CN209803447U - 多功能激光光镊-光刀显微操纵仪的光学*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了多功能激光光镊‑光刀显微操纵仪的光学***，涉及光镊技术和激光显微切割领域。本实用新型包括计算机，所述计算机电性连接有激光器单元、光耦合器操纵单元和显微镜，所述显微镜电性连接有动态检测装置和位置探测装置，所述显微镜包括本体，本体内设有探测器接口装置。本实用新型通过设置计算机、激光器单元、光耦合器操纵单元、显微镜、动态检测装置和位置探测装置，通过计算机控制光镊和光刀的单独或者同时使用，经过光耦合器操纵单元处理后的激光进入到显微镜内，动态检测装置和位置探测装置对操控对象进行实时观察和记录，将数据记录在计算机里面。

Description

多功能激光光镊-光刀显微操纵仪的光学***

技术领域

本实用新型属于光镊技术和激光显微切割技术领域，特别是涉及多功能激光光镊-光刀显微操纵仪的光学***。

背景技术

现有的光镊、光刀技术基本上均是将激光束通过光学元件耦合到现有的商品化的倒置显微镜(如Zeiss、Olympus、Leica等)中，用高数值孔径(NA>1.2) 的显微物镜将激光束汇聚到样品上。结构上一般由激光器、光学耦合单元、光束操控器件、显微镜、图像监测与记录装置、位置探测器、样品台、计算机及***操控软件构成。

上述“光镊”或“光刀”设备若单独使用功能均有限，存在一定缺点：

1、功能单一，应用范围受限。目前，现有的各种光镊或光刀***均为单一的“光镊”或“光刀”设备，市场上尚缺乏同时具备“光镊”与“光刀”双重功能的“光镊-光刀”一体化设备，不能进行复杂而精细的单细胞手术操作。

2、自动化程度不高，目前市面上销售的光镊产品，自动化程度普遍不够高，缺乏***而完整计算机全自动精确操控功能，操纵很不方便，是限制光镊技术应用推广的主要因素之一。

3、性能有限，效率低。现有商品化的绝大多数光镊设备只提供粒子捕获和移动的基本功能，不具备粒子运动位置精确测量和粒子受力测量等高级功能。而德国JPK公司生产的唯一具有精确位置探测功能的光镊，因采用的是后焦面干涉法探测粒子的位置，其装置中的显微物镜与聚光镜间距离必须非常近 (d<1mm)，无法放置细胞培养器皿，另外，该方法是依据干涉图案来探测粒子的位移，光镊操纵对象只能用形状规则的标准微球，而无法用于形态不规则的活细胞作为探针，故该只能探测纯化好的生物大分子(将其包被在探针微球上) 作用力，不能原位测量活细胞表面的特异性单分子作用力！

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供多功能激光光镊-光刀显微操纵仪的光学***，通过设置计算机、激光器单元、光耦合器操纵单元、显微镜、动态检测装置和位置探测装置，通过计算机控制光镊和光刀的单独或者同时使用，经过光耦合器操纵单元处理后的激光进入到显微镜内，显微镜及动态检测装置进行观察，位置探测装置对其处理操控对象位置进行记录，，将数据记录在计算机里面。

为解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型为多功能激光光镊-光刀显微操纵仪的光学***，包括计算机和显微镜，所述计算机电性连接有激光器单元、光耦合器操纵单元和动态检测装置和位置探测装置，所述显微镜机械连接有动态检测装置和位置探测装置；

所述显微镜包括本体，本体的上部设有照明灯，沿照明灯的竖直方向依次设有聚光镜、电动样品载物台、物镜、第二二向色镜、分束镜和转向棱镜，本体的正面设有动态检测装置和目镜，目镜的中轴线指向转向棱镜，本体的一侧边上设有激光束入口，激光束入口内固定安装有第三二向色镜，激光射入到第三二向色镜后发生反射，反射光路上设有管镜，管镜处于第二二向色镜和第三二向色镜之间；

所述分束镜的一侧设有安装通道，安装通道上设有位置探测装置和反射镜，反射镜处于位置探测装置处显微镜内部；

所述本体上固定安装有高压荧光激发器。

优选的，激光器单元包括近红外连续波激光器和紫外脉冲激光器；

所述光耦合器操纵单元包括光学平板，近红外连续波激光器和紫外脉冲激光器均固定安装在光学平板上，光学平板固定安装在显微镜上；

所述光学平板上固定安装有与紫外脉冲激光器相配合的第一平面反射镜，激光射入第一平面反射镜发生反射偏折，激光反射光路上依次设有第一扩束镜、第二扩束镜、第一电动快门、第一二向色镜、耦合透镜和第一提升镜，激光射入第一提升镜发生反射偏折，折射光路的板面上设有第二提升镜，激光射入第二提升镜发生反射偏射，反射光穿过显微镜的激光束入***入在第三二向色镜上；

