專利名稱：活體動物體內的細胞的捕獲、操控方法及相應的裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于光學微操控技術領域，具體涉及一種活體動物體內細胞捕獲與操控方法及相應的裝置。
背景技術：
由于動物體內環境的復雜性，在體外或培養環境下的動物學研究不一定能夠準確反映在體內的動物學活動，因此活體動物體內檢驗是生物學研究的最終驗證。在活體動物體內研究腫瘤細胞的生長及轉移、細胞及蛋白質間相互作用等生物學過程，對生命科學、醫學研究及藥物研發等領域具有重要意義。隨著活體動物體內成像技術如核磁共振、光聲成像、熒光、生物發光成像等技術的 出現于發展，研究活體動物體內的生命活動成為現實。如果能夠主動操控將細胞移動至目標位置，必將極大的推動動物體內生物學活動的研究。目前能夠捕獲并操控細胞及蛋白質尺寸微粒的工具有幾種原子力顯微鏡、微吸允技術、磁懾。原子力顯微鏡和微吸允技術屬于機械式操控，磁鑷只能操控磁性微球，不能操控生物細胞。因此，這三種技術都不適合于操控活體動物內的細胞。另一種捕獲并操控細及及蛋白質尺寸微粒的工具是光鑷，光鑷是激光經過高數值孔徑物鏡會聚后形成，因此光鑷能夠非機械接觸地穿透動物組織，深入到動物活體內對細胞在三維實現穩定的、非接觸性的捕獲和操控。

發明內容
(一 )要解決的技術問題現有的對活體動物內細胞的捕獲和操控都采用機械接觸方式，必須對活體動物進行解剖手術，存在損傷活體動物的不足。本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的上述不足，提出一種不損傷活體動物的細胞的捕獲與操控方法，以及相應的裝置。( 二 )技術方案為解決上述技術問題，本發明提出一種捕獲活體動物體內的細胞的方法，該方法包括如下步驟使一束激光形成光鑷，所述光鑷是指能夠與微粒發生動量交換的光場；將一活體動物中需要進行細胞捕獲的部分放置在形成所述光鑷的位置；將一照明光束對準光鑷和所述活體動物的需要進行細胞捕獲的部分；調整所述光鑷與所述活體動物的相對位置，使該光鑷捕獲所述活體動物的體內細胞。本發明還提出一種操控活體動物體內的細胞的方法，其通過上述的捕獲活體動物體內的細胞的方法捕獲所述活體動物體內的細胞；并且，在捕獲所述活體動物體內的細胞之后，使所述活體動物體與所述光鑷發生位移，以使所述細胞相對于其周圍介質發生相對位移。根據本發明的一種實施方式，通過一個光學顯微鏡裝置使所述激光形成光鑷。
根據本發明的一種實施方式，所述光學顯微鏡裝置為無窮遠顯微鏡。根據本發明的一種實施方式，，所述無窮遠顯微鏡包括激光聚焦系統、置物平臺和照明系統，所述激光聚焦系統用于將所述激光會聚成一個激光光斑，以在該激光光斑處形成所述光鑷，所述置物平臺用于放置所述活體動物，所述照明系統用于照射所述的光鑷的位置，以便操作者的觀察和圖像的采集。本發明還提出一種用于捕獲 和操控活體動物體內的細胞的裝置，其包括一個激光聚焦系統，其用于將一束激光會聚成一個激光光斑，以在該激光光斑處形成所述光鑷；一個置物平臺，其用于放置所述活體動物；一個照明系統，其用于照射所述光鑷的位置。根據本發明的一種實施方式，所述激光聚焦系統包括激光器、阱位透鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、二色鏡、鏡筒透鏡和顯微物鏡，所述激光器發射平行光束，由所述阱位透鏡進行會聚后經過第一反射鏡和第二反射鏡，再由二色鏡反射后進行鏡筒透鏡，從鏡筒透鏡該所述激光束變為平行光后進入所述顯微物鏡，所述顯微物鏡將其聚焦成所述激光光斑。根據本發明的一種實施方式，所述置物平臺為壓電平臺。