基于双光束光镊的细胞力学特性测量系统及方法

基于双光束光镊的细胞力学特性测量系统及方法
(一)技术领域
1.本专利涉及的是基于双光束光镊系统，利用ccd成像与qpd的快速精密检测，获得细胞的力学特性，包括代表细胞弹性的杨氏模量和粘弹性的响应时间，属于生物光子学领域。
(二)

背景技术：

2.随着科技的发展，利用非侵入、非接触的光镊检测细胞生理学特性的技术越来越成熟，特别是四象限探测器(qpd)具有帧频高、灵敏度高、信号处理电路简单等诸多优点,使其在光电检测领域和光电跟踪领域都有广泛应用。qpd已经用于医学电子显微镜、光电自准直仪和地震仪等对微小位移或者微小角度的精确检测；还在工业机器人手臂、激光导引头和激光通信atp系统等光电精密跟踪设备中为其提供高帧频、高精度的位置或角度反馈。
3.qpd的发展优势在于其高精度、低成本，在实际应用的过程中可以起到很好的测量和测试效果。传统的测量模式主要还是依赖于高精度、高灵敏的显微镜来对细胞进行测量，来自中国东南大学苏州医疗器械研究院的顾忠泽小组通过使用光子晶体显微镜来测量光子晶体薄膜在受到探测光后所产生的反射光的波长频谱，利用成像组件来用于接收来自所述光子晶体基底的反射光进行成像，以利用成像图形得到所述待测细胞与所述光子晶体基底之间的作用力，得到细胞的应变信息(中国专利申请号：202010931803.4)。在这种测量方式下，需要利用到光子晶体显微镜，还需要利用不同规格的光子晶体薄膜才能够得到理想的预期成果,这也极大的限制了该种方法的使用。
5.细胞自身力学特性对细胞的自身调节有着信息传递等多方面的功能，这是细胞的生命形态中的重要过程。以往的对于细胞的力学特性往往采用的是光学显微镜、ccd成像系统，这些测量的方法与所使用的系统精度有着很大的关联，而qpd本身的高精度特性就可以很好的忽略这一因素所造成的干扰。根据2018年nature的杂志可知，细胞受力不同，力学特性不同；通过定量测量细胞的力，根据细胞精确的受力特性来判断细胞在不同的探测光下的力学特性，反映细胞的健康状态。
6.本发明公开了基于qpd和点激光来实现对细胞的精准定位和不同细胞的力学特性。可用于对于细胞检测的医疗器械的发展以及具有的不同特性的细胞其所产生不同的粘弹性现象的检测，可用于检测细胞的健康状态。它通过将qpd电路和高精度显微镜与pc端相连接，使得qpd采集的数据可以稳定传输到pc端，与原先技术进行对比，在精度方面有了很好的改善；在价格方面具有了很大的优势，性价比更高，增强了对于光源功率的利用率，节约了一定的资源，同时可以调节精度来实现不同程度的测量，进一步提高了细胞的力学特性检测。
(三)

技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种基于双光束光镊的细胞力学特性测量系统及方法。
8.本发明的目的是这样实现的：
9.基于双光束光镊的细胞力学特性测量系统是由激光器1、激光器2、偏振分光镜3、声光偏转器4、透镜组5、合束镜6、短波通滤波器7、ccd相机8、显微物镜9、带通滤波片10、四象限探测器11、pc端13、照明系统14、反射镜15、反射镜16以及双色镜18组成。所述系统中的操控光与捕获光来自于激光器1，激光器1产生的激光经过分光镜3，其中反射部分作为捕获光a，透射部分由声光偏转器4使激光发生偏转作为操控光b，通过透镜组5扩束，捕获光a和操控光b分别由合束镜6反射和透射合成一束光经双色镜12进入显微物镜9聚焦至样品处。激光器2产生的激光由显微物镜9聚焦至样品作为探测光，显微物镜同时收集样品对探测光的背向散射信号经取样镜17和带通滤波片10进入四象限探测器11。照明系统14中的照明光通过聚光镜照射至样品，显微物镜收集样品的图像信息经过双色镜18和短波通滤光片7，由凸透镜会聚至ccd相机8。四象限探测器采集到的数据发送到pc端，通过软件对采集的数据进行后处理得到细胞的力学特性。
12.由于该系统测量细胞的力学特性是通过细胞的杨氏模量和响应时间来完成的，可以通过分别测量细胞的杨氏模量及其细胞响应时间来完成对细胞力学特性的测量。细胞的杨氏模量与细胞的响应时间可以通过如下关系进行测量，在操控光振动角频率ω下，细胞相位延迟的正切值和细胞响应时间的关系如下：其中，是细胞的力学响应相对于操控光的相位延迟，τ是细胞的响应时间，ω是操控光振动的角频率。σ＝eε
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(2)其中，σ是细胞受到的光阱力，ε是细胞的应变，e是细胞的杨氏模量。由(1)和(2)可以获得细胞的力学特性η。
