基于荧光光镊与机器学习的单细胞血液分类方法

利用物种间血液成分的差异来识别物种,对生物医学、医疗健康、海关、刑侦、食品安全、野生动物保护等工作十分重要。但目前的研究都是针对群体细胞展开,忽略了单细胞的异质性,开展基于单细胞的血液光谱分类方法研究非常迫切。在此提出了一种基于荧光光镊和机器学习的单细胞血液分类方法,利用光镊实现了单细胞捕获,通过荧光光谱检测系统获得了单细胞荧光光谱数据,并基于机器学习方法实现了准确分类。首先,设计并搭建了一套荧光光镊系统,实现了单细胞捕获和荧光光谱检测。然后,制备了马、猪、犬、鸡四种动物的红细胞稀释液,以440 nm激光作为荧光激发光源,获得了四个物种每种100条、共计400条荧光光谱数据,并进行了背景去除、平滑、归一化的预处理,消除了信号中的噪声干扰。随后,建立了随机森林分类模型,分析了当抽取特征数k=20时,模型中树的棵数与预测准确率之间的关系,当决策树m=500时,分类正确率趋于稳定,有很高的分类正确率和运行效率。进一步地,设定样本数据的30%作为测试集、70%为训练集,计算不同波长与特征重要性之间的关系,得到了10个分类准确率,并取平均值作为模型分类的准确率,测试集最终准确率达到93.1%,方差为0.31%。最后,计算了混淆矩阵,对模型预测精度进行了评价,鸡的分类正确率最高,马的分类正确率最低。分析表明,对分类有重要贡献的物质分别是卟啉类物质、血红素和黄素腺嘌呤二核苷酸。总之,研究表明,将荧光光镊与机器学习方法相结合,可实现单细胞水平的血液分类,较高的分类正确率验证了这种方法的可行性和有效性。同时,该方法不需要过多样品就能满足建模需求,避免了因浓度低带来的荧光自吸收强度过低等问题,具有快速、准确分类的优点,具有非常重要的潜在应用价值。

类抛物线形单孔悬挂芯光纤光镊设计与微粒操控

为提高光镊系统中光纤波导耦合度与微通道集成度,实现对微粒的多样操控,提出了一种类抛物线形单孔悬挂芯光纤光镊结构,从双光束聚焦光场机制出发,分析并建立了光镊探针尖端横向和轴向光阱力数学模型,通过出射光场分布仿真模型的计算,探究了类抛物线形悬挂芯光纤中空孔直径、微粒尺寸与纤芯功率等参量对出射光场和光阱力的影响。结合悬挂芯光纤流道的气压控制,利用CO_(2)激光熔融工艺制备了光纤光镊探针,建立了针对直径2、5、10μm的聚苯乙烯微粒操控实验。研究为单孔悬挂芯光纤应用于光纤光镊实现微粒操控乃至输运提供了技术基础,也为光纤光镊提高集成度与灵活性提供了新的思路。

光镊在深海环境中的捕获特性

在深海原位环境下精确捕获和收集单个目标微生物是当前深海微生物研究中的一大挑战。设计了一个应用在深海环境中的光镊捕获系统方案,系统包含光镊模块、微流控芯片、耐压外罩等部分,可实现原位捕获收集深海微生物。建立了位于南海北纬18°附近,1.5 km深处的海水折射率模型,预估了深海对光镊系统激光功率的损耗。使用T矩阵法计算对比了光镊在深海中和陆地上的纯水中对不同折射率和不同大小的球形微生物的捕获力。结果表明,相比于纯水中,光镊在1.5 km的深海中的最大轴向捕获力平均降低了25%,最大横向捕获力平均降低了20%。本研究可为未来基于光镊技术开发的深海微生物分选设备的下海实验提供参考。

结构参数对领结型纳米孔等离子体光镊共振效应的影响

等离子体光镊可以将光场能量限制在纳米级的体积内,从而产生较大的梯度力对粒子进行捕获和操纵。使用时域有限差分(FDTD)方法对金膜上的领结型纳米孔进行数值分析,结果表明,在波长为400~2 000 nm范围内存在两种模式的共振,分别为Fabry-Pérot共振和等离子体共振。Fabry-Pérot共振对金膜厚度比较敏感,随着金膜厚度增加,共振峰发生90 nm的红移;而等离子体共振峰随着孔径和孔间距的增加向波长更大的方向偏移;通过模拟粒子捕获,发现与其他材料的粒子相比,金粒子会导致等离子体共振峰发生更大的偏移,且随着粒子从结构外运动至结构底部,共振峰会持续发生红移。本研究对实际应用中纳米结构的制备具有参考价值,且在单分子操纵、生物传感等方面具有重要意义。

