本發(fā)明涉及光學分析機械領域，是一種力載荷及位移聯(lián)合反饋控制的光學鑷子系統(tǒng)。

背景技術：

光學鑷子系統(tǒng)可在近似于生理環(huán)境下無損地研究細胞及分子的力學特性及相互作用行為，因此在細胞、分子生物學、醫(yī)學以及生物力學領域正發(fā)揮越來越重要的作用。然而隨著相關研究的深入，對光鑷系統(tǒng)的要求也越來越高。特別是對于細胞和分子的粘彈性、破壞斷裂等非線性力學行為以及細胞與納米顆粒、藥物相互作用等過程的研究，需要載荷依照預定的函數(shù)隨時間發(fā)生改變，即力載荷控制。由于樣品在測試中會發(fā)生蠕變以及位移，而光鑷施加的載荷又由樣品與光阱中心的相對距離決定，因此對光鑷進行力載荷控制往往比較困難。目前，人們對光鑷的改進主要集中于光阱本身，如多光阱系統(tǒng)以及利用聲光控制器對光阱位置進行調控。這些努力雖然很好地改善了樣品操控及位移控制，但依然無法實現(xiàn)光鑷的力載荷控制。一般而言，光鑷對樣品施加力載荷主要通過由聚苯乙烯、玻璃為材料的微球實現(xiàn)。對于小尺寸微球(直徑小于1μm)，雖然可通過瑞利近似以及小球中心與光阱中心距離計算出光鑷施加載荷大小。但是在溶液環(huán)境中小尺寸微球受布朗運動影響較大，信噪比較低，因此力載荷控制實用意義不大。而對于大尺寸微球，由于不符合瑞利近似，無法直接得出光鑷施加載荷大小。因此往往無法實現(xiàn)力載荷控制。

綜上所述，拓寬光鑷設備的測試方法并開發(fā)一種可對大尺寸微球實現(xiàn)精確力載荷控制的光鑷系統(tǒng)已十分必要。其可更有效且精確地研究細胞和分子的粘彈性、破壞斷裂等非線性力學行為，以及細胞吞噬與納米顆粒、藥物相互作用等重要生物過程。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的一個目的是提供一種用于拓寬光鑷設備的測試方法的力載荷及位移聯(lián)合反饋控制的光學鑷子系統(tǒng)。

上述目的通過以下技術方案實現(xiàn)：一種力載荷及位移聯(lián)合反饋控制的光學鑷子系統(tǒng)，包括依次設置的激光準直單元、高倍聚焦物鏡、位移載物臺、光阱、光源、樣品后激光信號采集單元以及反饋控制單元，所述位移載物平臺上設置有透射孔，所述光阱設置在透射孔上方，所述光源設置在光阱上方，所述高倍聚焦物鏡下方設置有用于觀察物鏡圖像的ccd，所述樣品后激光信號采集單元用于采集由激光準直單元發(fā)出依次經(jīng)過高倍聚焦物鏡、位移載物臺及光阱產(chǎn)生的激光光斑，并傳輸?shù)椒答伩刂茊卧答伩刂茊卧鶕?jù)光斑信息控制位移載物平臺移動。

進一步地，所述后激光信號采集單元包括第一合光鏡、聚光鏡以及四象限光電探測儀，所述聚光鏡接收透過樣品光束，并傳向第一合光鏡，由第一合光鏡反射到四象限光電探測儀上，所述四象限光電探測儀與反饋控制單元連接，輸出光斑數(shù)據(jù)。

