CN114813706B - 一种血细胞高光谱光镊捕获能量共振转移分析仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种血细胞高光谱光镊捕获能量共振转移分析仪，包括：载物装置、RET子系统、LCTF子系统、光镊子系统、光谱探测子系统、主控制器，采用RET子系统与LCTF子系统相互配合，通过LCTF受体发射波长图像分析，依据图像像素强度值，判断病理分子以及病理分子所在细胞。
Description
技术领域
本发明涉及单细胞医学分析仪领域，尤其涉及一种基于可调谐液晶滤波器（LCTF）激光光镊捕获，以及可调谐共振能量转移（RET）的血细胞高光谱光镊捕获能量共振转移分析仪。
背景技术
Ⅱ型糖尿病患者的红细胞中血红蛋白与血液中游离的葡萄糖结合形成糖化血红蛋白，其可作为分析Ⅱ型糖尿病患者长期血糖检测的金标准；各类贫血病患者的血红蛋白具有结构异常或红细胞形态异变等特征；白血病包含很多亚类，常规快检方法是对白细胞计数，无法鉴别亚类，白血病亚类需通过白细胞内分子标签的病理指标进行诊断。常规病理检测方法无法对单细胞的分子标签进行快速、准确、微量、无损检测。
对以上血液病的病理指标获取手段需要精细化和快速化结合，微量与无损兼并。实现精细化可依赖单细胞水平的分析技术。单细胞的分析技术主要有微光谱化学分析(如拉曼光谱、共振拉曼、表面增强拉曼、相干拉曼和红外显微光谱等分子振动光谱方法等) 、荧光介导的微分析(如需要荧光染色的、荧光显微镜、荧光寿命成像、 荧光相关光谱等)、质谱和核磁共振等。单细胞分析常需与前处理及细胞抓取捕获技术结合，以便找出异常细胞，并进行精准检测。
现有的一些技术方法样品制备过程比较复杂，且需要较长的分析时间；此外，对于实际病人的细胞检测样本，存在着极大数量的细胞，既包括正常细胞又包括异常细胞，而且异常细胞有的是具有形态学差异的，有的并没有形态学差异，而是内部分子的特性发生了改变。在微光谱和荧光介导分析时，如何与快速高效的正常异常细胞快速甄别及精准单细胞捕获结合起来，是一个相当棘手的难题。
激光光镊结合高光谱技术，既有光镊的非接触、无需标记、无损等优点，又有高光谱成像的图谱合一特性，可提供关于患者、组织样本或不同疾病状况更多光谱范围的精确的空间和光谱信息，既可以反映样本大小、形状、 缺陷等外部品质特征，又可以反映其内部物理结构、化学成分的差异，可快速甄别和捕获异常细胞。
共振能量转移可精确标记并检测特定病理分子，可调谐拉曼技术可以检测其它异常分子特性，综合激光光谱的互补可在提高特定分子的检测精度的同时，实现其他病理分子的全覆盖。
发明内容
本发明为实现对病理血细胞的快速甄别和捕获，以及对单细胞的病理分子标签进行快速、准确、全面检测，提出一种以可调谐液晶滤波器LCTF激光光镊捕获，结合可调谐共振能量转移（RET）激光分子光谱综合分析的血细胞高光谱光镊捕获能量共振转移分析仪。
本发明采用以下技术方案：
一种血细胞高光谱光镊捕获能量共振转移分析仪，包括：载物装置，放置有待测样品；RET子系统，用于发射预设波长激光至待测样品，使得供体蛋白分子与受体蛋白分子发生共振能量转移，使得受体蛋白发射荧光；LCTF子系统，根据受体蛋白发射的荧光形成实像信号；光镊子系统，发射激光聚焦至待测样品的病原分子浓度最大的细胞，并将该细胞捕获；光谱探测子系统，获取该细胞的光谱信号；主控制器，电性连接载物装置、RET子系统、LCTF子系统、光镊子系统、光谱探测子系统，控制载物装置与LCTF子系统配合判断病原分子浓度最大的细胞位置；并通过光谱信号判断病原分子含量。
作为优选，所述RET子系统包括：紫外连续激光器，用于发射单频紫外连续激光；光子晶体光纤，用于展宽紫外连续激光的波长；RET选频器，用于输出展宽后的某一单色光。
作为优选，还包括位于RET子系统与载物装置之间的带孔紫外全反镜。