真空光镊中纳米粒子的参数反馈冷却实验研究

为了解决真空光镊中粒子稳定捕获等问题,开展了参数反馈冷却纳米粒子质心运动的实验研究,在单光束真空光镊系统中,成功实现了3 mPa气压下直径为200 nm SiO-2粒子的稳定捕获和等效冷却。比较了拟合曲线延伸法、拟合曲线截取法和真实曲线截取法的特点,选取真实曲线截取法评估纳米粒子的等效冷却温度。实验结果表明,粒子单轴质心运动等效温度最低被冷却至约390 mK,相应的力测量极限噪声水平大约降低至原先的3.6%。研究成果为实现基于真空光镊技术的超高灵敏度物理量测量提供了重要参考。

光镊捕获和操控尺度极限的进展

光镊技术能够实现对介观乃至微观颗粒的稳定捕获和灵活操控,是对微纳物体和单个分子施加力并观测其响应的理想操控手段。受限于光的衍射极限,传统光镊难以实现对100 nm以下物体的捕获和操控。研究者们通过开发特殊的材料和结构,将它们与传统光镊技术结合,不断突破其在小尺度物体的捕获和操控极限。本文主要综述了近年来光镊的不同技术路线在突破捕获操控极限的研究进展,以及其在物理化学领域中的应用,并对其发展和应用进行展望。

光镊在肿瘤研究中的应用

光镊用光操控物体,它可以在纳米空间、皮牛顿力和毫秒时间研究从单细胞到单分子的生物过程。光镊能够鉴别肿瘤细胞、操控肿瘤细胞、分析单分子和辅助肿瘤治疗,正深刻改变着肿瘤的研究和治疗。

一种光纤光镊法测试杀菌剂在压裂液中杀菌效果评价技术

夏季压裂施工中,由于胍胶压裂液受到细菌等微生物滋生的影响,可能导致液体腐化变质,致使压裂液失效。为此通常需要加入杀菌剂对压裂液中腐生菌进行消除,但目前缺少能够在微观层面评价杀菌剂杀菌效果的技术手段。为此,提出了一种基于光纤光镊的杀菌剂杀菌效果评估技术手段,利用锥形光纤光镊捕获添加杀菌剂前后的腐生菌,在微观尺度分析其运动规律,以此反演杀菌剂的杀菌效果。实验结果表明,该方法可以有效评估腐生菌的活性,对于添加杀菌剂后,腐生菌细胞失活,其运动幅度大幅下降,大约只在0.8~0.9μm。而对于正常的腐生菌,其运动幅度通常在12.1μm左右。证实了该方法在评估杀菌剂杀菌效果的可行性,为直接评价杀菌剂性能的优劣提供了可靠的理论依据。

光镊阵列成功操控单个多原子分子

精确控制单个多原子分子有望为诸多领域带来巨大突破。然而,实现这一点的关键挑战在于如何完全控制分子的内部量子态和运动自由度。在一项最新研究中,美国哈佛大学物理学家首次成功将单个多原子分子捕获在光镊阵列内,并以超过90%的保真度直接且无损地对光镊阵列中单个分子成像。相关论文发表于新一期《自然》杂志上。将原子冷却到极低温度可以控制它们的能量状态,可催生并促进原子钟等技术发展。物理学家猜测,对分子实施同样操作可能会产生类似结果。但事实证明,由于旋转和振动等额外因素,对分子进行同样控制面临极大挑战。

光镊技术在生命科学研究中的发展与应用

介绍了光镊技术的原理和系统结构,追踪了光镊操作和探测技术从微米到纳米的进展,最后给出了纳米光镊在生物技术领域的应用。

飞秒激光光镊横向光学力的理论分析

旨在将飞秒激光脉冲序列视为对连续光的周期抽样结果 ,分析飞秒激光脉冲序列作为光镊光源捕获电介质微粒时产生的横向光学力 ,并给出受光微粒所受横向光学势阱力的理论模型及计算公式 数值计算结果表明 ,飞秒激光脉冲所产生的横向光学力能抵消由于布朗运动引起的微粒中心偏移的影响 。

BP神经网络用于光镊力的非线性修正

提出了运用BP神经网络法对光镊力的测量和标定进行非线性修正。针对BP算法收敛慢的缺点,采用LM算法改进BP神经网络算法。结合常用的流体力学法进行了实验研究,证实了所提出的方法使光镊力的测量范围扩大了30%。与多项式拟合方法相比,该方法的精度更高。研究结果表明,采用神经网络算法在不需增加或更换实验设备的前提下,可以有效地提高光镊系统的性能指标。

微流控芯片-拉曼光镊的红细胞光谱检测技术

将微流控芯片与带有光镊子的激光拉曼光谱系统结合起来用以检测人红细胞的拉曼光谱。根据实验效果,选用的芯片采用石英毛细管(内径70μm)与玻璃板耦合的方式制作而成,采用微流控技术使细胞依次通过光镊所在的区域,利用光镊将细胞囚禁,然后获取单个细胞的拉曼光谱,共测得正常人红细胞的12个拉曼光谱。将实验结果与使用常规方式检测得到的红细胞光谱进行比对分析,发现这一技术显著加快了细胞的拉曼光谱检测进程,并能增强数据的可靠性。

