CN112280649B - 一种基于倾斜光纤光栅光镊的细胞分选仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物医学光子学领域，更具体地，涉及一种基于倾斜光纤光栅光镊的细胞分选仪，它包括计算机、光源、掺铒光纤放大器、调制器、偏振控制器、微驱动器、显微镜、微流控制芯片和倾斜布拉格光纤光栅，所述光源发射的光通过掺铒光纤放大器放大能量并经过调制器控制光强，然后通过过滤偏光的偏振控制器，入射到倾斜布拉格光纤光栅，光经过倾斜布拉格光纤光栅形成光阱，所述微流控制芯片设置在光阱产生处，所述显微镜用于观察微流控制芯片，所述计算机用于控制光源、掺铒光纤放大器、调制器、偏振控制器、微驱动器。

Description

一种基于倾斜光纤光栅光镊的细胞分选仪

技术领域

本发明属于生物医学光子学领域，更具体地，涉及一种基于倾斜光纤光栅光镊的细胞分选仪，特别是用于生物医学领域多细胞样品的细胞分选，可用于细胞分析，疾病诊断等领域。

背景技术

细胞分选是把一种细胞从多细胞样品中分离出来。细胞的分选是细胞生物学中一项非常重要且不可缺少的基本技术。细胞分选已被广泛地应用于基于细胞分析领域的药物筛选、细胞内基因表达等研究，对生物研究和医学临床检验具有重要的现实意义。

目前进行细胞分选的技术手段多样，包括荧光激活细胞分类术、磁操控分选法、双向电泳分选法、光镊分选法、超声波分选、机械操控、流体动力分选、捏流分选、亲和性分选法等。其中光镊分选法是利用光独特的光学极化效应来实现细胞的分离。光镊分选法与其他方法相比，有灵敏度极高的优点，即使细胞间互相作用产生的形变极其微小，该法也可通过改变光的状态，进而通过光信号实现细胞分选，并且无需对细胞进行标记，从而实现无标记筛选。而且这种分选技术对细胞几乎无损伤，分选精度高，成本低，样品成活率高。基于光纤光镊技术具有普通光镊技术分选法的优点，同时易与现有的微流控制技术相结合。

现有的光镊分选法存在一定的局限性，其首先用监测器判定微流道中细胞的类型，然后用光镊逐个将不符合(或符合)的细胞推至微流鞘液层，从而实现分选，细胞分离的效率低于磁控、双向电泳等方法。为实现大量粒子的捕获与分选，目前所采用的方案是基于微纳光纤倏逝场的捕获技术。然而，微纳光纤的结构脆弱，机械强度不稳定，且性能易受到环境的影响。目前，还尚未有结构稳固，性能稳定的大量粒子捕获的解决方案以实现高效率的粒子分选。

发明内容

为此，需要提供一种基于倾斜光纤光栅光镊的细胞分选仪，本发明利用45左右度倾斜角的大角度倾斜布拉格光纤光栅(tilted fiber bragg grating,TFBG)的空间衍射特性产生厘米量级的光阱，实现大量粒子的捕获与操控，通过与微流技术相结合实现高精度高通量的细胞分选，可用于生物医学领域多细胞样品的细胞分选以及疾病的诊断。本发明提出了一种新型的光纤光栅细胞分选仪，将倾斜光纤光栅光镊技术与微流技术相结合，实现高通量高精度的细胞分选。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于倾斜光纤光栅光镊的细胞分选仪，它包括计算机、光源、掺铒光纤放大器、调制器、偏振控制器、微驱动器、显微镜、微流控制芯片和倾斜布拉格光纤光栅，所述光源、掺铒光纤放大器、调制器、偏振控制器和倾斜布拉格光纤光栅依次相连，所述微驱动器与倾斜布拉格光纤光栅相连，微驱动器控制倾斜布拉格光纤光栅进行移动，所述光源发射的光通过掺铒光纤放大器放大能量并经过调制器控制光强，然后通过控制偏振光方向的偏振控制器，入射到倾斜布拉格光纤光栅，光经过倾斜布拉格光纤光栅形成光阱，所述微流控制芯片设置在光阱产生处，所述显微镜用于观察微流控制芯片，所述计算机用于控制光源、掺铒光纤放大器、调制器、偏振控制器、微驱动器。

