基于分焦平面型偏振片和光诱导介电泳的细胞筛选装置

摘要

本发明公开了一种基于分焦平面型偏振片和光诱导介电泳的细胞筛选装置，将分焦平面型亚波长金属线栅偏振片与光诱导介电泳技术相结合，利用分焦平面型亚波长金属线栅偏振片的透射光作为光源，通过旋转线偏振片可以获得区域化的透过光强值可调的光场分布，从而改变芯片中光敏层电阻，在芯片的溶液层产生随光场变化的不均匀电场，控制溶液中的生物细胞或微纳粒子运动。其中，分焦平面型亚波长金属线栅偏振片的偏转方向可以为单一方向或多方向(线栅的偏转方向范围为0°到180°)。该发明可广泛的应用在需要改变光强值、区域化分级控制的相关领域，有利于微纳粒子和生物细胞的追踪、观察、筛选和操纵。

权利要求

1.一种基于分焦平面型偏振片和光诱导介电泳的细胞筛选装置，其特征是：该装置将分焦平面型亚波长金属线栅偏振片与光诱导介电泳技术相结合，该装置包括：光源、线偏振片、分焦平面型亚波长金属线栅偏振片、光诱导介电泳芯片、信号发生器、显微镜系统和CCD图像采集系统；由光源发出的光照射到线偏振片上，透射的光照射到分焦平面型亚波长金属线栅偏振片上，透射出的光作为光源，使之照射到光诱导介电泳芯片表面，由信号发生器及其连接的光诱导介电泳芯片组成，信号发生器连接芯片的上下两层导电层提供交变信号，微纳粒子或生物细胞在芯片溶液层内被操纵，显微镜系统和CCD图像采集系统置于芯片上方，将芯片内部粒子或细胞的位置及操纵情况实时反馈至电脑屏幕，通过分级控制光强，实现对感光度不同的细胞以及微纳粒子进行追踪、观察、筛选和操纵。

2.根据权利要求1所述的基于分焦平面型偏振片和光诱导介电泳的细胞筛选装置，其特征是：所述将分焦平面型亚波长金属线栅偏振片与光诱导介电泳技术相结合，利用线偏振片和分焦平面型亚波长金属线栅偏振片相结合，通过旋转线偏振片，将透过分焦平面型亚波长金属线栅偏振片的光投射到电极上，形成光场强度区域化可调控的光诱导介电泳装置。

3.根据权利要求1所述的基于分焦平面型偏振片和光诱导介电泳的细胞筛选装置，其特征是：分焦平面型亚波长金属线栅偏振片是在同一个平面上制备一个或多个偏振方向的亚波长金属线栅阵列，通过旋转线偏振片后经分焦平面型亚波长金属线栅偏振片透射出的光强为一级或者多级，可以实现同时输出区域化的不同光场强度的要求，能够在紫外到红外波段同时实现区域化的一级或者多级光强的控制。

4.根据权利要求1所述的基于分焦平面型偏振片和光诱导介电泳的细胞筛选装置，其特征是：分焦平面型亚波长金属线栅偏振片的单位单元尺寸为微米级到毫米级，其单元形状为任意形状，单元的分布格式图案化，按需要任意排列，结构的特征尺寸、单位单元的面积及形状根据需要灵活设置。

说明书

基于分焦平面型偏振片和光诱导介电泳的细胞筛选装置

技术领域

[0001] 本发明涉及光诱导介电泳领域，特别涉及一种基于分焦平面型偏振片和光诱导介电泳的细胞筛选装置。将分焦平面型亚波长金属线栅偏振片的透射光作为光源，实现能够灵活控制透射光强度、形状及分布的光诱导介电泳装置。

背景技术

[0002] 光诱导介电泳是一种将光学电极与介电泳方法相结合的操纵技术，用光学电极代替传统的物理电极，可以用来实现对微纳粒子及生物细胞的追踪和操纵。光诱导介电泳避免了复杂的电极制造过程，提高了微粒操纵灵活性。由于能够产生动态光虚拟电极，因此可以实现对微纳粒子以及生物细胞更加复杂的操纵。

[0003] 分焦平面型亚波长金属线栅偏振片是在同一个平面上制备一个或多个偏振方向的亚波长金属线栅阵列，能够在紫外到红外波段同时实现一个或多个偏振方向的偏振控制。

[0004] 本发明提出一种基于分焦平面型亚波长金属线栅偏振片和光诱导介电泳的细胞筛选装置，将分焦平面型亚波长金属线栅偏振片与光诱导介电泳技术相结合，属于对现有光诱导介电泳装置的改进。