進一步地，所述一合光鏡和聚光鏡設置在光源和光阱之間。

進一步地，所述光源光軸分別與透射孔、聚光鏡、高倍聚焦物鏡及ccd同軸設置。

進一步地，所述激光準直單元與高倍聚焦物鏡之間成一夾角設置，激光準直單元與高倍聚焦物鏡之間設置有第二合光鏡。

進一步地，所述激光準直單元依次包括激光器、連續(xù)濾光片以及兩組焦點互相重疊的凸透鏡。

進一步地，所述位移載物平臺包括納米位移平臺和機械樣品臺，所述納米位移平臺設置在機械樣品臺上并與反饋控制單元連接，所述透射孔設置在機械樣品臺上。

進一步地，所述機械樣品臺為雙層透射結構，兩層之間相對移動。

進一步地，所述納米位移平臺為雙層透射結構，兩層之間相對移動。

進一步地，所述納米位移平臺由壓電陶瓷驅動，由電壓信號控制，下層與機械載物樣品臺通過螺絲相連接并固定，其上層可在電壓信號控制下由壓電陶瓷驅動而與下層發(fā)生相對位移。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

本發(fā)明所涉及的光鑷系統(tǒng)可實時計算光阱對微球施加力載荷并進行閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)以力載荷控制。因此其拓寬了光鑷的測試方法，可更有效且精確地研究細胞和分子的粘彈性、破壞斷裂等非線性力學行為。

除了力載荷控制外，本發(fā)明還可結合位移控制實現(xiàn)力載荷-位移聯(lián)合控制。其可用于研究更為復雜的細胞吞噬及與納米顆粒、藥物相互作用等過程。

本發(fā)明對光阱施加力載荷的確定基于定標參數(shù)對照，不依賴于瑞利近似的計算，因此微球的尺寸對本光鑷的控制沒有影響。所以本光鑷具有比現(xiàn)有技術更好的適用性，更有利于實驗的設計與實現(xiàn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結構示意圖。

圖2為本發(fā)明反饋控制流程示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

參見圖1，本發(fā)明基于單光阱光鑷測試平臺，一種力載荷及位移聯(lián)合反饋控制的光學鑷子系統(tǒng)，包括依次設置的激光準直單元、基礎框架、高倍聚焦物鏡7、位移載物臺、樣品后激光信號采集單元以及反饋控制單元8。

激光準直單元包括了激光器1、第一凸透鏡4、第二凸透鏡3以及連續(xù)濾光片2，其中所述激光器1為單tem00模式連續(xù)激光器，激光波段及功率可根據(jù)樣品特性選擇，功率不小于75mw。激光器通過m6螺絲固定于光學隔振平臺，激光光束平行于面包板平面。

第一凸透鏡4、第二凸透鏡3以及連續(xù)濾光2片均通過螺絲固定于光學隔振平臺鏡片垂直于激光光束擺放且光軸與激光器1的光軸重合。其中第一凸透鏡4、第二凸透鏡3的焦點重合，并將激光擴束準直為1cm左右直徑。

所述基礎框架由光源10、聚光器12、第二合光鏡6、ccd5及其各部件之間相互連接、用于支撐各部件的連接結構(圖中未標示)組成，其中該連接結構可以為用于固定各個部件在多個位置的框架。第二合光鏡6反射激光而透過照明光，與準直單元導出的激光光束呈45度夾角放置并固定于基礎框架上。高倍聚焦物鏡7通過螺紋副固定于基礎框架上，其光軸與第二合光鏡6反射的激光重合，且其高度可根據(jù)需要調整。ccd5放置于基礎框架底部，用于觀測物鏡圖像。

位移載物臺包括納米位移平臺14和機械樣品臺13，機械樣品臺13為透射式雙層機械載物平臺，其固定于高倍聚焦物鏡7上方，雙層透射結構的兩層都有比較大的開口，而相對移動的行程遠小于開口，因而移動過程中不會被遮擋。因為兩個層不需要同軸，也不存在無法對準的情況。操作平面垂直于激光光軸，且激光可穿過機械樣品臺13上的透射孔(圖中未有標示)。聚光器12通過齒輪導軌與連接結構連接，其高度可調，聚光器12的通光孔與透過高倍聚焦物鏡7的激光光軸垂直且光軸與激光軸重合。

光源10優(yōu)先使用鹵素燈，光源10固定于基礎框架頂部，其照明光顏色可通過內置濾色片調節(jié)。該光源10光軸分別與聚光器12、高倍聚焦物鏡7、ccd5同軸。