基于近场光学理论光镊的研究进展

近场光镊是基于近场光学理论建立起来的可以对微粒实现稳定捕获和操作的新技术,相较基于单光束梯度力的传统远场光镊,近场光镊克服了光学分辨率衍射极限和热效应等众多因素的限制,可以实现对纳米量级微小粒子的捕获和操控,在物理学、细胞工程、生物医学等领域备受关注。首先阐述了基于倏逝场近场光镊的模型和捕获的基本原理,详述了棱镜全反射光镊、探针型光镊、纳米孔径光镊、聚焦倏逝场光镊、微纳光纤光镊、以及微谐振腔耦合结构型近场光镊的研究进展。最后,重点介绍了光镊在生物医学领域的应用。

光镊捕获的单个解冻人血红细胞的拉曼光谱研究

红细胞的冰冻与解冻的实施为血液的长期保存提供了有效的方法。在过去的几十年中,红细胞冻存有过数种方法,其中高甘油冻存法比较普遍,因而用此方法保存红细胞是否对红细胞产生了影响及产生了什么影响是值得研究的。作者利用激光光镊拉曼光谱系统,通过拉曼光谱对冻存人血红细胞进行研究;结果显示,红细胞冻存前后的拉曼光谱有一定的变化,解冻提取后也产生了一定的变化,这些变化主要体现在对应拉曼光谱的位置和强度上。研究结果对进一步研究红细胞的冻存具有一定的参考价值。

拉曼光镊流式细胞仪的构建及其在地中海贫血分析中的应用

为自动检测和分析地中海贫血(地贫)红细胞内部的物质变化情况,建立拉曼光镊-微流控芯片自动化系统平台。应用此装置收集β地贫红细胞和正常红细胞的拉曼光谱,并对其进行多元统计分析,从拉曼特征峰(1004,1130,1450,1545,1604和1618cm-1)的数据统计分析可见,β地贫红细胞的血红蛋白分布比正常红细胞广,平均强度差在6%以内。采用主成分分析法,可较好地将正常红细胞和β地贫的红细胞区分开,从载荷图可以更明显的看到它们的变化情况。此装置实现了快速、准确、非损伤的全自动化检测,为生物学的研究和医学诊断提供新的研究手段。

人血红细胞在直流电作用后光镊操控的拉曼光谱研究

激光光镊拉曼光谱(LTRS)系统是拉曼光谱和激光光镊的结合,是一种研究细胞的全新方法,可对单个活细胞进行操控和光谱收集。从拉曼光谱特征峰位置、强度和线宽可得到细胞的组成、结构及细胞内物质相互作用的信息。外界因子对细胞的作用可引起细胞的生理变化,这种变化也可以通过拉曼光谱的变化而进行分析。本文是对人血红细胞在不同强度直流电的作用前后拉曼光谱变化的研究,结果表明:人血红细胞在直流电作用前后拉曼光谱有明显的差异,这种变化正是红细胞内信息变化的一种反映。本研究为直流电物理治疗的分子机理提供一定的理论参考。

光镊捕获金福菇孢子的拉曼光谱分析

使用光镊拉曼光谱系统俘获悬浮在生理盐水中的单个金福菇孢子,激发并收集其拉曼信号,结果显示单个金福菇孢子的拉曼光谱基本能呈现其内含物的组成和结构信息,脂类物质是其主要成分。同种栽培方式的3个不同菌株单个金福菇孢子的平均拉曼光谱信号基本一致,分别对其进行多元统计分析(PCA),无法区分其拉曼光谱信号;同一菌株不同栽培方式的单个孢子平均拉曼光谱的差异光谱表明其主要成分相同,都以脂类物质为主;而源自于脂类1743、1655、1442、1125、1080、1070、876、728cm-1等峰的信号强度基本一致,说明其脂类的含量基本相同。从单细胞拉曼光谱角度初步分析金福菇孢子,为光镊拉曼光谱技术研究食用菌孢子萌发机理提供有意义的参考。

光镊力影响因素的计算分析

运用基于T矩阵算法的开源光镊计算工具包对可能影响光镊力的微粒尺寸、相对折射率以及光束模式进行了研究,计算结果表明,这三方面因素都会对光镊力产生显著影响,微粒直径与波长相等、相对折射率尽可能大时选择恰当的光束模式能够产生最佳的光镊捕获效果.

基于MATLAB的单光阱光镊中光阱力的分析

在几何光学近似下 ,对米氏球状粒子所受轴向光阱力进行了数值计算。仿真结果给出了轴向稳定捕获区域和光阱力与光镊系统主要参数的关系。分析表明 ,激光束束腰半径越小 ,势阱越深 ;相对折射率、激光波长、功率等参数对光阱力也有一定影响。