作为优选，所述LCTF子系统包括：第一共轭物镜，用于对待测样品在无穷远处进行成像；LCTF管透镜，将无穷远处的放大实像拉近至LCTF管透镜一侧并形成一级实像；LCTF镜头，用于将一级实像在LCTF镜头一侧形成二级实像；面阵CCD，电性连接主控制器，用于二级实像的成像并将二级实像传送至主控制器。
作为优选，还包括第二共轭物镜，所述第一共轭物镜与第二共轭物镜对称位于载物装置两侧。
作为优选，还包括控制第一共轭物镜与第二共轭物镜对称移动的对焦装置。
作为优选，所述对焦装置包括：直线导轨；第一移动电机，位于直线导轨一端，连接于第一共轭物镜上；第二移动电机，位于直线导轨另一端，连接于第二共轭物镜上；电机控制器，电性连接第一移动电机和第二移动电机，用于控制第一共轭物镜与第二共轭物镜关于待测样品对称移动。
作为优选，所述第一共轭物镜与LCTF管透镜之间设有电性连接波长控制器的LCTF滤波器，所述波长控制器电性连接主控制器。
作为优选，光镊子系统包括：光镊激光器，用于发射激光；能量调节器，位于光镊激光器一侧，用于调整光镊激光器发射激光的能量；光镊扩束镜，位于光镊激光器另一侧，用于对光镊激光器发出的激光进行扩束。
作为优选，所述光谱探测子系统包括：RET共轭截止片，用于滤除待测样品产生的光散射中RET选频器对应波长的光散射；耦合镜，用于耦合经过RET共轭截止片的剩余光；光纤光谱仪，将经过耦合的剩余光转化为光谱信号并传送至主控制器。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明提出一种血细胞高光谱光镊捕获能量共振转移分析仪，采用了RET子系统与LCTF子系统相互配合，通过LCTF受体发射波长图像分析，依据图像像素强度（即图像灰度）值，判断病理分子以及病理分子所在细胞，采用可调能量光镊进行病理细胞捕获，通过RET子系统中的扫频输出，通过光谱信号中紫外共振拉曼和荧光的同步分析判断病原分子含量，通过上述技术路线，实现对病理血细胞的快速甄别和捕获，以及对单细胞的病理分子标签进行快速、准确、全面检测。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中，载物装置1、RET子系统2、紫外连续激光器21、光子晶体光纤22、RET选频器23、泵浦扩束镜24、LCTF子系统3、第一共轭物镜31、LCTF管透镜32、LCTF镜头33、面阵CCD34、LCTF滤波器35、光镊子系统4、光镊激光器41、能量调节器42、光镊扩束镜43、光谱探测子系统5、RET共轭截止片51、耦合镜52、光纤光谱仪53、主控制器6、带孔紫外全反镜7、第二共轭物镜8、对焦装置9、直线导轨91、第一移动电机92、第二移动电机93、电机控制器94。
具体实施方式
为了便于理解本发明技术方案，以下结合附图与具体实施例进行详细说明。
实施例1
如图1所示，一种血细胞高光谱光镊捕获能量共振转移分析仪，包括：
载物装置1，放置有待测样品，可在水平方向上移动；所述载物装置1为二维电动载物板，二维电动载物板为中空设计，方便沿主光轴的前后向探测；
RET子系统2发射预设波长激光至待测样品，使得供体蛋白分子与受体蛋白分子发生共振能量转移，使得受体蛋白发射荧光；
具体的，所述RET子系统2包括紫外连续激光器21、光子晶体光纤22、RET选频器23、泵浦扩束镜24；其中，所述紫外连续激光器21沿RET光轴发射出的单频紫外连续激光（本实施例为波长213nm），经光子晶体光纤22在紫外段展宽（本实施例为213-400nm），经RET选频器23输出某一单色光（本实施例为213-400nm范围内的某一单色光，RET选频器23选频依据为输出波长与待测样品细胞中的供体荧光蛋白激发波长相等），RET选频器23输出的光经带孔紫外全反镜7反射后，沿主光轴穿过带孔光摄反射镜的中心孔，再穿过第二共轭物镜8聚焦至待测样品，待测样品病理细胞中最主要病原分子在紫外激光的照射下，其供体荧光蛋白受激发射荧光，又因为供体蛋白分子与受体蛋白分子的距离很小，因此满足RET条件，发生共振能量转移，供体发射荧光激发受体荧光蛋白分子，受体受激发射荧光。
带孔紫外全反镜7可反射光子晶体光纤22展宽后的紫外宽谱波长范围的光，透过大于此波长范围的光。