本技术方案进一步的优化，所述光源为扫描激光光源或宽带光源。

本技术方案进一步的优化，还包括微柱透镜，所述微柱透镜与倾斜布拉格光纤光栅平行放置，由衍射而出的光通过微柱透镜在远端发生汇聚。

本技术方案进一步的优化，所述光阱为单光束光阱或/和双光束光阱。分选细胞所利用光阱可由单光纤产生线性光阱，这是单光束光纤，或由双光纤产生平面光阱，这是双光束光阱。

本技术方案进一步的优化，还包括光电耦合器，所述光纤耦合器对多个倾斜光纤光栅进行并联或串联，实现多样本分选以及样本比对。

本技术方案进一步的优化，所述倾斜布拉格光纤光栅是45°±5°的大角度倾斜布拉格光纤光栅。

本技术方案进一步的优化，采用具有多路微流通道的微流控制芯片，利用调制器调节光纤不同分段不同光强来获得不同大小光阱力实现对不同粒径细胞的分选。

区别于现有技术，上述技术方案有益效果是，利用大角度倾斜布拉格光纤光栅的空间衍射特性进行光镊的设计，基于光纤本身空间衍射特性，可得到厘米量级光阱，为大量粒子的捕获奠定基础。同时与微流控技术结合，结构简单，控制光不易受外界影响，稳定性高。

附图说明

图1为基于倾斜光纤光栅光镊的细胞分选仪示意图。

图中：1.计算机，2.光源，3.掺铒光纤放大器，4.调制器，5.偏振控制器，6.微驱动器，7.显微镜，8.微流控制芯片，9.大角度倾斜布拉格光纤光栅。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

请参阅图1所示，本发明的细胞分选仪示意图。该光纤细胞分选仪包括：计算机1，光源2，掺铒光纤放大器3，调制器4，偏振控制器5，微驱动器6，显微镜7，微流控制芯片8，大角度倾斜布拉格光纤光栅9。光源2与掺铒光纤放大器3相连，掺铒光纤放大器3与调制器4相连，调制器4与偏振控制器5相连。微驱动器6与大角度倾斜布拉格光纤光栅9相连，微驱动器6用于控制大角度倾斜布拉格光纤光栅9进行微小移动。大角度倾斜布拉格光纤光栅9与微流控制芯片8相集成，产生的光阱位于微流通道内。大角度倾斜布拉格光纤光栅9接入到偏振控制器5，同时被微驱动器6驱动。利用大角度倾斜布拉格光纤光栅9产生光阱力，对样品中的目标细胞进行捕获，通过调制器4对光强进行调控，以获得不同的光阱力，进而可以捕获不同粒径的细胞，且光阱为厘米量级，可实现对大量粒子的捕获，并通过微驱动器6控制大角度倾斜布拉格光纤光栅9进行微小移动，实现对已捕获目标细胞群位置的操纵，用显微镜7对微流控制芯片8中发生过程进行观察，通过计算机对上述各部分进行控制。

光源2采用扫描激光光源或宽带光源，其波段应能覆盖倾斜光纤光栅的波段。光源2发出的宽带光，经过掺铒光纤放大器3放大能量并通过调制器4控制光强，然后通过过滤去偏光的偏振控制器5，入射到大角度倾斜布拉格光纤光栅9。大角度倾斜布拉格光纤光栅9的倾斜角度为45°±5°。

分选细胞所利用光阱可由单光纤产生线性光阱，或由双光纤产生平面光阱。光阱类型分为单光束光阱和双光束光阱。单光束光阱的形成是采用微柱透镜与大角度倾斜布拉格光纤光栅9平行放置，大角度倾斜布拉格光纤光栅9以特定波长激光作为输入。由大角度倾斜布拉格光纤光栅9衍射而出的光通过微柱透镜在远端发生汇聚。在该处光场形成束腰，束腰上的光对处于其附近的粒子有捕获和束缚作用，使得粒子以平衡态被束缚在该束腰上，该束腰即处为一线性光阱。