发明内容

[0005] 本发明为了更好的追踪、观察、筛选和操纵微纳粒子及生物细胞，提出了一种基于分焦平面型亚波长金属线栅偏振片和光诱导介电泳的细胞筛选装置，将分焦平面型亚波长金属线栅偏振片与光诱导介电泳技术相结合，利用线偏振片和分焦平面型亚波长金属线栅偏振片相结合，通过旋转线偏振片，将透过分焦平面型亚波长金属线栅偏振片的光投射到电极上，形成光场强度可调控的光诱导介电泳装置。装置包括：光源、线偏振片、分焦平面型亚波长金属线栅偏振片、光诱导介电泳芯片、信号发生器、显微镜系统(由显微镜和显微镜照明光源组成)、CCD图像采集系统。分焦平面型亚波长金属线栅偏振片在制备过程中金属线栅的方向可以设计为一级或者多级偏转，通过旋转线偏振片后经分焦平面型亚波长金属线栅偏振片透射出的光强可以为一级或者多级，可以实现同时输出不同光场强度的要求。本发明利用分焦平面型亚波长金属线栅偏振片的透射光作为光源，可以获得亮暗光强差值很大的光场分布。通过分级控制光强，与光诱导介电泳技术相结合，实现对感光度不同的细胞以及微纳粒子进行追踪、观察、筛选和操纵。

[0006] 目前的光诱导介电泳装置多是实现了单一光场强度的光诱导介电泳力，且具有光学系统复杂，不易调节，相差较大等缺点。本发明在光诱导介电泳装置的基础上产生了多级透射光，填补了现有光诱导介电泳在同时实现分级控制光强方面的空白，本发明为生物细胞筛选以及微纳粒子操纵方面提供了新的途径。

[0007] 本发明采用的技术方案为：一种基于分焦平面型偏振片和光诱导介电泳的细胞筛选装置，该装置将分焦平面型亚波长金属线栅偏振片与光诱导介电泳技术相结合，该装置包括：光源、线偏振片、分焦平面型亚波长金属线栅偏振片、光诱导介电泳芯片、信号发生器、显微镜系统和CCD图像采集系统；由光源发出的光照射到线偏振片上，透射的光照射到分焦平面型亚波长金属线栅偏振片上，透射出的光作为光源，使之照射到光诱导介电泳芯片表面，由信号发生器及其连接的光诱导介电泳芯片组成，信号发生器连接芯片的上下两层导电层提供交变信号，微粒或生物细胞在芯片溶液层内被操纵，显微镜系统和CCD图像采集系统置于芯片上方，将芯片内部粒子或细胞的位置及操纵情况实时反馈至电脑屏幕，通过分级控制光强，实现对感光度不同的细胞以及微纳粒子进行追踪、观察、筛选和操纵。

[0008] 其中，所述将分焦平面型亚波长金属线栅偏振片与光诱导介电泳技术相结合，利用线偏振片和分焦平面型亚波长金属线栅偏振片相结合，通过旋转线偏振片，将透过分焦平面型亚波长金属线栅偏振片的光投射到电极上，形成光场强度区域化可调控的光诱导介电泳装置。

[0009] 其中，分焦平面型亚波长金属线栅偏振片是在同一个平面上制备一个或多个偏振方向的亚波长金属线栅阵列，通过旋转线偏振片后经分焦平面型亚波长金属线栅偏振片透射出的光强可以为一级或者多级，可以实现同时输出区域化的不同光场强度的要求，能够在紫外到红外波段同时实现区域化的一级或者多级光强的控制。

[0010] 其中，分焦平面型亚波长金属线栅偏振片的单位单元尺寸为微米级到毫米级，其单元形状可以为任意形状，单元的分布格式可以图案化，按需要任意排列，结构的特征尺寸、单位单元的面积及形状可以根据需要灵活设置。

[0011] 本发明与现有方法和系统相比有以下优点：

[0012] 由于分焦平面型亚波长金属线栅偏振片在制备过程中金属线栅的方向可以设计为一个或者多个方向偏转，通过旋转线偏振片后经分焦平面型亚波长金属线栅偏振片透射出的光强可以为一级或者多级，可以实现同时输出不同光场强度的要求，具有可同时输出区域化的多级光场强度的优点。