带孔光摄反射镜和带孔紫外全反镜7相互平行且均为倾斜45度设置。
LCTF子系统3根据受体蛋白发射的荧光形成实像信号。
所述LCTF子系统3包括第一共轭物镜31、LCTF管透镜32、LCTF镜头33、面阵CCD34、LCTF滤波器35；
第一共轭物镜31为显微物镜（本实施例为无穷远成像，倍率20，波长从200-800nm的紫外增强，长工作距离显微物镜）。
第一共轭物镜31焦点处的待测样品经第一共轭物镜31后，可形成成像在无穷远处的放大实像，经LCTF管透镜32后，将无穷远处的放大实像拉近至LCTF管透镜32前侧，形成一级实像，一级实像再经LCTF镜头33成像至面阵CCD34前侧形成二级实像信号，面阵CCD34将二级实像信号送至主控制器6。
所述LCTF滤波器35位于LCTF管透镜32、第一共轭物镜31之间，对成像波长进行选择，最终成像波长为LCTF滤波器35的中心波长，该中心波长与待测样品细胞中的受体荧光蛋白发射荧光波长相等。
本实施例中，通过LCTF波长控制器来控制LCTF滤波器35的中心波长。
所述第一共轭物镜31与第二共轭物镜8对称位于载物装置1两侧，并通过对焦装置9控制第一共轭物镜31与第二共轭物镜8对称移动。
其中，所述对焦装置9包括直线导轨91、第一移动电机92、第二移动电机93、电机控制器94；所述第一移动电机92位于直线导轨91一端，连接于第一共轭物镜31上；第二移动电机93位于直线导轨91另一端，连接于第二共轭物镜8上；电机控制器94电性连接第一移动电机92和第二移动电机93，用于控制第一共轭物镜31与第二共轭物镜8关于待测样品对称移动，从而实现第一共轭物镜31与第二共轭物镜8的同时对焦，对焦点的判断依靠LCTF子系统3的二级实像的二维傅立叶变换，当傅立叶变换分析得到的图像高频能量最大时，说明处于对焦点。此外，电机控制器94还用于发送控制指令给载物装置1，使之带动待测样品进行二维精细移动。
光镊子系统4用于发射激光聚焦至待测样品的病原分子浓度最大的细胞，并将该细胞捕获；
所述光镊子系统4包括光镊激光器41、能量调节器42、光镊扩束镜43；光镊激光器41用于发射激光（本实施例为532nm）；能量调节器42位于光镊激光器41一侧，用于调整光镊激光器41发射激光的能量，以达到最优的捕获效果；光镊扩束镜43位于光镊激光器41另一侧，用于对光镊激光器41发出的激光进行扩束，扩束后的激光经带孔光摄反射镜反射，第二共轭物镜8聚焦至待测样品中的病理细胞，并利用光镊效应将其捕获。
光谱探测子系统5，用于获取上述病理细胞的光谱信号；
光谱探测子系统5包括RET共轭截止片51、耦合镜52、光纤光谱仪53；所述RET共轭截止片51用于滤除待测样品产生的光散射中RET选频器23对应波长的光散射；所述耦合镜52用于耦合经过RET共轭截止片51的剩余光；光纤光谱仪53将经过耦合的剩余光转化为光谱信号并传送至主控制器6，待测样品产生的后向散射沿主光轴透过第二共轭物镜8，穿过带孔光摄反射镜和带孔紫外全反镜7的中心孔后，再经RET共轭截止片51滤除RET选频器23对应波长后，经耦合镜52耦合进入光纤光谱仪53转化为光谱信号，所述光谱信号传送至主控制器6进行分析。
主控制器6电性连接载物装置1、RET子系统2、LCTF子系统3、光镊子系统4、光谱探测子系统5、对焦装置9，用于控制LCTF波长控制器、紫外连续激光器21、能量调节器42以及电机控制器94的启动和停止，调节RET选频器23的输出波长以及与之相等的RET共轭截止片51的截止波长，用于接收面阵CCD34输出的二维实像数据以及光纤光谱仪53输出的光谱数据，并通过分析光谱的紫外共振拉曼和荧光信号判断病原分子含量。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围以权利要求所限定的范围为准，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内作出的若干改进和润饰，也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种血细胞高光谱光镊捕获能量共振转移分析仪，其特征在于，包括：
