技术领域
本发明涉及光学仪器领域，具体涉及一种耦合装置及显微-光镊单细胞分选系统和其分选方法。
背景技术
单细胞分析可以揭示生命基本单元—细胞物质组成、生理行为的多样性和差异性，是当今生命分析的主流前沿技术。单细胞分析是在细胞种群中，针对细胞个体间差异包括细胞尺寸、生长速度、化学组成(磷脂、蛋白、代谢物、DNA/RNA)等方面的研究，以及细胞间差异产生的原因、机理。其研究内容涉及到肿瘤生物学、干细胞、微生物学、神经系统学和免疫学等领域。
单细胞分析中最大的挑战体现在于细胞尺寸微小，以及小尺寸带来的化学组成复杂、组分痕量困难等问题。单个细胞的尺寸大都分布于微米尺度甚至于亚微米尺度，在该尺度下对单个细胞的操纵、分析对仪器精度、灵敏度等方面提出了极高要求。因此要实现单细胞分析，首先要解决以下问题：单细胞成像、单细胞信号获取、单细胞捕获、分离提取；。
光学显微镜是利用光学原理，把人眼不能分辨的微小物体放大成像，以供提取微细结构信息的光学仪器，是人类进入原子时代的标志。光学显微镜是单细胞研究检测的常用工具之一，可以对单细胞形态、荧光特性的观察，实现对单细胞的定性和定量的研究。
然而，光学显微镜对于单细胞的观察也仅限于观测细胞形态、细胞结构、荧光特异性等，无法实现对单细胞的操纵捕获、分离提取，这大大限制了对观测到的特异性细胞进行后续操作(如细胞培养、单细胞测序等)。并且光学显微镜作为一种市面上成熟的商业化产品，其光路结构及机械结构都已经很成熟，在不影响显微镜性能的基础上引入需要的模块是难点之一。
发明内容
基于现有技术，本发明的目的是，提供一种耦合装置使得可在现有显微镜基础上引入光镊单细胞分选模块，从而实现在一台设备上同时进行单细胞的观测、操纵和分离。
本发明一方面提供了一种耦合装置，所述耦合装置包括顶部接口、滤光片架和二向色镜架，底部接口，第一支撑板和第二支撑板，所述顶部接口与底部接口平行放置，通过第一支撑板和第二支撑板连接，所述第一支撑板上设有通光孔，二向色镜架安装于第二支撑板上，所述滤光片架安装于第一支撑板上，所述顶部接口、滤光片架、二向色镜架和底部结构均设有同心圆孔。
在另一优选例中，所述滤光片架和二向色镜架通过螺杆安装，通过手动或者电动旋转螺杆可对镜架进行调节。
在另一优选例中，所述耦合装置内设有多组滤光镜架。
在另一优选例中，所述顶部接口、底部接口、第一支撑板和第二支撑板是一体式结构或分离式结构。
在另一优选例中，所述第一支撑板上的通光孔内部设有螺纹。
在另一优选例中，所述底部接口与底部接口包括燕尾形、凹槽形等。
本发明又一方面提供了一种显微-光镊单细胞分选系统，包括：
-显微镜：用于单细胞信号检测；
-耦合装置：用于耦合显微镜和光镊捕获模块；
-光镊捕获模块：用于捕获和配合载物平台操纵单细胞；
-分选模块：用于单细胞分选；
-计算机：分别与显微镜、光镊捕获模块连接并进行程序控制。
所述显微镜为明场显微镜，荧光显微镜或拉曼显微镜中的一种。
在另一优选例中，所述光镊捕获模块包括激光器和光束整形器件。
在另一优选例中，所述激光器输出激光的波长为532nm、785nm或1064nm中的一种。
在另一优选例中，所述激光器输出激光的波长为1064nm。
在另一优选例中，所述光束整形器件为扩束准直组件。
在另一优选例中，激光器与扩束准直组件同轴。
在另一优选例中，所述光镊捕获模块包括单光阱光镊或多光阱光镊。
在另一优选例中，多光阱光镊为全息光镊。
所述显微镜包括目镜成像模块、显微镜转接板、物镜显微模块、显微镜骨架模块，所述显微镜转接板与物镜显微模块安装于显微镜骨架上；所述耦合装置的顶部接口与目镜成像模块连接，底部接口与显微镜转接板连接，所述光镊捕获模块固定于显微镜转接板上。
所述显微镜包括目镜成像模块、检测识别模块、显微镜转接板、物镜显微模块、显微镜骨架模块，所述检测识别模块与目镜成像模块连接，所述显微镜转接板与物镜显微模块安装于显微镜骨架上，所述耦合装置的顶部接口与检测识别模块连接，底部接口与显微镜转接板连接，所述光镊捕获模块固定于显微镜转接板上。
在另一优选例中，所述检测识别模块为荧光检测模块或拉曼检测模块。