所述光学平板上固定安装有与红外连续波激光器，该激光光路上的板面上依次设有第三扩束镜、第四扩束镜、第二电动快门、偏振片和第二平面反射镜，偏振片安装在电动转动架中，该转动架连接在光学平板上，激光射入第二平面反射镜发生反射偏折，反射光路的板面上固定安装有第一偏振分光棱镜，激光经过第一偏振分光棱镜分成相互垂直的两束激光，一束透射激光沿原激光的方向射出，且其光路上依次设有第七扩束镜、第八扩束镜和电动平面反射转镜，电动平面反射转镜电性连接，激光射入电动平面反射转镜发生反射偏折，反射光路上设有第二偏振分光棱镜；

所述第一偏振分光棱镜反射的激光光路上固定安装有第三平面反射镜，激光射入第三平面反射镜发生反射偏折，反射光路的板面上依次设有第五扩束镜、第六扩束镜，第六扩束镜与第二偏振分光棱镜相对，第二偏振分光棱镜与二向色镜相对，由电动平面反射转镜反射的激光射入第二偏振分光棱镜与经第六扩束镜射入的激光汇聚合束后入射到第一二向色镜，红外激光束经过第一二向色镜反射与透射过的紫外脉冲激光束合束后平行射入到显微镜内的第三二向色镜上。

优选的，所述动态检测装置可以为探测器。

优选的，所述位置探测装置为四象限光电位置探测器。

优选的，所述第一电动快门、第二电动快门、电动平面反射转镜和电动样品载物台、第八扩束镜均与计算机电性连接。

优选的，所述第八扩束镜平动连接在光学平板上。

优选的，所述电动平面反射转镜转动连接在光学平板上。

本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型通过设置计算机、激光器单元、光耦合器操纵单元、显微镜、动态检测装置和位置探测装置，通过计算机控制光镊和光刀的单独或者同时使用，经过光耦合器操纵单元处理后的激光进入到显微镜内，动态检测装置和位置探测装置对其进行处理，再通过显微镜观察，将数据记录在计算机里面。

2本实用新型通过设置激光束入口、四象限光电位置探测器的安装通道、第三二向色镜、反射镜和第二二向色镜，改变了第二二向色镜的光学通透特性，实现了光镊(红外连续激光)、光刀(紫外脉冲激光)与显微镜成像(可见光) 完备耦合，减少了激光功率损耗，提高了***的稳定性和实验效率，大大简化了实验操纵步骤，方便了用户使用。

3、本实用新型通过对显微镜的光路的改造，保证红外波段的光镊激光和紫外波段的光刀激光束高效耦合到显微镜中，同时保留原显微镜光学成像不受影响。

4.本实用新型的光镊不仅能测量纯化后的生物大分子间的作用力，而且可以原位测量活细胞表面生物分子间的特异性单分子力，这是现有的光镊无法实现的。

5.在实用新型中，由于“光镊”与“光刀”采用同一个“显微镜”、“计算机”和“显微动态监测”模块，节省了两套独立设备中这些共同部分，因此，大大降低了成本。

当然，实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型多功能激光光镊-光刀显微操纵仪的光学***的结构示意图；

图2为本实用新型中的光耦合器操纵单元的***光路示意图；

图3为本实用新型测量U937活细胞表面的IL-6R分子与配体分子IL-6的测量照片a和小球与细胞分离时所测的力谱图b；

图4为本实用新型中光镊-光刀联合使用染色体切割与收集的照片；

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“中”、“壁”、“内”、“外”、“端”、“侧”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

请参阅图1所示，多功能激光光镊-光刀显微操纵仪的光学***，包括计算机和显微镜，计算机电性连接有激光器单元、光耦合器操纵单元和显微镜，显微镜电性连接有CCD检测仪6和四象限光电位置探测器15，CCD检测仪6安装在显微镜的“三目头”上，用于视场的观察和录像，四象限光电位置探测器15 用于精确探测样品粒子的位移；

显微镜包括本体1，本体1的上部设有照明灯2，沿照明灯2的竖直方向依次设有聚光镜3、电动样品载物台4、物镜5、第二二向色镜10、分束镜9和转向棱镜8，本体1的侧边设有CCD检测仪6和目镜7，目镜7的中轴线指向转向棱镜8，本体1的一侧边上设有激光束入口14，激光束入口14内固定安装有第三二向色镜12，激光射入第三二向色镜12发生反射偏折，折射光路上设有管镜 11，管镜11处于第二二向色镜10和第三二向色镜12之间，耦合透镜L9和管镜11共同构成一对扩束镜，将产生的平行光入射到显微物镜；