载物装置（1），放置有待测样品；
RET子系统（2），用于发射预设波长激光至待测样品，使得供体蛋白分子与受体蛋白分子发生共振能量转移，使得受体蛋白发射荧光；
LCTF子系统（3），根据受体蛋白发射的荧光形成实像信号；
光镊子系统（4），发射激光聚焦至待测样品的病原分子浓度最大的细胞，并将该细胞捕获；
光谱探测子系统（5），获取该细胞的光谱信号；
主控制器（6），电性连接载物装置（1）、RET子系统（2）、LCTF子系统（3）、光镊子系统（4）、光谱探测子系统（5），控制载物装置（1）与LCTF子系统（3）配合判断病原分子浓度最大的细胞位置，并通过光谱信号判断病原分子含量；
其中，所述RET子系统（2）包括：
紫外连续激光器（21），用于发射单频紫外连续激光；
光子晶体光纤（22），用于展宽紫外连续激光的波长；
RET选频器（23），用于输出展宽后的某一单色光，该单色光输出波长与待测样品细胞中的供体荧光蛋白激发波长相等；
所述LCTF子系统（3）包括：
第一共轭物镜（31），用于对待测样品在无穷远处进行成像；
LCTF管透镜（32），将无穷远处的放大实像拉近至LCTF管透镜（32）一侧并形成一级实像；
LCTF镜头（33），用于将一级实像在LCTF镜头（33）一侧形成二级实像；
面阵CCD（34），电性连接主控制器（6），用于二级实像的成像并将二级实像传送至主控制器（6）；
LCTF滤波器（35），位于LCTF管透镜（32）、第一共轭物镜（31）之间，对成像波长进行选择，最终成像波长为LCTF滤波器（35）的中心波长，该中心波长与待测样品细胞中的受体荧光蛋白发射荧光波长相等；
所述光谱探测子系统（5）包括：
RET共轭截止片（51），用于滤除待测样品产生的光散射中RET选频器（23）对应波长的光散射；
耦合镜（52），用于耦合经过RET共轭截止片（51）的剩余光；
光纤光谱仪（53），将经过耦合的剩余光转化为光谱信号并传送至主控制器（6）。
2.根据权利要求1所述的一种血细胞高光谱光镊捕获能量共振转移分析仪，其特征在于，还包括位于RET子系统（2）与载物装置（1）之间的带孔紫外全反镜（7）。
3.根据权利要求1所述的一种血细胞高光谱光镊捕获能量共振转移分析仪，其特征在于，还包括第二共轭物镜（8），所述第一共轭物镜（31）与第二共轭物镜（8）对称位于载物装置（1）两侧。
4.根据权利要求3所述的一种血细胞高光谱光镊捕获能量共振转移分析仪，其特征在于，还包括控制第一共轭物镜（31）与第二共轭物镜（8）对称移动的对焦装置（9）。
5.根据权利要求4所述的一种血细胞高光谱光镊捕获能量共振转移分析仪，其特征在于，所述对焦装置（9）包括：
直线导轨（91）；
第一移动电机（92），位于直线导轨（91）一端，连接于第一共轭物镜（31）上；
第二移动电机（93），位于直线导轨（91）另一端，连接于第二共轭物镜（8）上；
电机控制器（94），电性连接第一移动电机（92）和第二移动电机（93），用于控制第一共轭物镜（31）与第二共轭物镜（8）关于待测样品对称移动。
6.根据权利要求1所述的一种血细胞高光谱光镊捕获能量共振转移分析仪，其特征在于，所述LCTF滤波器（35）电性连接波长控制器，通过波长控制器来控制LCTF滤波器（35）的中心波长，所述波长控制器电性连接主控制器（6）。
7.根据权利要求1所述的一种血细胞高光谱光镊捕获能量共振转移分析仪，其特征在于，光镊子系统（4）包括：
光镊激光器（41），用于发射激光；
能量调节器（42），位于光镊激光器（41）一侧，用于调整光镊激光器（41）发射激光的能量；
光镊扩束镜（43），位于光镊激光器（41）另一侧，用于对光镊激光器（41）发出的激光进行扩束。
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