13.为了进一步的提高测量细胞的力学特性测量的精准性，本发明还可以在图1所示的系统中将四象限探测器的位置改为或设置前向测量，这样测量系统可以减少反射光在经过反射镜等光学器件时的影响，进一步提高取样镜对探测光的背向散射信号的取样测量的准确性。本系统所采用的是背向测量，但前向测量在收集信息的能力也满足该系统的要求，添加前向测量四象限探测器可以很好的与背向测量结果进行一个对比，综合对比得出细胞的响应时间和力学特性数据。
14.为了实现细胞的杨氏模量的测量，本发明采用了声光偏转器装置，在开启激光器1，未开启声光偏转器时，细胞被捕获光a捕获，ccd相机记录捕获细胞的图像信息，开启声光偏转器，通过控制声光偏转器的声场频率来实现对操控光b偏转角度的改变，从而调节物镜焦平面上操控光b与捕获光a的相对距离，并通过ccd相机记录细胞被捕获光a和操控光b同时捕获操控后，细胞稳定的图像信息，通过使用ccd相机记录捕获细胞变形前后的图像信息，对比细胞前后的图像信息形变大小可以得到细胞的形变数据，从而测量得到代表细胞弹性的杨氏模量。
14.为了实现细胞的响应时间的测量，本发明通过检测探测光背向散射信号频率的相位延迟来测量细胞的响应时间，利用四象限探测器测量细胞的动态响应特性。激光器1所产生的捕获光a和操控光b通过合束镜6经双色镜12进入显微物镜照射至细胞处，同时打开声光偏转器4，产生高频振动的动态操控光，细胞会产生同频率的动态力学响应，物镜收集探测光的背向散射信号，四象限探测器记录细胞的动态响应。同步处理四象限探测器记录的
背向散射信号和声光偏转器产生动态操控光随时间变化的信号，测量在确定频率下细胞粘弹性导致的相位滞后，改变振动频率，获得在一定振动频率范围内的细胞相位滞后信息，测量出反映细胞粘弹性的响应时间。
14.为了满足不同种类大小的细胞对于测量的需求，本发明所利用的激光器1经过声光偏转器组件可以通过改变声场频率来改变操控光b的偏转角度以及偏转距离，通过改变物镜焦平面上操控光b与捕获光a的相对距离，来实现对不同种类大小的细胞测量。该方法可以实现对细胞进行非侵入式、非接触式的操控测量，同时不需要对细胞进行染色等可能对细胞造成潜在伤害性的操作。由于人体组织中的细胞大小与其物理性质并没有具体联系，因此就需要逐一测量来检测不同细胞具有的不同的力学特性。通过测量细胞的杨氏模量和细胞响应时间，计算得到不同细胞所具有的力学特性，以此来确定细胞的生理学特性。
(四)附图说明
15.图1是基于qpd的空间定位的细胞粘弹性测量系统的结构示意图。它由激光器1、激光器2、偏振分光镜3、声光偏转器4、透镜组5、合束镜6、短波通滤波器7、ccd相机8、显微物镜9、带通滤波片10、四象限探测器11、pc端13、照明系统14、反射镜15、反射镜16以及双色镜18组成。
16.图2是操控光与探测光的光斑与待测细胞的相对位置示意图，激光器1产生的激光经过分光镜3，其中反射部分作为捕获光a，透射部分由声光偏转器4使激光发生偏转作为操控光b，通过透镜组5扩束，捕获光a和操控光b分别由合束镜反射和透射合成一束光经双色镜进入显微物镜9聚焦至样品处。其中，操控光由于声光偏转器的作用，其偏转角度会有一定幅度的偏移，对细胞的测试由激光器2所发出的探测光执行，激光器2产生的激光由显微物镜9聚焦至样品作为探测光，显微物镜同时收集样品对探测光的背向散射信号经取样镜和带通滤波片10进入四象限探测器11。
17.图3声光偏转器和透镜组的示意图。系统中声光偏转器与透镜组相连接，声光偏转器大多采用布拉格衍射来改变激光频率，激光器1发出激光的透射部分作为探测光b，探测光b通过声光偏转器发生衍射并通过透镜组进入合束镜，衍射后的激光衍射后激光与原来传播路径相比存在微小的偏转角度，其方向会发生微小的变化，声光偏转器对激光束产生的偏移角度以及偏转距离与激光的频率有关，偏转角度与距离的关系如图3。
18.图4为测量细胞力学特性系统的整体流程图，系统在开始测量后，先打开激光器1，捕获光a完成对细胞的捕获，通过ccd相机可以得到细胞被捕获后的细胞信息图像，声光偏转器与四象限探测器同时打开，实现频率同步。经过声光偏转器的操控光b进入显微物镜聚焦到样品台对细胞进行捕获，ccd相机得到细胞稳定后的图像，打开激光器2，探测光进入显微物镜聚焦到样品台对细胞进行测试。通过对比ccd相机的图像信息得到细胞的杨氏模量，四象限探测器对探测光的背向散射光测量得到频率的相位延迟，计算得到细胞的响应时间，根据细胞的响应时间与杨氏模量得到细胞的力学特性，实现判断细胞的生理学特性。