分束镜9的一侧设有安装通道，安装通道内设有反射镜13，四象限光电位置探测器15固定在安装通道上；

显微物镜通过照明光将将样品粒子成像到四象限光电位置探测器靶面上，四象限光电位置探测器将光强信号转换为电信号并放大后传输给计算机中储存。当标定四象限光电位置探测器输出电压与粒子位移关系后，即可通过四象限光电位置探测器输出电压信号精确测量粒子的位移。

本体1上固定安装有高压荧光激发器16。

请参阅图2所示，激光器单元包括近红外连续波激光器H1和紫外脉冲激光器H2；

光耦合器操纵单元包括光学平板，近红外连续波激光器H1和紫外脉冲激光器H2均固定安装在光学平板上，光学平板固定安装在显微镜上；

光学平板上固定安装有与紫外脉冲激光器H2相配合的第一平面反射镜M1，激光射入第一平面反射镜M1发生折射，激光折射光路上依次设有第一扩束镜L1、第二扩束镜L2、第一电动快门S1、第一二向色镜D1、耦合透镜L9和第一提升镜M5，激光射入第一提升镜M5发生折射，折射光路的板面上设有第二提升镜 M6，激光射入第二提升镜M6发生反射偏折，折射光路穿过显微镜的激光束入口 14射入在第三二向色镜12上；

光学平板上固定安装有与红外连续波激光器H1的激光光路上的板面上依次设有第三扩束镜L3、第四扩束镜L4、第二电动快门S2、偏振片P1和第二平面反射镜M2，偏振片P1转动连接在光学平板上，激光射入第二平面反射镜M2发生反射偏折，折射光路的板面上固定安装有第一偏振分光棱镜B1，激光经过第一偏振分光棱镜B1分成两束相互垂直的激光，一激光沿原激光的方向射出，且其光路上一次设有第五扩束镜L5、第六扩束镜L6和电动平面反射转镜M4，电动平面反射转镜M4转动连接在光学平板上，电动平面反射转镜M4与计算机电性连接，通过，电脑控制光镊在样品面的横向移动，激光射入电动平面反射转镜M4发生偏折，折射光路上的板面上设有第二偏振分光棱镜B2；

第一偏振分光棱镜B1折射的激光光路的板面上固定安装有第三平面反射镜 M3，激光射入第三平面反射镜M3发生反射偏折，折射光路的板面上依次设有第五扩束镜L5、第六扩束镜L6，透镜L6与第二偏振分光棱镜B2相对，第二偏振分光棱镜B2与二向色镜D1相对，由电动平面反射转镜M4反射的激光射入第二偏振分光棱镜B2与透镜L6射入的激光汇聚折射到第一二向色镜D1，激光经过第一二向色镜D1折射与紫外脉冲激光器H2的光路平行射入到显微镜内的第三二向色镜12上，第一二向色镜D1为合束镜，起到短通长反的作用，通过控制偏振片P1，与第一偏振分光棱镜B1和第二偏振分光棱镜B2共同作用，控制两个光镊的功率分配；同时，也能控制两个光镊的功率，配合偏振片P1，改变两个光镊的分光比。

所有的光学元件用光学机件固定在一个500×500mm光学平板上，各光学元件在同一水平面上，并保持准直共轴。

第五扩束镜L5、第六扩束镜L6的扩束比为1：1，第七扩束镜L7、第八扩束镜L8的扩束比为1：1，第五扩束镜L5和第六扩束镜L6与第七扩束镜L7和第八扩束镜L8的扩束比为(1:1)是为了调节激光束在样品上的纵向位置。

优选的，第二电动快门S2、第一电动快门S1、电动平面反射转镜M4和电动样品载物台4、扩充镜L8均与计算机电性连接，便于控制。

优选的，第八扩束镜L8滑动连接在光学平板上。

请参阅图3所示，是本发明***测量U937活细胞表面的IL-6R分子与配体分子IL-6的测量照片a。实验中，细胞粘附在基片上，IL-6分子包被在的5微米直径的聚苯乙烯小球上，光镊俘获住小球，并操作光镊移动小球与细胞轻微接触，几秒钟后光镊操控小球以一定速度与细胞分离，同时四象限光电位置探测器探测小球的位移，通过公式f＝kx(其中，f为小球受力，x为小球位移，k 为光镊***的刚度)，由***自动标定给出，即可得到小球所受的作用力。b图是小球与细胞分离时所测的力谱，即5个谱峰，说明小球与细胞间有5对单分子作用力，在离开时，被依次拉断，每对单分子力约18.5pN.