双光束光阱的形成则是采用两束相向的光照射微粒，即可使粒子在光束相交的中心受到力平衡而实现对粒子的捕获，且不同大小的光强的光产生的光阱力可以使不同粒径的粒子被捕获。

通过微驱动器6对大角度倾斜布拉格光纤光栅9进行驱动，使得被捕获的细胞随大角度倾斜布拉格光纤光栅9位置的变化进入微流控制芯片8不同小通道，实现细胞分选。可通过接多个微流控制芯片8实现对细胞样品的多次二分。此外可通过分选仪的并联串联两种模式实现不同功能，并联或串联指的是采用光电耦合器对多个大角度倾斜布拉格光纤光栅9进行并联或者串联。并联可同时对多根大角度倾斜布拉格光纤光栅9进行调制，实现同时对多个细胞样品的分选或实现同时对同一细胞样品的不同成分的分选，可以对不同样本进行比较，同时提高了分选效率。串联即用同一根大角度倾斜布拉格光纤光栅9实现多级分选，主要是利用分选过程的时间差，用调制器4来调节大角度倾斜布拉格光纤光栅9不同段的光强来完成细胞分选，此外还可通过波分复用的方法进行串联，通过调节不同大角度倾斜布拉格光纤光栅9的衍射光强来实现不同粒径的分选。

本发明的核心技术为基于大角度倾斜布拉格光纤光栅9的粒子捕获，其原理包括倾斜光纤布拉格光栅的空间衍射以及光阱的产生：

倾斜光纤布拉格光栅是一种成栅面与光纤轴向具有一定倾斜角度的短周期光纤光栅。根据不同的倾斜角度，倾斜光纤布拉格光栅具有不同的模式耦合特性。对于小的倾斜角度，倾斜光纤布拉格光栅实现纤芯模式与后向包层模式的耦合。而对于大的倾斜角度，倾斜光纤布拉格光栅实现纤芯模与前向包层模式的耦合。当倾斜角度介于二者之间，实现的是纤芯模式与辐射模的耦合。辐射模的强度分布可表示为：

其中：

n₀是光纤纤芯折射率，c为真空中的光速，ε₀是真空中介电常数，δn是由紫外曝光引起的折射率调制量，k₀＝2π/λ是入射光在真空中的波数，E₀为入射光的电场强度。Δ＝β-K_g为相位失谐量，k_g＝2πcosθ/Λ及，k_t＝2πcosθ/Λ分别为光栅的纵向与模向传播波数。δ，φ为辐射模式的偏振角与方位角。

为出射光波矢在横向的波矢，

是入射光，光栅，出射光的失配量。a是光纤纤芯直径，u是光纤波导参数，J(x)是第一类贝塞尔函数。由以上表达式可得到辐射模的空间强度分布，获得光阱力的大小。

由光栅出射的光对微粒将施加两种不同的力，一种为散射力，由入射到微粒内的光的散射造成的；另一种为梯度力，是入射光在空间中的强度分布引起的。微粒所受光阱力是这两种力的合力。其表达式如下：

F_scatt与F_grad分别表示微粒梯度力与散射力；R，T分别为为微粒与溶液界面的反射率与折射率；θ，θ’分别为光在微粒与溶液界面的折射角与反射角；n_m为微粒的折射率，p为光功率，c为真空中的光速。将公式1代入到(2)(3)可计算微粒在倾斜光纤光栅辐射场照射下所受的光阱力。捕获时，光阱力与逃逸力相平衡。而不同粒径的微粒因布朗运动而产生的逃逸力不同。通过调节功率可调节光阱力大小，使其介于两种微粒的捕获阈值。仅低捕获阈值的粒子被捕获，由此可实现两种不同粒径的粒子的分选。

