技术领域
[0001] 本
发明涉及一种光镊自动化操控装置，对现有的光学系统进行电气改造，结合对应的上位机控制程序，实现光镊自动操控的目的。
背景技术
[0002] 光镊技术的理论依据是光的
力学效应。虽然1873年麦克斯韦在其电
磁场理论中已经提出光可以产生
辐射压力这一推论，但是由于当时的
光源为非相干光源，其产生的光辐射压力太小，无法对其进行操控。直到上世纪60年代激光问世后，科学家发现这种拥有高度
准直特性的强相干光束可以产生适用于操控微小粒子的稳定光辐射压力，并且可以在三维方向上移动微粒。这些研究为光镊技术的发展奠定了理论
基础。在上世纪80年代，Ahthur Ashkin等人使用具有高数值孔径(NA)的显微物镜去聚焦激光，从而在物镜焦点周围形成光阱并可以稳定捕获附近的微米量级的微粒。
[0003] 为了能够稳定捕获微粒，高度聚焦激光产生的的足够大的轴向光梯度力，应与粒子自身的重力及激光产生的光散射力相平衡。在均匀光场中，由于激光的各向同性散射，
光子对微粒各个方向上的作用力大小相等，因此光束对微粒的横向作用力可以相互抵消，最后合力的方向为沿着激光的方向，表现出来的结果就是激光沿传播方向“推动”微粒。在非均匀光场中，光束对微粒的横向作用力无法被完全抵消，因此合力的方向在一定程度上偏向大光强的方向，即偏离了激光的传播方向。
[0004] 激光光强的梯度变化产生了梯度力，力的方向与梯度的方向相同，力的大小与梯度变化的快慢成正比。当梯度力对微粒的作用效果大于散射力的作用效果时，微粒受到的合力方向指向激光聚焦的焦点中心附近，当该合力足够大时，就可以将微粒束缚在激光中，即“光镊”。
[0005] 通常情况下，光镊的操控目标为微米量级的微球、细胞等微粒，且无论用于何种研究，首先需要通过光阱去捕获这些微粒。但是，在传统的手动操作的光镊系统中，需要依靠人工操作位移台来捕获微粒，且由于高倍物镜下的视场很小，在寻找微粒的过程中无法获得微粒在样品池内的整体分布情况。当有微粒出现在视场时，需要依靠操作者的迅速反应才能及时将微粒移动至光阱附近。对于双光阱光镊系统下的微粒捕获，当第一个光阱成功捕获一个微粒后，第二个光阱在捕获微粒的同时需要确保第一个光阱内的微粒没有丢失且没有捕获额外的微粒，因此手动操控的难度无疑更大，对操作者的要求更高，成功捕获的几率则更低。此外，在力谱测试实验过程中，每次实验获取有效数据的几率很小，所以需要依靠大量的重复性实验以获取足够的实验样本。在双光阱均成功捕获单微粒后的测试操纵，对操纵人员的操作速度、操作经验要求很高，而这往往直接决定了实验的成败。实验过程中会产生大量的原始数据，而大部分数据都为无效数据，这样也为数据的存储、交换造成了一定不便。
[0006] 据此，本发明提出一种光镊自动化操控装置。
发明内容
[0007] 本发明的目的为在实现双光阱光镊光学系统的基础上，针对整个实验流程的低效环节，如微球寻找与捕获、力谱测试等，设计用于
生物单分子力谱测试的光镊自动化操控装置。技术方案如下：
[0008] 一种光镊自动化操控装置，包括光路系统、
数据采集系统、上位机和通信控制系统，光路系统为：
激光器出射的激光首先通过隔离器ISO，然后经由透镜组T1扩束；由第一半波片HW1、第二半波片HW2与第一偏振分光棱镜PBS1、光阱BD构成功率调整模
块，使入射激光经过此功率调整模块后的出射激光功率降低；第二偏振分光棱镜PBS使入射激光分为反射光和
透射光两部分，其中，反射光经过声光
调制器AOM后，被第一反射镜Mirror1改变传播方向；透射光被压电陶瓷反射镜PM改变传播方向；第一
挡板Shutter1和第二挡板Shutter2分别用以遮挡透射光和反射光，当第一挡板Shutter1与第二挡板Shutter2均打开时，两路光经过第三个偏振分光棱镜PBS3后经由透镜组T2再次进行扩束，扩束后的两路激光被第一个二向色镜DM1反射后穿过汇聚物镜FO，随后通过PI位移台与样品池SP，调整样品池SP的