根據本發明的一種實施方式，所述照明系統包括照明光源，所述照明光源發射的光透射光所述活體動物，并依次經由所述顯微物鏡、鏡筒透鏡和二色鏡后出射。根據本發明的一種實施方式，該裝置還包括成像裝置，其用于記錄由照明系統發射的光。根據本發明的一種實施方式，該裝置還包括一個圖像傳感器，其用于記錄由所述二色鏡出射的光。(三)有益效果本發明提出的活體動物體內細胞捕獲與操控方法采用了光鑷技術，能夠非接觸式的捕獲和操控動物體內的細胞，無需破壞動物表面的皮層，且不會對細胞造成機械損傷。并且，本發明的方法能夠運用到任何動物活體內的微循環管中粒子或活體細胞內部細胞器的動態研究。如血液微循環研究中抗癌藥物的藥效或療效的影響，藥物的靶向效果，微循環中的定點藥物靶向研究等。活體內細胞相互作用的直接測量技術能為臨床醫學提供客觀有效的科學數據。


圖I是本發明的方法所采用的光鑷的原理圖；圖2是本發明的活體動物體內細胞捕獲與操控裝置的一個實施例的結構示意圖；圖3是根據本發明來捕獲和操控活體動物細胞的照片示意圖。
具體實施例方式本發明采用光鑷技術對動物體內的細胞進行捕獲與操控。所謂光鑷是指一個特別的捕獲微小粒子的光場。這個光場與微粒相互作用時，微粒整個受到光的作用從而達到被“鉗”住的效果，然后可以通過移動光束來實現移動微粒。在本發明中，“捕獲”指的是應用光鑷將微粒無機械接觸的“鉗”在激光聚焦中心，“操控”指的是應用光鑷無機械接觸的移動被捕獲的微粒。光攜帶有能量和動量，與物質間可以交換動量，使受光照射的物體受到一個力或力矩，產生光的力學效應。光鑷是一種以激光的力學效應為基礎的工具，原理是利用強會聚激光與微粒相互作用所形成的三維勢阱來捕獲粒子，可以吸引微粒并把它局限在激光焦點附近的勢阱中。圖I顯示了光鑷及其捕獲微粒的原理。如圖I所示，一束激光束經過一個高數值孔徑的物鏡聚焦于焦點，當一個微粒處于激光焦點附近時，入射光由于發生反射和折射導致其動量發生改變，而動量的改變量傳遞給微粒。以圖I中光線I為例，光線I從物鏡出射后，在微粒表面折射進入微粒，最后經過在微粒的另一面折射出微粒，由動量守恒定理，在激光傳輸過程中光線I的動量傳遞一部分給微粒使得微粒受力1，受力I指向激光聚焦點。同理，光線2也使微粒受力2，受力方向同樣指向激光聚焦點。因此，光束I和光束2作用于微粒的效果是將對微粒施加一個指向激光聚焦中心的力，使微粒向激光聚集中心運動，直至穩定于激光聚集中心。整束激光的整體效果使得粒子會受到一個光阱力，將微粒束縛在激光焦點。本發明利用光鑷來實現活體動物體內微粒捕獲的基本方案如下以光學顯微鏡為基礎進行光鑷設計。將活體動物樣品放置顯微鏡樣品臺，應用光學顯微鏡成像光路對樣品 進行成像觀察。激光經過光學器件耦合后，進入顯微鏡，經高數值孔徑物鏡會聚后進入樣品，形成光鑷。應用光鑷捕獲和操控微粒的特性，在活體動物內捕獲和操控細胞等微粒的移動。為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。I、光鑷裝置本發明以光學顯微鏡為基礎進行光鑷設計。將活體動物放置在顯微鏡樣品臺，應用光學顯微鏡成像光路對樣品進行成像觀察。激光器經過光學元件耦合后進入顯微鏡，由高數值孔徑物鏡會聚焦于活體動物內，形成光鑷。下面具體描述實現本發明的裝置。本發明采用無窮遠顯微鏡來實現光鑷，具體來說，顯微鏡包括激光聚焦系統、置物平臺和照明系統，激光聚焦系統用于將一束激光會聚在一個激光光斑，以在該激光光斑處形成光鑷；置物平臺用于放置活體動物樣品；照明系統用于照射光鑷位置，以便操作者的觀察和圖像的采集。對于該顯微鏡裝置，將平行傳輸的激光光束經過光束稱合后進入顯微鏡。