[发明专利]一种基于空间光调制技术的纳秒脉冲激光穿孔系统和方法

说明书

本发明提供一种基于空间光调制技术的纳秒脉冲激光穿孔系统和方法，利用空间光调制器对单脉冲激光的空间光场进行调制；调制后的脉冲激光经过物镜聚焦后在微流控芯片中形成可控的微射流，并利用高速的微射流来实现对细胞的穿孔和外源性物质的导入，这种新型的细胞膜微手术方法具有精准控制导入剂量，提高穿孔效率和成功率的潜力。

技术领域

本发明涉及液体的光致击穿以及细胞光穿孔领域，尤其涉及一种基于空间光调制技术的纳秒脉冲激光穿孔系统和方法。

背景技术

细胞膜微手术对于我们深度解析生命过程以及疾病的发病机制具有很大的科学意义，例如将一些外源性的生物大分子如蛋白质、DNA、RNA及 siRNA等引入到活细胞中可干预蛋白质功能表达甚至在微观领域靶向的杀死或者逆转病变细胞。在这个过程中，如何实现在尽量不影响细胞活性的情况下对细胞进行可恢复性穿孔是一个关键步骤。

将外源物质导入细胞过程中，具有主动导入的能力是提高导入效率、成功率以及剂量可控的关键，同时，实现对细胞的靶向性、高通量的操作亦是非常重要的要求。传统的细胞膜微手术方法包括毛细管微注射、电穿孔、声穿孔以及病毒或者化学运载等。此外，随着激光技术的发展，一种具有非侵入、非接触且能实现靶向性操作的光穿孔方法被应用于细胞膜微手术领域。一方面，可以利用紧聚焦激光实现对单个细胞的靶向性穿孔，另一方面，可借助于一些金属纳米材料对激光的强吸收来实现对细胞群的高通量穿孔。但这两种方法在实现穿孔之后，都是利用外源性物质的被动扩散来进入细胞，因此存在导入剂量不可控，重复性差的缺点。鉴于此，一种利用双脉冲激光器在水中诱导多点击穿所形成的微射流来对单细胞进行靶向性穿孔的方法被提出。微射流高速运动过程会带动周围介质的移动，因此，这种存在主动靶向导入的能量和剂量可控的应用潜力。但是，利用两个脉冲激光器诱导射流形成来实现细胞光穿孔存在造价高，操作复杂等缺点。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于空间光调制技术的纳秒脉冲激光穿孔系统和方法，利用单脉冲诱导的可控射流，在微流控芯片中实现对细胞靶向性及高通量穿孔，且系统简单，操作容易，造价低。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于空间光调制技术的纳秒脉冲激光穿孔系统，包括脉冲激光器、空间光调制器、白光光源、能量测量模块和系统控制存储模块；

脉冲激光器发出的脉冲激光入射在空间光调制器上，经空间光调制器反射的脉冲激光传播方向上依次设置有线偏振片和第一凸透镜；

白光光源发出的连续光传播方向上依次设置有微流控芯片、物镜、二向色镜和高速成像仪；从第一凸透镜透过的脉冲激光经二向色镜反射后进入物镜；

微流控芯片设置有细胞流动通道和试剂流动通道，试剂流动通道中存在击穿腔，击穿腔通过射流口与细胞流动通道相通；经物镜聚焦后的脉冲激光入射在击穿腔内；

能量测量模块用于测量脉冲激光器发出的脉冲激光能量；

系统控制存储模块与脉冲激光器、空间光调制器和高速成像仪电连接；用于控制脉冲激光器、空间光调制器和高速成像仪之间的时序和触发并控制脉冲激光器的脉冲激光能量和空间光调制器的相位全息图载入，接收和存储高速成像仪的图像数据。

优选的，能量测量模块包括分束棱镜和能量计；分束棱镜设置在脉冲激光器的脉冲激光传播方向上，能量计设置在分束棱镜反射的脉冲激光传播方向上，能量计与系统控制存储模块与电连接。

优选的，脉冲激光器的脉冲激光传播方向上依次设置有二分之一波片、凹透镜和第二凸透镜，从第二凸透镜透射的脉冲激光入射在空间光调制器上。

优选的，脉冲激光器的脉冲激光传播方向上设置有第一反射镜，在经第一反射镜反射后的脉冲光传播方向上设置有第二反射镜，空间光调制器置于经第二反射镜反射的脉冲光传播方向上。