由倾斜光纤布拉格光栅折射率调制是轴向分布的，且长度为厘米量级，所产生的光阱力为厘米量级的，若入射光功率足够大，可实现大量粒子的捕获与操控。

需要说明的是，本发明还包括光纤耦合器，光纤耦合器对多个倾斜光纤光栅进行并联或串联，实现多样本分选以及样本比对。利用光纤耦合器对倾斜光纤光栅进行并联可提高粒子的分选效率、多样本分选以及结果比对。

实施例：

光源2的工作波段为1550nm。掺铒光纤放大器3的工作波段为1500～1600nm，平均增益为20dB。电光调制器4的中心波长为1550nm，调制带宽20GHz，调制频率100MHz，消光比250：1。偏振控制器5的的中心波长为1550nm，插入损耗0.7dB。大角度倾斜布拉格光纤光栅9的中心波长为1550nm，中心波长的空间衍射效率>15dB。

在实际应用时，调整偏振控制器5使得光源2发出的光在大角度倾斜布拉格光纤光栅9产生的衍射光效率最高。调整掺铒光纤放大器3使出射的衍射光光阱的功率高于特定尺寸细胞的捕获阈值。小于这一特定尺寸的细胞都将被捕获，调整微驱动器6移动大角度倾斜布拉格光纤光栅9将捕获的细胞送入对应的微流通道。同时调制器4使输入光功率降为0，细胞随鞘液进入对应通道，大角度倾斜布拉格光纤光栅9复位进行下一次的捕获与操控。微流通道的细胞可由串联或并联的大角度倾斜布拉格光纤光栅9捕获系统进行下一级的细胞分选。最终，分选后的微流通道经过光纤计数器后，最终分选结果显示于计算机用户界面中。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。

尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于倾斜光纤光栅光镊的细胞分选仪，其特征在于，它包括计算机、光源、掺铒光纤放大器、调制器、偏振控制器、微驱动器、显微镜、微流控制芯片和倾斜布拉格光纤光栅，所述光源、掺铒光纤放大器、调制器、偏振控制器和倾斜布拉格光纤光栅依次相连，所述微驱动器与倾斜布拉格光纤光栅相连，微驱动器控制倾斜布拉格光纤光栅进行移动，所述光源发射的光通过掺铒光纤放大器放大能量并经过调制器控制光强，然后通过控制偏振光方向的偏振控制器，入射到倾斜布拉格光纤光栅，光经过倾斜布拉格光纤光栅形成光阱，所述微流控制芯片设置在光阱产生处，所述显微镜用于观察微流控制芯片，所述计算机用于控制光源、掺铒光纤放大器、调制器、偏振控制器、微驱动器。

2.如权利要求1所述的基于倾斜光纤光栅光镊的细胞分选仪，其特征在于，所述光源为扫描激光光源或宽带光源。

3.如权利要求1所述的基于倾斜光纤光栅光镊的细胞分选仪，其特征在于，还包括微柱透镜，所述微柱透镜与倾斜布拉格光纤光栅平行放置，由衍射而出的光通过微柱透镜在远端发生汇聚。

4.如权利要求1所述的基于倾斜光纤光栅光镊的细胞分选仪，其特征在于，所述光阱为单光束光阱或/和双光束光阱。

5.如权利要求1所述的基于倾斜光纤光栅光镊的细胞分选仪，其特征在于，还包括光电耦合器，所述光纤耦合器对多个倾斜光纤光栅进行并联或串联。

6.如权利要求1所述的基于倾斜光纤光栅光镊的细胞分选仪，其特征在于，所述倾斜布拉格光纤光栅是45°±5°的大角度倾斜布拉格光纤光栅。

7.如权利要求1所述的基于倾斜光纤光栅光镊的细胞分选仪，其特征在于，所述微流控制芯片具有多路微流通道，利用调制器调节光纤不同分段不同光强来获得不同大小光阱力实现对不同粒径细胞的分选。

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