CN107329249B - 一种单细胞给药与spr检测实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单细胞给药与SPR检测实验装置，包括超连续谱光源、单模光纤I、重火石玻璃SPR基片、强光阱力光纤光镊I、多模光纤I和光谱仪；超连续谱光源发出的光注入单模光纤I，单模光纤I的出射光经加装于单模光纤I尾端的尾纤准直镜准直后入射至重火石玻璃SPR基片表面，在重火石玻璃SPR基片表面全反射发生SPR效应产生SPR反射光斑，多模光纤I收集反射后的SPR信号光后送入光谱仪；强光阱力光纤光镊I控制单细胞置于SPR反射光斑上，用于单细胞SPR检测。本发明可以实时、无损伤的测量与分析单细胞的折射率变化，从而进行细胞的生存与病变状态研究，在精准医疗科研实验领域具有广阔的应用前景。

Description

一种单细胞给药与SPR检测实验装置

技术领域

本发明属于精准医疗科研实验器材领域，具体涉及一种单细胞给药与SPR检测实验装置。

背景技术

光镊是一个由光学梯度力形成的光学势阱，如同一把无形的镊子可以捕获微小的粒子。它是激光发明以来，继激光刀（激光微束）之后在生命科学中得到重要应用的又一新的物理手段。细胞是生命结构和功能的基本单位，光镊用于微米范围内操纵微粒的特点正好符合细胞、亚细胞层次的研究。在20世纪末各种新技术争奇斗艳的角逐中，光镊以它能动态地研究活细胞的独特的功能，显示出耀人眼目的灿烂光芒。与基于显微镜的常规光镊***相比，基于单光纤的微探头式光镊***结构简单、紧凑，捕陷范围大，操纵灵活，便于调整，可以适应更多的生物细胞和生物分子的光微操作需求，扩大了激光微操纵技术在生命科学中的应用范围，具有广泛的应用前景。

随着人类基因组计划的完成，个人基因组、肿瘤基因组、环境基因组学、基因测序技术的发展，以及生物及医学向着数据密集型科学的逐步转化，“精准医疗”作为生物和医学领域的一个全新概念应运而生，为临床病症更为准确、有效的诊断、治疗提供积极的指导作用。精准医疗的实施能够推动医学科技与大数据和信息科学的进一步交叉融合，从而使医疗模式从粗放型向精准型转变。因此，国内外各国政府和企业已经开始了“精准医疗”背景下的战略与科学研究部署。以恶性肿瘤为例，目前的诊断主要依赖影像学检查、病理学检查及肿瘤标志物等，随着精准医疗时代的到来，单细胞控制与检测技术应运而生，已成为肿瘤学界的研究热点，使人类对恶性肿瘤的检测达到单细胞水平。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种单细胞给药与SPR检测实验装置，对单细胞进行捕获、给药与SPR检测等精准医疗。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，一种单细胞给药与SPR检测实验装置，包括超连续谱光源1、单模光纤I2、重火石玻璃SPR基片4、强光阱力光纤光镊I6、多模光纤I7和光谱仪8；所述单模光纤I、重火石玻璃SPR基片、多模光纤I组成单细胞SPR折射率检测部分，超连续谱光源1发出的光注入单模光纤I2，单模光纤I2的出射光经加装于单模光纤I尾端的尾纤准直镜2-1准直后入射至重火石玻璃SPR基片表面，在重火石玻璃SPR基片表面全反射发生SPR效应产生SPR反射光斑，多模光纤I收集反射后的SPR信号光后送入光谱仪；强光阱力光纤光镊I控制单细胞置于SPR反射光斑上，用于单细胞SPR检测；

所述强光阱力光纤光镊I6包括单模光纤II6-1、多模光纤II6-2和设置于多模光纤II端面的圆锥台结构（6-3），单模光纤II6-1给多模光纤II6-2斜入射注光，多模光纤II中光线以斜光线的形式螺旋向前传输，并在多模光纤II纤芯端面构成环形光场，多模光纤II纤芯中的环形光场在光纤端面圆锥台结构全反射汇聚，汇聚焦点区域6-4产生强光阱力。