请参阅图3所示用光镊-光刀联合使用，可用“光刀”切割染色体片段，然后用“光镊”操控高效收集，以供研究人员进一步分析。另一个典型的例子是单细胞备样，如在植物组织中用光刀切割出一个完整的单细胞，随后用“光镊”收集，进一步精细研究。

以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.多功能激光光镊-光刀显微操纵仪的光学***，包括计算机和显微镜，其特征在于，所述计算机电性连接有激光器单元、光耦合器操纵单元和动态检测装置(6)和位置探测装置(15)，所述显微镜机械连接有动态检测装置(6)和位置探测装置(15)；

所述显微镜包括本体(1)，本体(1)的上部设有照明灯(2)，沿照明灯(2)的竖直方向依次设有聚光镜(3)、电动样品载物台(4)、物镜(5)、第二二向色镜(10)、分束镜(9)和转向棱镜(8)，本体(1)的正面设有动态检测装置(6)和目镜(7)，目镜(7)的中轴线指向转向棱镜(8)，本体(1)的一侧边上设有激光束入口(14)，激光束入口(14)内固定安装有第三二向色镜(12)，激光射入到第三二向色镜(12)后发生反射，反射光路上设有管镜(11)，管镜(11)处于第二二向色镜(10)和第三二向色镜(12)之间；

所述分束镜(9)的一侧设有安装通道，安装通道上设有位置探测装置(15)和反射镜(13)，反射镜(13)处于位置探测装置(15)处显微镜内部；

所述本体(1)上固定安装有高压荧光激发器(16)。

2.根据权利要求1所述的多功能激光光镊-光刀显微操纵仪的光学***,其特征在于，激光器单元包括近红外连续波激光器(H1)和紫外脉冲激光器(H2)；

所述光耦合器操纵单元包括光学平板，近红外连续波激光器(H1)和紫外脉冲激光器(H2)均固定安装在光学平板上，光学平板固定安装在显微镜上；

所述光学平板上固定安装有与紫外脉冲激光器(H2)相配合的第一平面反射镜(M1)，激光射入第一平面反射镜(M1)发生反射偏折，激光反射光路上依次设有第一扩束镜(L1)、第二扩束镜(L2)、第一电动快门(S1)、第一二向色镜(D1)、耦合透镜(L9)和第一提升镜(M5)，激光射入第一提升镜(M5)发生反射偏折，折射光路的板面上设有第二提升镜(M6)，激光射入第二提升镜(M6) 发生反射偏射，反射光穿过显微镜的激光束入口(14)射入在第三二向色镜(12)上；

所述光学平板上固定安装有与红外连续波激光器(H1)，该激光光路上的板面上依次设有第三扩束镜(L3)、第四扩束镜(L4)、第二电动快门(S2)、偏振片(P1)和第二平面反射镜(M2)，偏振片(P1)安装在电动转动架中，该转动架连接在光学平板上，激光射入第二平面反射镜(M2)发生反射偏折，反射光路的板面上固定安装有第一偏振分光棱镜(B1)，激光经过第一偏振分光棱镜(B1)分成相互垂直的两束激光，一束透射激光沿原激光的方向射出，且其光路上依次设有第七扩束镜(L7)、第八扩束镜(L8)和电动平面反射转镜(M4)，电动平面反射转镜(M4)电性连接，激光射入电动平面反射转镜(M4)发生反射偏折，反射光路上设有第二偏振分光棱镜(B2)；

所述第一偏振分光棱镜(B1)反射的激光光路上固定安装有第三平面反射镜(M3)，激光射入第三平面反射镜(M3)发生反射偏折，反射光路的板面上依次设有第五扩束镜(L5)、第六扩束镜(L6)，第六扩束镜(L6)与第二偏振分光棱镜(B2)相对，第二偏振分光棱镜(B2)与第一二向色镜(D1)相对，由电动平面反射转镜(M4)反射的激光射入第二偏振分光棱镜(B2)与经第六扩束镜(L6)射入的激光汇聚合束后入射到第一二向色镜(D1)，红外激光束经过第一二向色镜(D1)反射与透射过D1的紫外脉冲激光束合束后平行射入到显微镜内的第三二向色镜(12)上。

3.根据权利要求1所述的多功能激光光镊-光刀显微操纵仪的光学***,其特征在于，所述动态检测装置(6)可以为CCD探测器。

4.根据权利要求1所述的多功能激光光镊-光刀显微操纵仪的光学***,其特征在于，所述位置探测装置(15)为四象限光电位置探测器。

5.根据权利要求2所述的多功能激光光镊-光刀显微操纵仪的光学***,其特征在于，所述第一电动快门(S1)、第二电动快门(S2)、电动平面反射转镜(M4)和电动样品载物台(4)、第八扩束镜(L8)均与计算机电性连接。

6.根据权利要求5所述的多功能激光光镊-光刀显微操纵仪的光学***,其特征在于，所述第八扩束镜(L8)平动连接在光学平板上。

7.根据权利要求2所述的多功能激光光镊-光刀显微操纵仪的光学***,其特征在于，所述电动平面反射转镜(M4)转动连接在光学平板上。