在另一优选例中，所述分选模块包括微流控芯片、进样装置，所述微流控芯片安放于显微镜骨架载物平台。
在另一优选例中，所述进样装置为重力驱动调节进样装置、注射泵或蠕动泵。
在另一优选例中，所述重力驱动调节进样装置包括高度可调样品架、样品容器、导管，所述导管连接样品容器和微流控芯片，所述样品容器安装于所述可调样品架，所述可调样品架的升降带动样品容器内样品注入微流控芯片，实现样品溶液的微流动。
本发明又一方面提供了一种显微-光镊单细胞分选方法，该方法在显微-光镊单细胞分选系统的基础上实现，该方法包括以下步骤：
S1信号检测：通过显微镜得到单细胞信息，通过计算机识别出所需要的样品；
S2微粒操控：对所需要的单细胞通过光镊进行捕获与位置的操纵；
S3液滴包裹和导出：通过分选模块形成单细胞液滴包裹并导出。
在另一优选例中，所述步骤S1的单细胞信息包括单细胞的形态信息、荧光信息或拉曼信息中的一种或多种。
本发明的有益效果是：
(1)打破了商业化显微镜成熟光路结构和机械结构的限制，在不影响显微镜性能基础上，通过简单紧凑结构的耦合装置结构在显微镜中引入其他模块；
(2)通过在商业化显微镜上耦合光镊，加入单细胞分选功能，改善了显微镜仅适用于观察监测的限制，实现了对单细胞的捕获操纵、分离提取。
附图说明
在所属附图中，相同部分和特征具有相同的附图标记。许多附图为示意图，其比例可能不准确。
图1耦合装置结构示意图；
图2显微-光镊单细胞分选系统结构示意图；
图3单光阱光镊捕获模块光路示意图；
图4全息光镊捕获模块光路示意图；
图5.明场-光镊单细胞分选系统结构示意图。
具体附图标记如下：
1耦合装置；2光镊捕获模块；3重力驱动调节进样装置；4微流控芯片；5图像采集装置；6目镜成像模块；7检测识别模块；8显微镜转接板；9物镜显微模块；10显微镜骨架；11顶部接口；12滤光片架；13第一支撑板；14底部接口；15二向色镜架；16第二支撑板；17激光器；18扩束准直组件；19原显微镜光路的光束；20显微物镜，211/2玻片；22偏振分光棱镜；231/4玻片；24空间光调制器；25第一双胶合透镜；26反射镜；27第二双胶合透镜。
具体实施方式
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。此外，附图为示意图，因此本发明装置和设备并不受所述示意图的尺寸或比例限制。
需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
实施例1
如图1所示为耦合装置的结构示意图，具体包括：
顶部接口11、滤光片架12和二向色镜架15，底部接口14，第一支撑板13和第二支撑板16，所述顶部接口11与底部接口14平行放置，通过第一支撑板13和第二支撑板16连接，所述第一支撑板13上设有通光孔，二向色镜架15安装于第二支撑板上16，所述滤光片架12安装于第一支撑板上13，所述顶部接口11、滤光片架12、二向色镜架15和底部结构14均设有同心圆孔。
优选地，所述滤光片架12和二向色镜架15通过螺杆安装，通过调节旋转螺杆可对镜架进行调节。
优选地，所述耦合装置内设有多组滤光镜架。
优选地，所述顶部接口11、底部接口14、第一支撑板13和第二支撑板16是一体式结构或分离式结构。
优选地，所述第一支撑板13上的通光孔内部设有螺纹。
优选地，所述底部接口与底部接口包括但不限于燕尾形、凹槽形等。
耦合装置1用于耦合显微镜与光镊捕获模块的结构如图2所示：
显微镜，包括目镜成像模块6、检测识别模块7、显微镜转接板8、物镜显微模块9、显微镜骨架模块10，所述检测识别模块7与目镜成像模块6连接，所述显微镜转接板8与物镜显微模块9安装于显微镜骨架10上，耦合装置1的顶部接口与检测识别模块7连接，底部接口与显微镜转接板8连接，光镊捕获模块2固定于显微镜转接板8上；原显微镜光路光束通过耦合装置1的顶部接口进入耦合装置1，光路方向不发生改变，光镊捕获模块2的光束通过第一支撑板上的通光孔进入耦合装置1，光束被反射与原显微镜光路的光束在空间上重合，两路光束同时进入物镜显微模块9，利用计算机或者手动调节物镜显微模块9的聚焦倍数以及显微镜载物平台可进行单细胞的观测、捕获和操作。