进一步，所述强光阱力光纤光镊I通过以下方法获得：截取一段长为2m、外包层直径为125μm，纤芯直径105μm的阶跃折射率多模光纤，在其两端利用米勒钳去除涂覆层2cm，用无纺布蘸取酒精擦拭干净，并使用光纤切割刀将其端面切割平整，利用光纤端面研磨技术将多模光纤一端研磨成37.5°倾角的圆锥台，研磨深度为34.5μm；将980nm激光器激光注入单模光纤，单模光纤斜入射至多模光纤注光，斜入射的方法消除纤芯中的子午光线，构造完全由斜光线构成的环形光场，多模光纤中传输的斜光线组成的环形光场在研磨圆锥台结构反射汇聚后，产生光强梯度场，构造成强光阱力光纤光镊，可以捕获单细胞，亦可捕获飞升级微液滴。

进一步，所述单细胞SPR折射率检测部分通过以下方法获得：

截取长2m单模光纤，利用米勒钳剥除光纤两端涂覆层各2cm，用酒精将光纤包层清洗干净，用光纤切割刀将两端面切割平整，尾端加装尾纤准直镜2-1后，作为注光光纤架装在三维微位移调整架I3上；

截取长2m、芯径200μm、包层直径230μm的传能阶跃折射率多模光纤，利用米勒钳剥除多模光纤两端涂覆层各2cm，用酒精将光纤包层清洗干净，用光纤切割刀将两端面切割平整，首端加装准直耦合镜7-1后，作为收光光纤架装在三维微位移调整架II10上；选取长75mm、宽25mm、厚度1mm的重火石ZF4基片，在其上表面上镀制50nm厚的SPR传感金膜，在重火石ZF4基片表面形成SPR传感区；用三维微位移调整架I调整注光单模光纤I角度，使入射光与重火石ZF4基片成17°夹角，收光多模光纤经三维微位移调整架II调节位置与角度，能够接收反射光，收光光纤另一端经裸纤适配器连入光谱仪；宽谱光注入单模光纤I后，由单模光纤I斜入射至重火石ZF4基片，在重火石ZF4基片表面发生全反射，产生倏逝波4-2，倏逝波中某波长光与传感金膜4-1中自由电子振动共振，发生SPR效应。

进一步，所述单模光纤I为532nm、633nm、980nm或者1310/1550nm单模光纤。

进一步，该检测实验装置还包括强光阱力光纤光镊II11，用于控制飞升级油性药物靠近，用作单细胞微量给药。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明提出了一种单细胞给药与SPR检测实验装置，首次在多模光纤纤芯中利用斜入射的方法消除纤芯中的子午光线，构造完全由斜光线构成的环形光场，采用裸光纤研磨技术在多模光纤端面加工圆锥台结构后，将多模光纤中传输的斜光线组成的环形光场汇聚后，产生光强梯度场，构造成强光阱力单光纤光镊，可以捕获单细胞，亦可捕获飞升级微液滴；当构造两个此光镊，一个光镊捕获单细胞，另一个光镊控制飞升级油性药物靠近，可以用作单细胞微量给药。采用单模光纤注光，多模光纤收光，重火石玻璃基片表面镀50nm厚的SPR传感膜，使全反射光斑尺寸小于20μm，即在20μm区域内发生SPR现象，用于单细胞SPR检测。加上本装置包括的超连续谱光源、单模光纤、三维微位移调整架、载物台、强光谱仪、电子显微镜等，使细胞控制与高灵敏的SPR检测达到单细胞水平。本发明可以实时、无损伤的测量与分析单细胞的折射率变化，从而进行细胞的生存与病变状态研究，在精准医疗科研实验领域具有广阔的应用前景。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明的整体结构组成示意图；

图2为本发明强光阱力单光纤光镊捕获光场形成光路示意图；

图3为本发明单细胞SPR折射率检测原理示意图；

图4为图2为斜光线在光纤中传输示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

一种单细胞给药与SPR检测实验装置，包括超连续谱光源1、单模光纤I2、重火石玻璃SPR基片4、强光阱力光纤光镊I6、多模光纤I7和光谱仪8；超连续谱光源1发出的光注入单模光纤I2，单模光纤I2的出射光经加装于单模光纤I尾端的尾纤准直镜2-1准直后入射至重火石玻璃SPR基片表面，在重火石玻璃SPR基片表面全反射发生SPR效应产生SPR反射光斑，多模光纤I收集反射后的SPR信号光后送入光谱仪；强光阱力光纤光镊I控制单细胞置于SPR反射光斑上，用于单细胞SPR检测。

在本实施例中，所述强光阱力光纤光镊I6包括单模光纤II6-1、多模光纤II6-2和设置于多模光纤II端面的圆锥台结构6-3，单模光纤II6-1给多模光纤II6-2斜入射注光，多模光纤II中光线以斜光线的形式螺旋向前传输，并在多模光纤II纤芯端面构成环形光场，多模光纤II纤芯中的环形光场在光纤端面圆锥台结构全反射汇聚，汇聚焦点区域6-4产生强光阱力。