所述納米位移平臺14為雙層透射式，其下層與機械樣品臺13通過螺絲相連接并固定。其上層可在電壓信號控制下由壓電陶瓷驅動而與下層分別在x、y兩個面內方向發(fā)生相對位移。

進行測試時，首先將載玻片、細胞培養(yǎng)皿或顯微培養(yǎng)皿等容器置于納米位移平臺14上層，并使其中一部分暴露于透光孔上。將含樣品以及微球的溶液滴入容器。調整聚焦物鏡，使物鏡焦平面位于溶液內部。打開激光器，高倍聚焦物鏡7焦點即為光阱15中心。當微球接近光阱15時由于梯度力的影響，小球將被光阱15捕獲。通過控制納米位移平臺14移動，可使小球與溶液環(huán)境發(fā)生相對位移。

所述樣品后激光信號采集單元以及反饋控制程序包括第一合光鏡11、四象限光電探測儀9(以下簡述為qpd)、ni數(shù)模轉換器(圖中未有標示)以及基于labview的反饋控制單元8。第一合光鏡11與透過樣品的激光光軸呈45度夾角放置于聚光鏡12上方。qpd固定于光學隔振平臺上(圖中未標示意)，所述光學隔振平臺上設置有用于安裝光學鑷子系統(tǒng)的螺絲孔，并可充氣用于防止儀器振動，并將光電探測芯片對準由第一合光鏡1反射出的激光光斑。qpd將輸出x、y、sum三組電壓模擬信號，分別反映照射在qpd上激光在橫向、縱向及總的光強。三組信號將通過數(shù)ni模轉換器導入電腦及反饋控制單元8。反饋控制單元8可通過rj45接口向納米位移平臺14輸出兩組信號x,y控制納米位移平臺的移動，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制。

本發(fā)明最重要的優(yōu)勢在于力載荷控制的實現(xiàn)，參照圖2，其具體實施方法如下：

a.獲得光阱中心與微球中心距離s與qpd的x,y信號關系。具體實施方法為，首先通過微吸管吸附或將小球固定于載玻片底部。向納米位移平臺14輸x或y方向出三角波，同時記錄qpd的x或y讀數(shù)vx或vy。此時vx或vy與s曲線將顯示為震蕩波。而當小球中心與光阱中心重合時，vx或vy應為零。而在s較小時，vx或vy與s為線性關系。該線性關系的有效區(qū)間為±smax。通過擬合，得出比例系數(shù)r＝vx(或vy)/s。也就是說，通過標定，在小球中心與光阱中心相對距離絕對值小于smax的范圍內，可通過v直接算計算出s＝v/r。

b.標定光阱15剛度c，即s與光阱施加載荷大小f關系。根據(jù)研究，f可近似看成與s呈線性關系，即f＝cs。其中c可通過功率譜法標定。根據(jù)步驟a所得結果，可得f＝cv/r。

c.力載荷控制如圖二，反饋程序首先讀入qpd信號v，將其與輸入的目標力載荷f*＝cv*/r中的目標信號值v*對比，可計算出調整量而后根據(jù)輸入的增益系數(shù)g1，g2計算出納米位移平臺移動量根據(jù)該數(shù)值控制納米位移平臺移動，使光阱力載荷大小向目標力載荷靠近。由于先對位置發(fā)生改變，qpd在下時刻將輸出一新數(shù)值。通過此閉環(huán)控制，光阱力載荷可被調整并保持與目標力載荷一致。力載荷接近目標力載荷速度由增益系數(shù)決定。

本發(fā)明還可實現(xiàn)位移控制。輸入目標位移，并與累積的納米位移平臺移動量對比l^*-∑δl即為位移調整量。

本發(fā)明可實現(xiàn)復雜過程加載。反饋控制程序包含函數(shù)發(fā)生附件，在反饋控制程序中將目標力載荷、位移按一定函數(shù)設為時間變量。程序可自動生成不同時刻的目標載荷值，按順序輸入程序即可使光鑷按照預先設定的函數(shù)對微球及樣品施加載荷。即為力載荷及位移聯(lián)合控制。