[0013] 由于分焦平面型亚波长金属线栅偏振片在制备过程中金属线栅的单位单元的形状和尺寸可以任意设置，具有输出光场分布的形状和尺寸多样性的优点。

[0014] 由于分焦平面型亚波长金属线栅偏振片在制备过程中金属线栅单位单元的排布可以任意图案化设置，具有输出光场分布的排布图案化的优点。

[0015] 由于分焦平面型亚波长金属线栅偏振片可在多种材料上实现制备，具有在紫外到红外波段实现以上的功能的优点。

[0016] 由于分焦平面型亚波长金属线栅偏振片的透射光作为光源的光诱导介电泳装置利用线偏振片和分焦平面型亚波长金属线栅偏振片相结合来控制输出光的光场强度，具有光学系统简单，易操作的优点。

附图说明

[0017] 图1为分焦平面型亚波长金属线栅偏振片与光诱导介电泳相技术结合的装置示意图；

[0018] 图2为四个方向的分焦平面型亚波长金属线栅偏振片阵列结构SEM示例示意图；

[0019] 图3为CCD接收到的通过旋转线偏振片透过四个方向的分焦平面型亚波长金属线栅偏振片阵列结构的光场分布示例示意图。

具体实施方式

[0020] 下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

[0021] 如图1所示，为一种基于分焦平面型偏振片和光诱导介电泳的细胞筛选装置，该装置将采用分焦平面型亚波长金属线栅偏振片与光诱导介电泳技术相结合，该装置包括：光源1、线偏振片2、分焦平面型亚波长金属线栅偏振片3、光诱导介电泳芯片、信号发生器10、显微镜系统11、CCD图像采集系统12。光诱导介电泳芯片包括依次布置的玻璃片4、上导电层5、光敏层6、含有微粒/细胞的液体7、下导电层8和玻璃片9。显微镜系统11由显微镜和显微镜照明光源组成。

[0022] 由光源1发出的光照射到线偏振片2上，线偏振片2透射的光照射到分焦平面型亚波长金属线栅偏振片3上，分焦平面型亚波长金属线栅偏振片3透射出的光照射到光诱导介电泳芯片表面。由信号发生器10及其连接的光诱导介电泳芯片组成，信号发生器10连接光诱导介电泳芯片的上导电层5和下导电层8提供交变信号，微粒在芯片溶液层内被操纵。显微镜系统11和CCD图像采集系统12置于芯片上方，由光学显微镜、电荷耦合器件(CCD)及其连接的电脑组成，将芯片内部粒子或者细胞的位置及操纵情况实时反馈至电脑屏幕。

[0023] 当透射出的光照射到光诱导介电泳芯片时，光敏层受到光照射的部分电阻变小从而产生不均匀电场，在溶液7中的微粒/细胞在不均匀电场中发生极化，产生定向移动。通过调节信号发生器10的输出参数，可以改变溶液7中微粒/细胞的受力情况。当转动线偏振片时，溶液7中微粒/细胞会随着分焦平面型亚波长金属线栅偏振片3透射出的光场图案的变化发生相应变化，达到移动的目的。因为不同微粒/细胞本身性质不同，对光场的敏感度不同，该装置可以筛选不同微粒及生物细胞。通过显微镜系统11和CCD图像采集系统12可以实时观察光场和微粒/细胞的运动。

[0024] 如图2所示，为四个方向的分焦平面型亚波长金属线栅偏振片阵列结构SEM示例示意图，应用微纳制造技术制备出四个偏转方向的分焦平面型亚波长金属纳米线栅阵列结构，偏转方向分别为0°，45°，90°，135°，其周期为170nm，线宽为100nm。本发明中所述的金属线栅阵列结构，其制备方式是在同一个平面上制备一个或多个偏振方向的亚波长金属线栅阵列，分焦平面型亚波长金属线栅偏振片的单位单元尺寸为微米级到毫米级，其单元形状可以为任意形状，单元的分布格式可以图案化，按需要任意排列，结构的特征尺寸、单位单元的面积及形状可以根据需要灵活设置。

[0025] 如图3所示，为CCD接收到的通过旋转线偏振片透过四个方向的分焦平面型亚波长金属线栅偏振片阵列结构的光场分布示例图。通过旋转线偏振片获得的透过4个方向的分焦平面型亚波长金属线栅偏振片阵列结构的光场分布图，通过旋转线偏振片(旋转角度范围为0°到180°)可以改变4个方向透射光的光强，从而控制透射光的光强，实现对感光度不同的细胞以及微纳粒子的追踪、观察、筛选和操纵。

[0026] 提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。