实施例2
如图2所示，一种荧光-光镊单细胞分选系统包括：
-荧光显微镜，-耦合装置，-光镊捕获模块，-分选模块，-计算机(未在图中标出)；
荧光显微镜，包括目镜成像模块6、检测识别模块7、显微镜转接板8、物镜显微模块9、显微镜骨架10，所述目镜成像模块6、检测识别模块7、物镜显微模块9、显微镜骨架10为商业化显微镜，可以任意拆卸组合，所述检测识别模块7为荧光检测模块，所述检测识别模块7与目镜成像模块6连接，所述显微镜转接板8与物镜显微模块9安装于显微镜骨架10上，耦合装置1的顶部接口与检测识别模块7连接，底部接口与显微镜转接板8连接，光镊捕获模块2固定于显微镜转接板上；分选模块包括微流控芯片4、重力驱动调节进样装置3，微流控芯片4安放于显微镜骨架载物平台。
所述光镊捕获模块2为单光阱光镊，如图3所示：包括激光器17，光束整形器件。光束整形器件为扩束准直组件18，光镊捕获模块的光路如图3所示：原显微镜光路光束19通过耦合装置的顶部接口进入耦合装置，并通过滤光片过滤杂散光，通过二向色镜后光路方向不发生改变，光镊捕获模块的光束通过第一支撑板上的通光孔进入耦合装置，经过二向色镜后光束被反射与原显微镜光路的光束在空间上重合，两路光束同时进入显微物镜聚焦，此时在聚焦位置会形成单光阱，实现单细胞捕获。
除此之外，光镊捕获模块也可以是多光阱光镊，包括但不限于全息光镊，具体结构如图4所示：
激光器17发出激光，激光经过扩束准直组件18产生平行光，平行光经过1/2玻片21、偏振分光棱镜22，两者组合通过调节1/2波片21即可调节入射光的偏振方向，使得入射光通过偏振分光棱镜22后达到最大的透过率，以最大的光能利用率到达空间光调制器24，空间光调制器24上加载有多光阱的计算全息图，计算全息图被进入的光照射，沿原光路返回，穿过1/4玻片23，调节1/4玻片23使光束达到最大的对比度，并且可以使再次经过偏振分光棱镜22的光束达到最大的反射率，此时携带有多光阱信息的计算全息图依次经过第一双胶合透镜25、反射镜26、第二双胶合透镜27，在耦合装置的二向色镜处与原显微镜光路的光束19重合，同时进入显微物镜20聚焦，此时在聚焦位置会形成多光阱实现多个单细胞捕获。
重力驱动调节进样装置3包括高度可调样品架、样品容器、导管，所述导管连接样品容器和微流控芯片4，所述样品容器安装于所述可调样品架，所述可调样品架的升降带动样品容器内样品注入微流控芯片4，实现样品溶液的微流动。
优选地，所述进样装置包括但不限于重力驱动调节进样装置、注射泵或蠕动泵等进样装置。
具体的荧光-光镊单细胞分选方法，包括以下步骤：
(1)将微流控芯片安放置显微镜载物平台；
(2)将细胞样品注入样品容器，调节重力驱动调节进样装置，使样品进入微流控芯片通道；
(3)通过荧光检测模块得到单细胞荧光信息，根据单细胞的荧光信息通过计算机对荧光图像进行处理识别出所需要的样品；
(4)对所需要的单细胞通过光镊进行捕获，利用光镊将单细胞移动到样品液滴取样点附近；
(5)通过分选模块将单细胞推出通道到达液滴取样点，形成单细胞液滴包裹；
(6)利用毛细管将液滴包裹导出，进入毛细管，用于后期的培养、扩增等。
实施例3
如图3所示，一种拉曼-光镊单细胞分选系统包括：
-拉曼显微镜，-耦合装置，-光镊捕获模块，-分选模块，-计算机(未在图中标出)；
拉曼显微镜，包括目镜成像模块6、检测识别模块7、显微镜转接板8、物镜显微模块9、显微镜骨架10，所述目镜成像模块6、检测识别模块7、物镜显微模块9、显微镜骨架10为商业化显微镜，可以任意拆卸组合，所述检测识别模块7为拉曼检测模块，所述检测识别模块7与目镜成像模块6连接，所述显微镜转接板8与物镜显微模块9安装于显微镜骨架10上，耦合装置1的顶部接口与检测识别模块7连接，底部接口与显微镜转接板8连接，光镊捕获模块2固定于显微镜转接板上；分选模块包括微流控芯片4、重力驱动调节进样装置3，微流控芯片4安放于显微镜骨架载物平台。