(五)具体实施方式
19.下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
20.图1给出了基于双光束光镊的细胞力学特性测量系统的实施例。系统是由激光源
1、激光源2、偏振分光镜、声光偏转器、透镜组、合束镜、短波通滤波器、ccd相机、显微物镜、带通滤波片、四象限探测器、pc端、照明系统、反射镜以及双色镜组成。所述系统中的操控光与捕获光来自于激光器1，激光器1产生的激光经过分光镜3，其中反射部分作为捕获光a，透射部分由声光偏转器4使激光发生偏转作为操控光b，通过透镜组5扩束，捕获光a和操控光b分别由合束镜6反射和透射近似合成一束光经双色镜12进入显微物镜9聚焦至样品处。激光器2产生的激光由显微物镜9聚焦至样品作为探测光，显微物镜9同时收集样品对探测光的背向散射信号经取样镜和带通滤波片10进入四象限探测器11。照明系统14中的照明光通过聚光镜照射至样品，显微物镜收集样品的图像信息经过双色镜18和短波通滤光片7，由凸透镜会聚至ccd相机8。通过ccd相机对图像信息的处理可以得到被测细胞的形变大小，四象限探测器11对探测光背向散射信号的处理可以得到细胞粘弹性导致的相位滞后，四象限探测器11采集到的数据发送到pc端13，通过软件对采集的数据进行处理得到细胞粘弹性的响应时间。
21.系统工作时，捕获测量不同大小的细胞通过控制声场频率来改变操控光b的偏转角度，利用背向检测的方式，对待测的细胞进行力学测试。声光偏转器装置的作用有二，一是作为稳态操控光，通过控制声场频率改变操控光b的偏转角，从而调节物镜焦平面上操控光b与捕获光a的相对距离，实现对不同尺寸细胞的捕获；二是作为动态操控光，在物镜焦平面上做振动频率和振幅可调的周期运动，实现对细胞的动态操控。在实际测量过程中，声光偏转器与透镜组之间的距离为125mm,透镜组与显微物镜间的距离为450mm，两个透镜之间的距离为两个透镜自身的焦距之和，其中透镜组的前一个透镜比后一个透镜的焦距要小。若距离过远，因为操控光的偏转角的影响，操控光则无法进入显微物镜聚焦到样品台上对细胞进行操控，声光偏转器与透镜组间距离应该有严格的控制。声光偏转器的偏转角度与偏移距离的关系如图3。
22.激光器1产生激光的投射部分作为捕获光a对细胞进行捕获后开启ccd相机，待细胞稳定后对细胞的形状大小进行测量，测量结束后同时打开声光偏转器产生高频振动的动态操控光，操控光b进入显微物镜聚焦到样品台，由于动态操控光的原因，需待细胞稳定后，通过ccd相机测量记录被捕获细胞的图像信息，即细胞发生的形变大小，通过前后对比可以得到细胞变化的形变大小数据，进而测量得到代表细胞弹性的杨氏模量。根据细胞的响应时间以及杨氏模量，通过计算可以得到细胞的力学特性。
23.具体的，激光器1使用1064nm、1.5w的激光器，激光器2使用532nm、1w的激光器，使用40倍的显微物镜，采样率为5％的采样镜。系统在进行测试时，打开激光器1，关闭声光偏转器，激光器1的反射部分作为捕获光a对细胞进行捕获后，同时开启声光偏转器和四象限探测器，使得声光偏转器的频率和四象限探测器的频率同步，此时打开激光器2，激光器2发出的激光作为探测光进入显微物镜照射至细胞，显微物镜收集探测光的背向散射信号，经过取样镜17和带通滤波器10到四象限探测器，同步处理四象限探测器记录的背向散射信号和声光偏转器产生动态操控光随时间变化的信号，测量在确定频率下细胞粘弹性导致的相位滞后，改变振动频率，获得在一定振动频率范围内的细胞相位滞后信息，测量出反映细胞粘弹性的响应时间。根据细胞的响应时间以及杨氏模量，通过计算可以得到细胞的力学特性。
24.系统中的具体流程操作如图4，开始测量时，首先打开激光器1，完成捕获光对细胞
的捕获，得到细胞的图像信息。打开激光器2，探测光进入显微物镜聚焦到样品台，同时开启声光偏转器产生高频振动的动态操控光，操控光进入显微物镜聚焦到样品台，对细胞完成操控，待细胞稳定后通过ccd相机得到细胞的图像信息，对比细胞变形前后的图像信息得出细胞的形变大小，从而测量得到代表细胞弹性的杨氏模量。显微物镜收集探测光的背向散射信号，四象限探测器记录被捕获细胞的动态响应，同步处理四象限探测器记录的背向散射信号和声光偏转器产生动态操控光随时间变化的信号，测量得到在确定频率下由细胞粘弹性导致的相位滞后，改变声光频率，测量出反映细胞粘弹性的响应时间。通过细胞的杨氏模量与响应时间得到细胞的力学特性。