传操控装置

说明书

本发明公开了一种纳米精度光遗传操控装置，包括光源一、光源二、光源三、光探测器、四分之一波片、反射镜一、第一二向色镜、第二二向色镜、第三二向色镜、振镜系统、反射镜二、反射镜三、聚焦物镜、样品台。本发明针对传统方法难以实现亚细胞尺寸下的光遗传的操控问题，提出了一种纳米精度光遗传操控装置。该装置的基本原理是通过两束光的叠加压缩光遗传光斑的尺寸，使光斑达到纳米量级，进而实现更小尺寸的细胞器间活动的操控，对亚细胞器结构的研究具有重大意义。同时，本发明利用退激活光同时控制激发光和激活光，系统架构较为简单，容易搭建。

技术领域

本发明涉及一种光遗传技术光操控的方法及系统，具体涉及一种纳米精度光遗传操控装置。

背景技术

光遗传技术结合光学技术和遗传学技术，通过特定波长光的照射，控制细胞膜结构上的光敏感蛋白的激活与关闭，来控制活组织中的细胞，通常是神经元，进而控制生物体的行为。作为一种新颖的生物技术，光遗传技术为我们研究细胞功能提供了一种非侵入、可逆的有效手段，实现控制和监测个体细胞的活动。这些细胞经过遗传操作处理以表达特定的膜蛋白，用于控制离子通道的打开与关闭。

目前的光遗传技术已实现了对细胞的操控以及对细胞间活动的观测，如Wu YI等人于2009年在期刊NATURE上发表的文章《A genetically encoded photoactivatable Raccontrols the motility of living cells》中实现了利用10um照射光斑操控细胞活动，但目前的光遗传技术在对尺寸相对更小的细胞器活动：如操控观测高尔基体的囊泡分泌等方面显得无能为力，这阻碍了生物学向着更深层次领域的进一步发展。

发明内容

本发明针对传统方法难以实现亚细胞尺寸下的光遗传的操控问题，提出了一种纳米精度光遗传操控装置。该装置的基本原理是通过两束光的叠加压缩光遗传光斑的尺寸，使光斑达到纳米量级，进而实现更小尺寸的细胞器间活动的操控。

一种纳米精度光遗传操控装置，包括光源一、光源二、光源三、光探测器、四分之一波片、反射镜一、第一二向色镜、第二二向色镜、第三二向色镜、振镜系统、反射镜二、反射镜三、聚焦物镜、样品台。

所述光源一发出退激活光，经过四分之一波片，被反射镜全反射后透过第一二向色镜；所述光源二发出激活光，被第一二向色镜反射后，与光源一发出的退激活光合束，形成合束光一，合束光一透过第二二向色镜；所述光源三发出激发光，被第二二向色镜反射后，与合束光一合束，形成合束光二后透过第三二向色镜，再经振镜系统被反射镜二、反射镜三全反射进入聚焦物镜，最终在样品台附近形成聚焦光斑。

所述振镜系统控制聚焦光斑在样品台方向上的扫描。

所述样品台上放置有细胞器样品。

所述细胞器样品预先做过荧光标定和遗传操作处理；所述遗传操作处理通过导入特定光敏感蛋白基因使得其细胞器表面上表达出相应的膜蛋白，具体可参照刘兆瑞等在《扬州大学学报（农业与生命科学版）》期刊上发表的《用光遗传方法激活前额叶皮层对脑区c-Dos表的影响》。

所述四分之一波片将光源一发出的退激活光的偏振态变为圆偏振光，在聚焦物镜的聚焦平面形成圆形的中空聚焦光斑，中空聚焦光斑内径为纳米量级。

所述激活光可将细胞膜上阳离子通道打开，退激活光将细胞膜上阳离子通道关闭；在激活光聚焦光斑与中空退激活光聚焦光斑叠加区域阳离子通道关闭，阳离子通道只在退激活光聚焦光斑的中空区域打开，光遗传操作的区域被压缩到纳米量级，实现亚细胞尺寸下的光遗传操作。

所述激发光激发荧光物质发出荧光，退激活光抑制荧光物质激发；在聚焦平面，荧光物质在激发光聚焦光斑与中空退激活光聚焦光斑叠加区域不发光，只在退激活光聚焦光斑的中空区域发光，光斑尺寸小于激发光聚焦光斑尺寸，达到纳米量级。

作为优选，所述激活光波长470纳米，脉冲80兆赫兹，脉宽小于等于1皮秒，功率1兆瓦。