圖2是本發明的活體動物體內細胞捕獲與操控裝置的一個實施例的結構示意圖。如圖2所示，該實施例的裝置包括激光器I、阱位透鏡2、第一反射鏡3、第二反射鏡4、二色鏡5、圖像傳感器6、鏡筒透鏡7、顯微物鏡8、壓電平臺9和照明光源10。如圖2所示，激光進入顯微鏡物鏡8前為平行光，該平行激光充滿物鏡8的后瞳，激光經過物鏡8后進入樣品形成光懾。激光器I發出的光束擴束成直徑為6mm的近平行傳播光束，由阱位透鏡2(f =180mm)進行會聚，又經過第一反射鏡3和第二反射鏡4后，由45度放置的二色鏡5反射后通過鏡筒透鏡7 (f = 180mm)后變成平行光后進入顯微物鏡8，經過聚焦成微米量級的激光光斑，該激光與細胞發生動量改變，形成光鑷。所述照明光源發射的光透射光所述活體動物，并依次經由所述顯微物鏡8、鏡筒透鏡7和二色鏡5后出射。照明光源10由顯微物鏡8收集，出射后的照明光最后由圖像傳感器6記錄，實現對光鑷捕獲和操控活體細胞過程的觀察和記錄。2、光鑷捕獲活體動物內細胞在活體動物內，將聚焦后的激光定位于細胞流過的位置。由于光鑷的陷阱效應，細胞流動的速度逐漸減緩，當細胞速度足夠慢時，細胞就停留在光阱中，光鑷實現對活體動物內細胞的捕獲。3、光鑷操控活體動物內細胞光鑷操控動物體內細胞的運動則通過壓電平臺9移動物體來實現。本專利采用被動操控的方法操控動物活體內的細胞，讓其在體內進行移動。其實施過程如下使捕獲激光不動，移動樣品臺9實現樣品的運動。在移動過程中，由于光阱的束縛效果，細胞一直處于光阱中心，因此被捕獲的細胞與周圍介質做相對運動，直至光鑷將細胞移動至目標位置為 止。在該實施例中，激光器I的波長為1064nm，功率為5W。激光器I、阱位透鏡2、反射鏡3、反射鏡4通過光學調節架固定于普通光學平臺上。顯微物鏡8、鏡筒透鏡7、二色鏡5、照明光源10均為一個顯微鏡的內部組件，該顯微鏡也放置于所述光學平臺上。壓電平臺9通過機械連接固定于顯微鏡樣品臺位置。圖像傳感器連接于所述顯微鏡的成像通道，在該實施例中，圖像傳感器為CCD相機。4、實驗驗證以下描述根據本發明的裝置進行實驗的過程。所用的實驗動物為小白鼠，對小白鼠使用濃度20%的烏拉坦麻醉。在小白鼠進入深度麻醉狀態后，使用刀片對其皮膚表層的毛進行去除，之后將表皮黏在厚度為O. 17mm的蓋玻片上，使用顯微鏡的顯微物鏡8進行觀察，使用圖像傳感器6進行成像記錄。激光進入小白鼠體內后形成光鑷，將激光會聚于細胞流過的位置，等微粒經過光阱附近時，光鑷會捕獲該微粒。微粒被捕獲后，CCD拍攝下的圖片效果如圖3所示。圖3中的“ + ”表示光阱，光阱中心的微粒為光鑷捕獲的細胞。本發明能夠運用到任何動物活體內的微循環管中粒子或活體細胞內部細胞器的動態研究。如血液微循環研究中抗癌藥物的藥效或療效的影響，藥物的靶向效果，微循環中的定點藥物靶向研究等。活體內細胞相互作用的直接測量技術為臨床醫學提供客觀有效的科學數據。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種捕獲活體動物體內的細胞的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟 使一束激光形成光鑷，所述光鑷是指能夠與微粒發生動量交換的光場； 將一活體動物中需要進行細胞捕獲的部分放置在形成所述光鑷的位置； 將一照明光束對準光鑷和所述活體動物的需要進行細胞捕獲的部分； 調整所述光鑷與所述活體動物的相對位置，使該光鑷捕獲所述活體動物的體內細胞。
2.如權利要求I所述的捕獲活體動物體內的細胞的方法，其特征在于，通過一個光學顯微鏡裝置使所述激光形成光鑷。
3.如權利要求2所述的捕獲活體動物體內的細胞的方法，其特征在于，所述光學顯微鏡裝置為無窮遠顯微鏡。