位置，使得产生的两个光阱恰好在样品池内；从样品池SP出射的激光经过聚光物镜BO后被第二个二向色镜DM2反射，然后穿过透镜RL，最后在被第二个反射镜Mirror改变传播方向后，经由第四偏振分光棱镜PBS4后两路激光分别被两个四象限探测器QPD接收；第三个挡板shutter3的作用在：在打开时，调整样品池SP到合适的位置处可以观测到明显的亮斑，说明此时光阱出现在样品池内，调整完毕后关闭shutter3会滤除掉该光斑以避免影响实验的观测，其特征在于，
[0009] ①压电陶瓷反射镜PM的转动可由上位机进行精确控制；上位机通过控制PM反射镜的转动，改变激光反射后的
角度，从而精确控制其中一个光阱的移动；
[0010] ②样品池的
水平对称轴处放置促动器X，促动器X与样品池的左侧
接触，带动样品池沿水平方向移动；样品池的竖直对称轴处放置促动器Y，促动器Y与样品池的上侧接触，带动样品池沿竖直方向移动；
[0011] ③所述的三个挡板均设置有
开关，上位机通过通信控制系统控制三个挡板的打开和闭合；
[0012] ④电气系统的数据采集与处理部分的核心是FPGA，根据实际需求在FPGA内部署数据采集
电路，接收压电陶瓷反射镜PM、PI位移台、四象限探测器的模拟
信号；在FPGA内部部署
信号处理与逻辑控制电路，对采集来的信号做进一步处理，以及根据部分处理结果进行下一步的逻辑操作；
[0013] ⑤进行光镊操纵时，通过促动器使得样品池相对光阱发生移动，从而寻找微球，当有微球出现在光阱周围时，被光阱捕获；上位机通过对相机的显微图像
指定区域进行实时处理从而监视双光阱，直到双光阱内均为单个微球；停止促动器运行，然后控制位移台带动样品池以一定
频率和振幅在水平方向上做简谐运动，采集此过程中四象限探测器产生的
电压信号，对该信号进行傅里叶变换等方式分析处理后得到光阱
刚度与四象限探测器灵敏度参数；
[0014] ⑥通过控制压电陶瓷反射镜PM转动，改变该路激光的反射反向，从而控制可动光阱带动其捕获的微球移动到碰撞位置，在双光阱内均有单球的前提下，通过可动光阱移动带动其内的微球去与固定光阱内的微球做若干次碰撞；碰撞结束后控制可动光阱带动其内捕获的微球移动到拉伸起始处后继续移动指定拉伸长度的距离，随后返回拉伸起始处，完成一次拉伸操作；对拉伸操作过程中产生的数据做进一步处理。
附图说明
[0015] 图1光镊自动操控系统的整体结构
[0016] 图2双光阱光镊系统的光路结构
[0017] 图3样品池、PI位移台、促动器间的空间位置
[0019] 图5 QPD对微球偏移光阱中心位移的响应信号
[0020] 图6电气系统结构示意
[0021] 图7上位机控制程序结构示意图
具体实施方式
[0022] 下面结合实例和附图对本发明的一种光镊自动化操控方法及装置做出详细说明。
[0023] 本发明的目的为在实现双光阱光镊光学系统的基础上，针对整个实验流程的低效环节，如微球寻找与捕获、力谱测试等，设计并实现用于生物单分子力谱测试的方法以及对应的装置。整体结构如附图1所示。
[0024] 光镊自动操控系统的结构分为三部分，首先是光镊的产生与控制部分，这是整个系统的实现依据和基础。其次是电气结构部分，是连接光学系统与上位机控制程序的
桥梁，也是实现自动操控技术的关键所在。最后一个部分是上位机的控制程序，其
算法性能、控制逻辑决定着系统的效率与
稳定性。
[0025] (1)光学系统设计方案
[0026] 光路结构如附图2所示。激光器出射的激光首先通过隔离器ISO，然后经由透镜组T1扩束。半波片HW1、HW2与偏振分光棱镜PBS1、光阱BD构成功率调整模块，使入射激光经过此模块结构后的出射激光功率大幅度降低。偏振分光棱镜PBS2使入射激光分为反射光和透射光两部分，其中，反射光经过声光调制器AOM后，被反射镜Mirror1改变传播方向。透射光被压电陶瓷反射镜PM改变传播方向。当挡板Shutter1与挡板Shutter2均打开时，两路光最终在偏振分光棱镜PBS2处汇合，然后一起经由透镜组T2再次进行扩束。扩束后的激光被二向色镜DM1反射后穿过汇聚物镜FO，随后通过PI位移台与样品池SP。从样品池SP出射的激光经过聚光物镜BO后被二向色镜DM2反射，然后穿过透镜RL。最后在被反射镜Mirror改变传播方向后，经由偏振分光棱镜PBS4后两路激光分别被两个四象限探测器QPD接收。
