[发明专利]一种力载荷及位移联合反馈控制的光学镊子系统

说明书

技术领域

本发明涉及光学分析机械领域，是一种力载荷及位移联合反馈控制的光学镊子系统。

背景技术

光学镊子系统可在近似于生理环境下无损地研究细胞及分子的力学特性及相互作用行为，因此在细胞、分子生物学、医学以及生物力学领域正发挥越来越重要的作用。然而随着相关研究的深入，对光镊系统的要求也越来越高。特别是对于细胞和分子的粘弹性、破坏断裂等非线性力学行为以及细胞与纳米颗粒、药物相互作用等过程的研究，需要载荷依照预定的函数随时间发生改变，即力载荷控制。由于样品在测试中会发生蠕变以及位移，而光镊施加的载荷又由样品与光阱中心的相对距离决定，因此对光镊进行力载荷控制往往比较困难。目前，人们对光镊的改进主要集中于光阱本身，如多光阱系统以及利用声光控制器对光阱位置进行调控。这些努力虽然很好地改善了样品操控及位移控制，但依然无法实现光镊的力载荷控制。一般而言，光镊对样品施加力载荷主要通过由聚苯乙烯、玻璃为材料的微球实现。对于小尺寸微球(直径小于1μm)，虽然可通过瑞利近似以及小球中心与光阱中心距离计算出光镊施加载荷大小。但是在溶液环境中小尺寸微球受布朗运动影响较大，信噪比较低，因此力载荷控制实用意义不大。而对于大尺寸微球，由于不符合瑞利近似，无法直接得出光镊施加载荷大小。因此往往无法实现力载荷控制。

综上所述，拓宽光镊设备的测试方法并开发一种可对大尺寸微球实现精确力载荷控制的光镊系统已十分必要。其可更有效且精确地研究细胞和分子的粘弹性、破坏断裂等非线性力学行为，以及细胞吞噬与纳米颗粒、药物相互作用等重要生物过程。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的一个目的是提供一种用于拓宽光镊设备的测试方法的力载荷及位移联合反馈控制的光学镊子系统。

上述目的通过以下技术方案实现：一种力载荷及位移联合反馈控制的光学镊子系统，包括依次设置的激光准直单元、高倍聚焦物镜、位移载物台、光阱、光源、样品后激光信号采集单元以及反馈控制单元，所述位移载物平台上设置有透射孔，所述光阱设置在透射孔上方，所述光源设置在光阱上方，所述高倍聚焦物镜下方设置有用于观察物镜图像的CCD，所述样品后激光信号采集单元用于采集由激光准直单元发出依次经过高倍聚焦物镜、位移载物台及光阱产生的激光光斑，并传输到反馈控制单元，反馈控制单元根据光斑信息控制位移载物平台移动。

进一步地，所述后激光信号采集单元包括第一合光镜、聚光镜以及四象限光电探测仪，所述聚光镜接收透过样品光束，并传向第一合光镜，由第一合光镜反射到四象限光电探测仪上，所述四象限光电探测仪与反馈控制单元连接，输出光斑数据。

进一步地，所述一合光镜和聚光镜设置在光源和光阱之间。

进一步地，所述光源光轴分别与透射孔、聚光镜、高倍聚焦物镜及CCD同轴设置。

进一步地，所述激光准直单元与高倍聚焦物镜之间成一夹角设置，激光准直单元与高倍聚焦物镜之间设置有第二合光镜。

进一步地，所述激光准直单元依次包括激光器、连续滤光片以及两组焦点互相重叠的凸透镜。

进一步地，所述位移载物平台包括纳米位移平台和机械样品台，所述纳米位移平台设置在机械样品台上并与反馈控制单元连接，所述透射孔设置在机械样品台上。

进一步地，所述机械样品台为双层透射结构，两层之间相对移动。

进一步地，所述纳米位移平台为双层透射结构，两层之间相对移动。

进一步地，所述纳米位移平台由压电陶瓷驱动，由电压信号控制，下层与机械载物样品台通过螺丝相连接并固定，其上层可在电压信号控制下由压电陶瓷驱动而与下层发生相对位移。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明所涉及的光镊系统可实时计算光阱对微球施加力载荷并进行闭环控制，从而实现以力载荷控制。因此其拓宽了光镊的测试方法，可更有效且精确地研究细胞和分子的粘弹性、破坏断裂等非线性力学行为。

除了力载荷控制外，本发明还可结合位移控制实现力载荷-位移联合控制。其可用于研究更为复杂的细胞吞噬及与纳米颗粒、药物相互作用等过程。

本发明对光阱施加力载荷的确定基于定标参数对照，不依赖于瑞利近似的计算，因此微球的尺寸对本光镊的控制没有影响。所以本光镊具有比现有技术更好的适用性，更有利于实验的设计与实现。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明反馈控制流程示意图。

具体实施方式