光镊操控精子活力检测装置及其检测方法

1.一种光镊操控精子活力检测装置，其特征在于它由激光电源[1]、激光器[3]、显微 镜和逃逸力显示器[2]构成，在激光器[3]前设置取样分光板[4]，在显微镜中设置45° 分束器[6]，激光器[3]发出的光束经取样分光板[4]分成两束，一束射入显微镜，经 45°分束器[6]折射到物镜[7]，并经物镜[7]会聚形成光镊射向样品池[8]，另一束射 入逃逸力显示器[2]。
2.如权利要求1所述装置，其特征在于可以设置CCD摄像机[12]，监示器[13]和录像机 [14]。
3.如权利要求1所述装置，其特征在于可以设置CCD摄像机和计算机[15]。
4.如权利要求1或2所述装置，其特征在于可以设置样品恒温器[9]。
5.如权利要求3所述装置，其特征在于可以设置样品恒温器[9]。
6.一种使用上述光镊操控精子活力检测装置的检测方法，其特征在于用光镊在精液样 品中捕获一个精子，将其悬浮地束缚于精液体中，然后降低激光输入功率，改变光镊 对精子的作用力，直到精子凭自已的活动能力从光镊中逃脱，此时逃逸力显示器上所 显示的数据，即为该精子的逃逸力。

技术领域\n本发明涉及光镊操控精子活力检测装置及其检测方法。\n背景技术\n20世纪以来，全球范围内男性生育能力明显下降。丹麦的生殖医学家斯卡克利用统 计方法分析了1940-1992年间有关人类精子的状况，发现人类精液中的精子平均计数半 个世纪以来下降了41.5％。欧美国家不育症的发病率高达15％。我国协和医院男科对 1980-1990十年间诊治的万余男性不育者进行了统计，发现后五年的就诊人数是前五年 的2倍之多。男性生殖健康的状况直接关系到子孙后代的幸福与人类的生存和文明的延 续。因此这一现象已经引起全社会的高度重视。\n目前男性不育是通过精液检查获得如精液量、精子密度、活动力、活动度、存活率 等临床数据的。现有的方法可分为目测估计、仪器测定和图象辅助分析三大类。\n1.光学显微镜目测估计：\n该方法为目前广泛使用的精液常规化验，用于各医院门诊。其方法是：用血细胞计 数板在高倍物镜下观察精子活动情况，借助计数板上的标准网格进行目测计数，估计 精子密度，观察活动与不活动的精子数目以得到活动精子所占的百分比，以精子活动 与否来判断精子的活动能力。\n目测法检测结果实际上是一种依靠观察员主观估计的报告。它完全取决于个人技 术，认真程度，判断能力以及个人的工作经验。\n2.仪器测量\n毛细管穿透实验(精子爬高实验)：方法是模拟精子活动的环境，测量玻璃毛细管 内精子穿透高度来衡量精子运动能力。主要反映了精子前向运动的能力。\n精子速度实验：运用特制计数板，观察精子运动时间和距离，通过公式计算精子的 平均速度。\n两种方法分别在某种程度上弥补了目测法的不足。\n3.图象辅助分析\n显微摄影法：即拍摄精子细胞运动的图象。该方法虽然提供了客观分析数据，但不 能做到实时观察与分析。\n计算机自动分析：由于计算机技术发展，近年来利用摄象机记录精子运动图象和用 计算机进行处理分析研究。这类系统实时快速地给出包括精子计数、运动方式及形态 等数据，并且可以自动定量，测量条件可统一标准，不同化验室的实验数据可以交换 参考，有比较好的可比性，是精液分析走向规范、统一的方向。但是，由于计算机软 硬件技术要求高，整个系统价格昂贵难以推广。\n以上三种方式在方便使用、实验性能、检验精度以及价格上各有利弊。但是给出的 都是精子群体总的趋向的统计数据。没有一种能够定量地提供单个精子活动能力这一 重要参数。实际临床检测发现往往有相当部分的精子貌似正常而活动能力却十分低下， 也有精子数量偏低但仍具有生育能力的病例。所以根据多年来的临床研究，人们已经 意识到定量检测单个精子活动能力大小的重要性并企图进行这方面的研究。但是苦于 缺乏合适的测量手段而没有进展。\n发明内容\n本发明的目的在于提供一种能够定量测定单个精子活力以及多个精子平均活力的光 镊操控精子活力检测装置及其检测方法。\n本发明是采用光镊技术来实现本发明目的的。\n本发明装置由激光电源、激光器、显微镜和逃逸力显示器构成。在激光器前设置取 样分光板，在显微镜中设置45°分束器。激光器发出的光束经取样分光板分成两束， 一束射入显微镜，经45°分束器折射到物镜，并经物镜会聚形成光镊射向样品池；另 一束射入逃逸力显示器的探头。