优选的，在本实施例中，超连续谱光源发出的光注入单模光纤I中，单模光纤I的出射光经加装于单模光纤I尾端的尾纤准直镜2-1准直，准直后的出射光斑直径小于10μm，入射至重火石玻璃SPR基片4上的光斑尺寸小于20μm。

优选的，在本实施例中，经尾纤准直镜准直后的光入射至重火石玻璃SPR基片表面，在重火石玻璃SPR基片表面全反射发生SPR效应产生SPR反射光斑，该SPR反射光斑尺寸小于50μm。

优选的，在本实施例中，所述的超连续谱光源为NKT Photonics的Superk Compact型号，波长范围450-2400nm，总功率大于100mW，0-100%可调，单模光纤输出接口。

优选的，在本实施例中，所述的单模光纤I为532nm、633nm、980nm或者1310/1550nm单模光纤。

优选的，在本实施例中，所述的重火石玻璃SPR基片4材料为ZF4，折射率为1.728，表面镀有50nm厚度的SPR传感膜4-1；宽谱光在基片表面发生全反射，产生倏逝波4-2，倏逝波中某波长光与金膜中自由电子振动共振，发生SPR效应。

优选的，在本实施例中，所述的多模光纤I为芯径220μm的传能光纤，端头有准直耦合镜7-1，用于把反射后的SPR信号光有效收集进光纤的纤芯中。

在本实施例中，该装置还包括用于调节单模光纤I的三维微位移调整架I和用于调节多模光纤I的三维微位移调整架II。

所述的检测实验装置还包括强光阱力光纤光镊II11，用于控制飞升级油性药物靠近，用作单细胞微量给药。

下面对单细胞精准检测实验装置组成部件的制作做进一步说明。

1、强光阱力光纤光镊：如图2所示，截取一段长为2m、外包层直径为125μm，纤芯直径105μm的阶跃折射率多模光纤，在其两端利用米勒钳去除涂覆层2cm，用无纺布蘸取酒精擦拭干净，并使用光纤切割刀将其端面切割平整，利用光纤端面研磨技术将光纤一端研磨成37.5°倾角的圆锥台，研磨深度为34.5μm；将980nm激光器激光注入单模光纤，单模光纤斜入射至多模光纤注光，斜入射的方法消除纤芯中的子午光线，构造完全由斜光线构成的环形光场，多模光纤中传输的斜光线组成的环形光场在研磨圆锥台结构反射汇聚后，产生光强梯度场，构造成强光阱力单光纤光镊，可以捕获单细胞，亦可捕获飞升级微液滴；构造两个此光镊，一个光镊捕获单细胞，另一个光镊控制飞升级油性药物靠近，可以用作单细胞微量给药。

2、单细胞SPR折射率检测部分：截取长2m单模光纤，利用米勒钳剥除光纤两端涂覆层各2cm，用酒精将光纤包层清洗干净，用光纤切割刀将两端面切割平整，尾端加装尾纤准直镜2-1后，作为注光光纤架装在三维微位移调整架上；截取长2m、芯径200μm、包层直径230μm的传能阶跃折射率多模光纤，利用米勒钳剥除光纤两端涂覆层各2cm，用酒精将光纤包层清洗干净，用光纤切割刀将两端面切割平整，首端加装准直耦合镜7-1后，作为收光光纤架装在三维微位移调整架上；选取具有高折射率的重火石ZF4基片，长75mm，宽25mm，厚度1mm，在其上表面上镀制50nm厚的SPR传感膜（放入直流二次等离子溅射仪样品台，装载金靶后，在1×10-1mbar稳定真空度下，加载10mA溅射电流对加工好的环形芯光纤圆锥台端面镀膜，膜厚仪显示46nm时，关闭加载电流，样品室内剩余等离子体溅射将基片表面金膜镀制至50nm），在重火石ZF4基片表面形成SPR传感区；用精密三维微位移调节架调整注光单模光纤角度，使入射光与重火石ZF4基片成17°夹角，收光多模光纤经三维微位移调节架调节位置与角度，能够接收反射光，收光光纤另一端经裸纤适配器连入光谱仪。如图3所示，宽谱光注入单模光纤后，由单模光纤斜入射至基片，在基片表面发生全反射，产生倏逝波4-2，倏逝波中某波长光与SPR传感膜（金膜）中自由电子振动共振，发生SPR效应。