[0027] Laser是
波长为1064nm的激光器，此波长的激光对生物单分子造成的热损伤最小。隔离器ISO的作用是吸收其后光路的反射光，避免反射光打在激光器上，对激光器造成损害。为了提高系统的光阱刚度，
激光束应具有大的数值孔径，故需要透镜组T1和T2对入射激光进行扩束。
[0028] 本系统采用的激光器在最大功率下运行时，其产生的激光束最为稳定。但是激光功率过大会导致样品池SP内的液体环境升温过快，影响生物单分子实验。故激光在第一次扩束后，进入功率调整模块，大幅度降低出射激光的功率，以保证满足后续实验的要求。功率调整模块由两个半波片HW，一个偏振分光棱镜PBS1和一个光阱BD组成。半波片通过调整出射激光的偏振态而起到消减激光功率的作用。当激光打在偏振分光棱镜PBS1上时，一部分激光被反射，然后被光阱BD吸收。半波片HW2调整通过调整偏振分光棱镜PBS1的透射激光的偏振态，控制接下来在偏振分光棱镜PBS2处反射光和透射光的比例。
[0029] 上位机可以精确控制压电陶瓷反射镜PM在水平面内偏转，
精度在纳弧度级别。当偏振分光棱镜PBS2的透射光打在压电陶瓷反射镜PM上时，控制PM转动，可控制反射后光束的出射方向，即可控制样品池内对应光阱的移动。因此，PM路激光产生的光阱称之为可动光阱，移动范围约为10μm。
[0030] 激光在偏振分光棱镜PBS2处分为透射光和反射光，又在偏振分光棱镜PBS3处合为一束光。若在偏振分光棱镜PBS3处两束光的频率接近，则会发生干涉。因此对偏振分光棱镜PBS2的反射光，使用声光调制器AOM改变其频率，接着被反射镜Mirror1反射后，在偏振分光棱镜PBS3处于PM路的激光汇合。由于反射镜Mirror1的位置固定，致使AOM路的激光在样品内的光阱是固定不动的，因此，AOM路激光产生的光阱称之为固定光阱。
[0031] 挡板Shutter1与挡板Shutter2分别决定着可动光阱与固定光阱的存在情况，上位机通过通信系统控制挡板的开启与关闭。若挡板Shutter1关闭，则阻断PM路激光的传播，样品池内对应的光阱随之消失。若挡板Shutter2关闭，则阻断AOM路激光的传播，样品池内对应的光阱也会随之消失。实验时，若发现某光阱内捕获有多个微球，在关闭该路光阱对应的挡板，当微球被液体流动冲走后，打开挡板，即起到释放光阱内微球的作用。第三个挡板shutter3在打开时，调整样品池SP到合适的位置处可以观测到明显的亮斑，说明此时光阱出现在了样品池内。调整完毕后关闭shutter3会滤除掉该光斑以避免影响实验的观测。
[0032] 两路光在偏振分光棱镜PBS3处合束后，经透镜组T2再次进行扩束，然后被二向色镜DM1反射后穿过PI位移台，并在样品池内部的位置处形成两个光阱。二向色镜DM1的作用是对某波长段的光完全透射，对另外某波长的光完全反射。在本系中，DM1对激光束完全反射，对照明光路的光完全透射。
[0033] 当光路确定后，光阱出现的位置也随之确定。因此，调整样品池在PI位移台Z方向的位置，使光阱恰好落在样品池内。样品池(有效区间约为3cm×3cm)竖直放置在PI位移台(Thorlabs,PRM1Z8)上，促动器SM1与促动器SM2紧挨着样品池。其中，促动器SM1与样品池的竖直轴平行，其可控制样品池在竖直方向移动。促动器SM2与样品池的水平轴平行，可控制样品池在水平方向移动。两个促动器(Newport,CONEX-CC)的移动范围约为10cm，相对精度为1μm。PI位移台可以在三维空间内带动样品池同步运动，其中，X和Y方向的移动范围为10mm×10mm，相对精度为1nm。Z方向的移动范围为20μm，相对精度为0.1nm。促动器、PI位移台、样品池的空间关系如附图3所示。样品池的水平对称轴处放置促动器X，促动器X与样品池的左侧接触，带动样品池沿水平方向移动；样品池的竖直对称轴处放置促动器Y，促动器Y与样品池的上侧接触，带动样品池沿竖直方向移动。
[0034] 激光从样品池出射后被二向色镜DM2反射然后穿过透镜RL，接着被反射镜Mirror3反射，最后经过偏振分光棱镜PBS4后，固定光阱(AOM路)的激光被四象限探测器QPD1接收，可动光阱(PM路)的激光被四象限探测器QPD2接收。