本发明方法是通过测定单个精子逃逸力来表征这个精 子的活力，利用光镊捕获男子精液中的一个精子，将其束缚于液体中，然后降低激光 输入功率，改变光镊对精子的作用力，直到精子凭自己的活动能力从光镊中逃脱，此 时逃逸力显示器上所显示的数据，即为该精子的逃逸力。此外，通过测定多个精子的 逃逸力然后求其平均力，可以得到多个精子的平均活动能力，即精子的活力。\n本发明装置可以设置CCD摄象机、监示器和录像机，还可以设置CCD摄像机和计算机。 本发明装置可以设置恒温器。\n本发明的优点是：\n1.实现了单个精子活力的测定，数据精确可靠。\n2.为男性不育的诊断、治疗提供了可靠的手段。\n3.可对精子实现无损伤，高选择性的优选，从而可为人工受孕提供高活力精子，提 高人工受孕的成功率。\n4.本发明装置简单，操作方便，价格不贵。\n5.方便与现有的常规检测法结合，可给出常规检测的全部数据。\n附图说明\n下面结合附图对本发明作进一步的描述。\n附图1，本发明装置的一种示意图。其中，1-激光电源，2-逃逸力显示器，3-激光 器，4-取样分光板，5-观察目镜，6-45°分束器，7-高倍物镜，8-样品池，9-恒温器， 10-照明光，11-反射镜(光分镜)。\n附图2，本发明装置的另一种示意图。其中，12-CCD摄像机，13-大屏幕监示器，14- 录像机。\n附图3，本发明装置的另一种示意图。其中，15-计算机。\n附图4，光镊与精子示意图。A-光捕获力＞精子活力，B-光捕获力＜精子活力。其中， 16-精子。\n具体实施方式\n参见附图1、4，本发明采用普通荧光垂直或正置显微镜作为本发明装置的主体， 采用基模(TEM。。)半导体连续或准连续激光作为光镊光源。在显微镜中置入一个与纵 向轴线呈-45°角的45°分束器，该板镀有特种光学膜。来自激光器3的光源经取样分 光板4分成两束，一束射入显微镜，经45°分束器6折射到高倍物镜7，并经高倍物镜7 会聚形成光镊射向样品池8；另一束射入逃逸力显示器2的探头。高倍物镜7可以是NA值 较大的40倍物镜或60倍物镜。\n光镊是一种高度会聚的激光束。当它照射于透明粒子时，会产生一个力作用于透明 粒子(几μm～几十μm大小的细胞)，使透明粒子在光束轴向和径向被捕陷。光镊的作 用力大约在皮牛量级(10-12牛顿)，与细胞间或分子间作用力相当，因而可以用来捕 获和夹持微小的粒子，并且能够方便地通过移动光束或相对移动载样品的台子来操纵 微小粒子。人类精子头部为几个微米，最适合光镊技术的应用。本发明就是利用光镊 的这种功能，在精液样品中捕捉一个精子16，将其悬浮地束缚于液体中，然后降低激 光输入功率，直到精子16凭自己的动能从光镊中逃脱。此时逃逸力显示器2所显示的数 值为该精子的逃逸力。也可将此时激光输入功率的值作为该精子的逃逸力。精子的逃 逸力即为该精子活力的定量表征。\n用光镊选择单个高活力精子并将其从精液中分离出来，以备人工受孕。由于以上操 作可在不影响细胞生存的液体环境下进行，而用光镊捕获或夹持精子是光与精子的相 互作用，是非接触式的，因此不会损伤精子。\n附图2提供的装置是对附图1装置的改进。利用CCD摄像机12进行显微摄像，并转换 成视屏信号，实现大屏幕实时显示，便于观察和计数。用录像机14记录原始图象便于 进一步分析。使用恒温器9放置样品可以使精子在测量时处于正常体温状态下，可保持 精子活力，减小由于测量条件带来的误差。\n附图3提供的装置是对附图1、2装置的改进。CCD摄像机12将图象信息转换成数字信 号然后输入计算机15。计算机15中设置图象采集功能，将显微视场信息显示于屏幕上 或存储于计算机中。采集方式可以是静态和动态两种。静态为帧采集，间隔获取运动 瞬时信息。动态为连续采集，保留精子运动的全过程。利用图象采集功能可提供精子 活动全部信息，以便于获取详尽的分析资料。计算机专用软件的功能决定了分析能力。 可以使用现有的专用软件。\n计算机屏幕可实时显示精子速度，以及活力精子百分比等常规测量参数。计算机辅 助分析，温度控制和光镊输入功率调节都可由计算机控制并实时显示于计算机屏幕上。\n本发明装置既可以用来测定单个精子的逃逸力，与此同时也可获得测定精细胞密 度，形状、活动率，以及常规化验的各项指标。