3、实验装置整体：如图1所示，一种单细胞给药与SPR检测实验装置，包括超连续谱光源1、单模光纤I2、三维微位移调整架I、三维微位移调整架II、重火石玻璃SPR基片4、载物台5、强光阱力光纤光镊I6、多模光纤7、光谱仪8、电子显微镜9；单模光纤给多模光纤斜入射注光，多模光纤中光线以斜光线的形式螺旋向前传输并构成环形光场，环形光在光纤端面圆锥台结构全反射汇聚，产生强光阱力，可捕获飞升级微液滴及单细胞，用于单细胞给药；超连续谱光源发出的光注入单模光纤，出射光斑准直后直径小于10μm，在重火石玻璃SPR基片表面全反射发生SPR效应，多模光纤收集反射信号光后送入光谱仪；强光阱力光纤光镊与SPR反射光斑尺寸都小于50μm，强光阱力光纤光镊控制单细胞置于SPR反射光斑上，用于单细胞SPR检测。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种单细胞给药与SPR检测实验装置，其特征在于：包括超连续谱光源（1）、单模光纤I（2）、重火石玻璃SPR基片（4）、强光阱力光纤光镊I（6）、强光阱力光纤光镊II（11）、多模光纤I（7）和光谱仪（8）；所述单模光纤I、重火石玻璃SPR基片、多模光纤I组成单细胞SPR折射率检测部分；

该单细胞SPR折射率检测部分中，单模光纤I（2）的尾端加装尾纤准直镜（2-1）后，作为注光光纤架装在三维微位移调整架I（3）上；多模光纤I（7）的首端加装准直耦合镜（7-1）后，作为收光光纤架装在三维微位移调整架II（10）上；重火石ZF4基片的上表面上镀制有50nm厚的SPR传感金膜以在重火石ZF4基片表面形成SPR传感区；用三维微位移调整架I调整注光单模光纤I角度，使入射光与重火石ZF4基片成17°夹角，多模光纤I（7）经三维微位移调整架II调节位置与角度，能够接收反射光，多模光纤I（7）的另一端经裸纤适配器连入光谱仪；

超连续谱光源（1）发出的光注入单模光纤I（2），单模光纤I（2）的出射光经加装于单模光纤I尾端的尾纤准直镜（2-1）准直后入射至重火石玻璃SPR基片表面发生全反射，产生倏逝波（4-2），倏逝波中某波长光与传感金膜（4-1）中自由电子振动共振，在重火石玻璃SPR基片表面全反射发生SPR效应产生SPR反射光斑，多模光纤I收集反射后的SPR信号光后送入光谱仪；

强光阱力光纤光镊I控制单细胞置于SPR反射光斑上，用于单细胞SPR检测；强光阱力光纤光镊II（11）控制飞升级油性药物靠近，用作单细胞微量给药；

所述强光阱力光纤光镊I（6）包括单模光纤II（6-1）、多模光纤II（6-2）和设置于多模光纤II端面的圆锥台结构（6-3），单模光纤II（6-1）给多模光纤II（6-2）斜入射注光，多模光纤II中光线以斜光线的形式螺旋向前传输，并在多模光纤II纤芯端面构成环形光场，多模光纤II纤芯中的环形光场在光纤端面圆锥台结构全反射汇聚，汇聚焦点区域（6-4）产生强光阱力；

强光阱力光纤光镊II（11）的结构与强光阱力光纤光镊I（6）相同。

2.根据权利要求1所述的一种单细胞给药与SPR检测实验装置，其特征在于：所述强光阱力光纤光镊I通过以下方法获得：截取一段长为2m、外包层直径为125μm，纤芯直径105μm的阶跃折射率多模光纤，在其两端利用米勒钳去除涂覆层2cm，用无纺布蘸取酒精擦拭干净，并使用光纤切割刀将其端面切割平整，利用光纤端面研磨技术将多模光纤一端研磨成37.5°倾角的圆锥台，研磨深度为34.5μm；将980nm激光器激光注入单模光纤，单模光纤斜入射至多模光纤注光，斜入射的方法消除纤芯中的子午光线，构造完全由斜光线构成的环形光场，多模光纤中传输的斜光线组成的环形光场在研磨圆锥台结构反射汇聚后，产生光强梯度场，构造成强光阱力光纤光镊，可以捕获单细胞，亦可捕获飞升级微液滴。

3.根据权利要求1所述的一种单细胞给药与SPR检测实验装置，其特征在于：所述单模光纤I为532nm、633nm、980nm或者1310/1550nm单模光纤。

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