4.如權利要求3所述的捕獲活體動物體內的細胞的方法，其特征在于，所述無窮遠顯微鏡包括激光聚焦系統、置物平臺和照明系統，所述激光聚焦系統用于將所述激光會聚成一個激光光斑，以在該激光光斑處形成所述光鑷，所述置物平臺用于放置所述活體動物，所述照明系統用于照射所述的光鑷的位置，以便操作者的觀察和圖像的采集。
5.一種操控活體動物體內的細胞的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟 通過如權利要求I所述的捕獲活體動物體內的細胞的方法捕獲所述活體動物體內的細胞； 在捕獲所述活體動物體內的細胞之后，使所述活體動物體與所述光鑷發生位移，以使所述細胞相對于其周圍介質發生相對位移。
6.如權利要求5所述的操控活體動物體內的細胞的方法，其特征在于，通過一個光學顯微鏡裝置使所述激光形成光鑷。
7.如權利要求6所述的操控活體動物體內的細胞的方法，其特征在于，所述光學顯微鏡裝置為無窮遠顯微鏡。
8.如權利要求7所述的操控活體動物體內的細胞的方法，其特征在于，所述無窮遠顯微鏡包括激光聚焦系統、置物平臺和照明系統，所述激光聚焦系統用于將所述激光會聚成一個激光光斑，以在該激光光斑處形成所述光鑷，所述置物平臺用于放置所述活體動物，所述照明系統用于照射所述的光鑷的位置，以便操作者的觀察和圖像的采集。
9.一種用于捕獲和操控活體動物體內的細胞的裝置，其特征在于，該裝置包括 一個激光聚焦系統，其用于將一束激光會聚成一個激光光斑，以在該激光光斑處形成所述光鑷； 一個置物平臺，其用于放置所述活體動物； 一個照明系統，其用于照射所述光鑷的位置。
10.如權利要求9所述的捕獲和操控活體動物體內的細胞的裝置，其特征在于，所述激光聚焦系統包括激光器、講位透鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、二色鏡、鏡筒透鏡和顯微物鏡， 所述激光器發射平行光束，由所述阱位透鏡進行會聚后經過第一反射鏡和第二反射鏡，再由二色鏡反射后進行鏡筒透鏡，從鏡筒透鏡該所述激光束變為平行光后進入所述顯微物鏡，所述顯微物鏡將其聚焦成所述激光光斑。
11.如權利要求10所述的捕獲和操控活體動物體內的細胞的裝置，其特征在于，所述置物平臺為壓電平臺。
12.如權利要求10所述的捕獲和操控活體動物體內的細胞的裝置，其特征在于，所述照明系統包括照明光源，所述照明光源發射的光透射光所述活體動物，并依次經由所述顯微物鏡、鏡筒透鏡和二色鏡后出射。
13.如權利要求9所述的捕獲和操控活體動物體內的細胞的裝置，其特征在于，該裝置還包括成像裝置，其用于記錄由照明系統發射的光。
14.如權利要求12所述的捕獲和操控活體動物體內的細胞的裝置，其特征在于，該裝置還包括一個圖像傳感器，其用于記錄由所述二色鏡出射的光。
全文摘要
本發明公開了一種捕獲活體動物體內的細胞的方法，該方法包括如下步驟使一束激光形成光鑷，所述光鑷是指能夠與微粒發生動量交換的光場；將一活體動物中需要進行細胞捕獲的部分放置在形成所述光鑷的位置；將一照明光束對準光鑷和所述活體動物的需要進行細胞捕獲的部分；調整所述光鑷與所述活體動物的相對位置，使該光鑷捕獲所述活體動物的體內細胞。本發明能夠非接觸式的捕獲和操控動活體物體內的細胞，無需破壞動物表面的皮層，且不會對細胞造成機械損傷。
文檔編號A61B17/00GK102860845SQ201210315240
公開日2013年1月9日 申請日期2012年8月30日 優先權日2012年8月30日
發明者鐘敏成, 李銀妹, 周金華, 王自強 申請人:中國科學技術大學