所述光镊捕获模块2为单光阱光镊，如图3所示：包括激光器17，光束整形器件。光束整形器件为扩束准直组件18，光镊捕获模块的光路如图3所示：原显微镜光路光束19通过耦合装置的顶部接口进入耦合装置，并通过滤光片过滤杂散光，通过二向色镜后光路方向不发生改变，光镊捕获模块的光束通过第一支撑板上的通光孔进入耦合装置，经过二向色镜后光束被反射与原显微镜光路的光束在空间上重合，两路光束同时进入显微物镜聚焦，此时在聚焦位置会形成单光阱实现单细胞捕获。
重力驱动调节进样装置3包括高度可调样品架、样品容器、导管，所述导管连接样品容器和微流控芯片4，所述样品容器安装于所述可调样品架，所述可调样品架的升降带动样品容器内样品注入微流控芯片4，实现样品溶液的微流动；
具体的拉曼-光镊单细胞分选方法，包括以下步骤：
(1)将微流控芯片安放置显微镜载物平台；
(2)将细胞样品注入样品容器，调节重力驱动调节进样装置，使样品进入微流控芯片通道；
(3)通过拉曼检测模块得到单细胞拉曼信息，通过计算机对所获得的拉曼光谱信号分析或者与构建的单细胞表型数据库中的标准的拉曼光谱信号进行比较，由计算机给出分析结果，判断是否为所需要的单细胞；
(4)对所需要的单细胞通过光镊进行捕获，利用光镊将单细胞移动到样品液滴取样点附近；
(5)通过分选模块将单细胞推出通道到达液滴取样点，形成单细胞液滴包裹；
(6)利用毛细管将液滴包裹导出，进入毛细管，用于后期的培养、扩增等。
实施例4
如图2所示，一种明场-光镊单细胞分选系统包括：
-明场显微镜，-耦合装置，-光镊捕获模块，-分选模块，-计算机(未在图中标出)；
拉曼显微镜，包括目镜成像模块6、检测识别模块7、显微镜转接板8、物镜显微模块9、显微镜骨架10，所述目镜成像模块6、物镜显微模块9、显微镜骨架10为商业化显微镜，可以任意拆卸组合，所述显微镜转接板8与物镜显微模块9安装于显微镜骨架10上，耦合装置1的顶部接口与目镜成像模块7连接，底部接口与显微镜转接板8连接，光镊捕获模块2固定于显微镜转接板上；分选模块包括微流控芯片4、重力驱动调节进样装置3，微流控芯片4安放于显微镜骨架载物平台。
所述光镊捕获模块2为单光阱光镊，如图3所示：包括激光器17，光束整形器件。光束整形器件为扩束准直组件18，光镊捕获模块的光路如图3所示：原显微镜光路光束19通过耦合装置的顶部接口进入耦合装置，并通过滤光片过滤杂散光，通过二向色镜后光路方向不发生改变，光镊捕获模块的光束通过第一支撑板上的通光孔进入耦合装置，经过二向色镜后光束被反射与原显微镜光路的光束在空间上重合，两路光束同时进入显微物镜聚焦，此时在聚焦位置会形成单光阱实现单细胞捕获。
重力驱动调节进样装置3包括高度可调样品架、样品容器、导管，所述导管连接样品容器和微流控芯片4，所述样品容器安装于所述可调样品架，所述可调样品架的升降带动样品容器内样品注入微流控芯片4，实现样品溶液的微流动；
具体的明场-光镊单细胞分选方法，包括以下步骤：
(1)将微流控芯片安放置显微镜载物平台；
(2)将细胞样品注入样品容器，调节重力驱动调节进样装置，使样品进入微流控芯片通道；
(3)通过显微镜的明场信息得到单细胞的形态图像，通过计算机对形态图像进行处理分析，识别出所需要的单细胞；
(4)对所需要的单细胞通过光镊进行捕获，利用光镊将单细胞移动到样品液滴取样点附近；
(5)通过分选模块将单细胞推出通道到达液滴取样点，形成单细胞液滴包裹；
(6)利用毛细管将液滴包裹导出，进入毛细管，用于后期的培养、扩增等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明方法的前提下，可以进行若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
机译： 组织分裂装置，细胞分选装置，细胞分选系统，组织展示系统，组织分裂方法和细胞分选方法
机译： 一种利用带有光镊的微流体分选装置分选至少一个颗粒的方法
机译： 粒子分选装置，粒子分选方法，程序和粒子分选系统