[0035] 微球偏离光阱中心或PM反射镜移动，均会导致四象限探测器QPD上的信号发生改变。然而，只有微球偏离光阱中心而产生的数据是实验所需要的，PM反射镜移动导致的信号变化应尽可能小。因此，在光路结构上，压电陶瓷反射镜PM与汇聚物镜FO的入瞳关于透镜组T2共轭，两个四象限探测器与聚光物镜BO的后焦平面关于透镜RL共轭，可以在理论上使PM反射镜的的移动不引起QPD的接收信号随之变化。
[0036] 照明光路采用柯勒照明的方式，目的是使样品池内获得均匀的照明光。其中，光源是波长为780nm的LED，经过柯勒照明KL光路后穿过样品池，携带着视场内的显微图像最终由反射镜Mirror2反射后被CCD相机接收。
[0037] 实验开始后，在PI位移台上放置制备好的样品池，样品池内部为充满
磷酸缓冲液的液体环境，其中有表面被修饰过的聚苯乙烯微球，以及大量生物单分子(如DNA)，生物单分子的两端可以与微球表面进行特异性结合。激光在样品池内出现两处光阱，光阱对对其附近的微球具有
吸附捕获作用。通过CCD相机可以看到视场内对应的显微图像。控制促动器去移动样品池，使光阱遍历样品池去搜寻微球，直到双光阱内均为单个微球。然后通过控制压电陶瓷反射镜PM水平转动控制可动光阱移动，从而使可动光阱的微球接近固定光阱的微球。当两个微球碰撞后，有一定几率可以在其之间粘连生物单分子。碰撞后，使可动光阱的微球远离固定光阱的微球一段距离。根据背焦平面干涉法，当微球在光阱的中心时，在聚光物镜BO的后焦平面由于干涉会产生均匀的圆环(如附图4(a)所示)；当微球偏离光阱中心时，聚光物镜的后焦平面干涉圆环的
能量分布会随之改变(如附图4(b)所示)。该能量变化会导致四象限探测器上的信号也发生变化(如附图5所示)。当两球之间成功粘连生物单分子时，记录此过程中QPD上的数据变化，分析处理后可以得到此过程的生物单分子的力谱测试数据。若两球间未成功粘连生物单分子，则舍弃此阶段QPD的数据，并进行下一轮的碰撞。
[0038] (2)电气系统设计方案
[0039] 电气系统可分为数据采集系统以及通讯控制系统，是连接光学系统和上位机控制程序的桥梁。电气系统结构如附图6所示。
[0040] 数据采集系统的一方面是光学系统中四象限探测器的电压信号，其反应了微球在光阱中的受力情况。选用NI公司的数据采集卡(PCI-7833R)对该
模拟信号就行采集。数据采集的另一方面是CCD相机里的显微图像数据，其对应着该时刻样品池内视场区域的情况，是判断此刻光阱内微球存在情况的重要依据。
[0041] 通讯控制系统分为基于RS485的串口通讯以及以NI数据采集卡为核心的基于FPGA的数字/模拟信号通讯。两个促动器以及三个挡板均采用串口通讯的方式。PI位移台数据读取与控制、PM反射镜的数据读取与控制，通过NI数据采集卡模拟信号通道完成。AOM声光调制器的开关控制，通过NI数据采集卡
数字信号通道完成。
[0042] (3)上位机控制程序设计方案
[0043] 上位机控制程序界面和控制逻辑采用LabVIEW编写，其中，采用LabVIEW_FPGA模块对NI数据采集卡进行
硬件编程，对与NI数据采集卡直连的设备进行读写控制。另外，微球形态识别算法(
卷积神经网络)、显微图像保存、力谱数据保存等功能，以LabVIEW通过本地TCP/IP回环通讯的方式调用Pyhton中相应的自定义函数实现。上位机控制程序整体设计方案如附图7所示。
[0044] 状态机结构是实现自动操控技术的逻辑核心。一次完整的双光阱光镊生物单分子力谱测试实验，在PI位移台上放置好样品池后，包括：微球寻找(捕获)、
功率谱测试(标定参数)、力谱测试、数据保存。其中，微球捕获、力谱测试各有单独的状态机负责，功率谱测试与数据保存在“功能处理”模块内完成。总状态机负责在实验时调用“功能处理”内的消息分支以及实验不同阶段所需的状态机。
[0045] 消息队列结构是上位机控制程序的架构核心。以生产者消费者模型为基础的消息队列结构，在实现所需功能的基础上，大大增加了程序的可读性、稳定性与扩展性。
