基于光子纳米喷射阵列的光学捕获和探测的装置及方法

摘要

本发明公开了基于光子纳米喷射阵列的光学捕获和探测的装置，包括显微镜，显微镜的载物台上设置有微流通道，微流通道由盖玻片和载玻片组成，微流通道内设置有两根光纤，两根光纤外部均套有玻璃毛细管，玻璃毛细管被固定在可调的光线调节架上，其中一根光纤的另一端连接有Y型的光纤耦合器、光电探测器和光纤激光器，光电探测器的另一端连接示波器，另一根光纤的另一端连接有激光器。本发明还公开了基于光子纳米喷射阵列的光学捕获和探测的方法，包括如下步骤：1.制备用于捕获和探测的微型光纤探针；2.制作微透镜阵列；3.利用组装好的微透镜来捕获和探测荧光纳米颗粒；4.利用组装好的微透镜来捕获和探测大肠杆菌。

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种基于光子纳米喷射阵列的光学捕获和探测的装置及方法。

背景技术

传统光镊能有效地捕获和探测微米量级的微小粒子，但是由于其存在衍射极限，难以作用于纳米尺度的粒子，特别是无法实现高选择性、高效率和高精度地捕获和探测纳米颗粒及亚波长细胞。

等离激元光镊和光子晶体谐振腔利用纳米天线和光子晶体阵列，能有选择性和高效率地捕获和探测纳米粒子，但是容易产生热效应，对纳米颗粒特别是生物细胞造成难以恢复的光损害，而且，这些方法需要复杂的纳米结构和精准的纳米制造工艺。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供一种基于光子纳米喷射阵列的光学捕获和探测的装置及方法，解决了现有技术中存在的传统光镊无法高选择性、高效率和高精度地捕获和探测纳米颗粒及亚波长细胞的问题。

本发明所采用的技术方案是，基于光子纳米喷射阵列的光学捕获和探测的装置，包括显微镜，所述显微镜的载物台上设置有微流通道，所述微流通道由盖玻片和载玻片组成，所述微流通道内设置有两根光纤，两根所述光纤外部均套有玻璃毛细管，所述玻璃毛细管被固定在可调的光线调节架上，其中一根所述光纤的另一端连接有Y型的光纤耦合器，所述Y型的光纤耦合器的另外两臂分别连接光电探测器和光纤激光器，所述光电探测器的另一端连接示波器，另一根所述光纤的另一端连接有激光器。

本发明的特征还在于，

所述显微镜的顶部设置有电荷耦合元件，所述电荷耦合元件连接有电脑，所述显微镜的载物台上方设置有物镜。

本发明的另一技术方案是，基于光子纳米喷射阵列的光学捕获和探测的方法，具体步骤如下：

步骤1：制备用于捕获和探测的微型光纤探针；

步骤2：制作微透镜阵列；

步骤3：利用组装好的微透镜来捕获和探测荧光纳米颗粒；

步骤4：利用组装好的微透镜来捕获和探测大肠杆菌。

所述步骤1中的光纤探针由一根标准的多模光纤经熔融拉锥法制备而成，具体制备方法如下：

步骤1.1：用光纤剥线钳剥去光纤中间的涂覆层得到一段长为1～2厘米、直径为100～125微米的裸光纤；

步骤1.2：将步骤1.1制得的裸光纤套进一个内径为0.9～1.0毫米，壁厚为0.08～0.12毫米，长度为100～150毫米的玻璃毛细管中；

步骤1.3：把裸露的光纤水平放置于酒精灯上方的外焰处，在500～550度的条件下，静置35～45秒待光纤达到熔点后，以2毫米每秒的速度将熔融的部分拉细，当拉细的部分在1.6～1.8毫米的长度内直径为40～50微米时，将光纤拿离火焰，在常温下静止100～150秒，再用光纤切割刀将拉细的部分切断，即得光纤探针。

所述步骤2中的微透镜阵列为有规则的二维微透镜阵列，具体制作过程如下：

步骤2.1：将步骤1制得的光纤竖直地固定在光纤调节架上，使其断面朝上；

步骤2.2：用微型移液器将浓度为4.0～5.1×10⁴微粒/微升的聚苯乙烯微透镜悬浮液滴加在光纤端面；

步骤2.3：然后往光纤中通入波长为1310～1550纳米，功率为100～150毫瓦的激光；

步骤2.4：静置1.5～2.5分钟，微透镜悬浮液的水分被蒸干，微透镜会稳定地粘附在光纤端面，形成一个有规则的微透镜阵列。

所述步骤3的具体操作如下：

步骤3.1：将步骤2制得的光纤探针-微透镜阵列组合结构套着玻璃毛细管后，固定在可调的光纤调节架上；

步骤3.2：移动光纤调节架，将光纤探针的末端伸入微流通道中，并整体置于显微镜载物台上；

步骤3.3：用微型移液器吸取1～2毫升的直径180～190纳米荧光纳米颗粒悬浮液滴注入微流通道中；

步骤3.4：向步骤1制得的光纤探针中通入功率为50～100毫瓦，波长为750～1064纳米的激光；

步骤3.5：将另外一根光纤通过光纤调节架伸入微流通道，与捕获所用的光纤探针水平相对，然后把波长为398纳米的紫外激光通入此光纤中；

步骤3.6：在显微镜下实时观察到被捕获的荧光纳米颗粒。

所述步骤4的具体操作如下：

步骤4.1：用一只微型移液器将微流通道中的荧光纳米颗粒悬浮液吸出，用另一只微型移液器吸取1～2毫升的大肠杆菌悬浮液注入微流通道中；

步骤4.2：往光纤探针-微透镜阵列组合结构中通入激光；

步骤4.3：在显微镜下观察大肠杆菌细胞被捕获进光子纳米喷射时，后散射信号将会上升一个阶梯，通过观察信号阶梯的个数，实现高精度的细胞探测和计数。

所述步骤4.1中大肠杆菌悬浮液是由直径为380～420纳米，长度为2.0～2.6微米的大肠杆菌细胞用溶原性肉汤培养基在室温下培养，然后用磷酸缓冲液清洗并稀释至7.5～8.1×10⁴个每微升得到。

本发明的有益效果是

1.此光学捕获和探测的方法利用高度汇聚的光子纳米喷射阵列，突破传统方法的衍射极限，实现对纳米粒子的高选择性、高效率和高精度的光学捕获和探测。

2.此发明仅仅需要一根微型的光纤和一个微透镜阵列，避免了复杂的纳米结构和漫长的纳米制造过程，因此该装置结构简单、操作灵活。

3.该方法所需要的光功率比传统的方法低1-2个数量级，因此不会产生热效应，对生物样品也不会产生伤害。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明基于光子纳米喷射阵列的光学捕获和探测的装置及方法的装置图；

图2是本发明基于光子纳米喷射阵列的光学捕获和探测的装置及方法的实施例中微透镜阵列图；

其中，a为一根光纤探针端面组装了60个微透镜的光学显微照片图，b为一根光纤探针端面组装了130个微透镜光学显微照片图，c为光子纳米喷射阵列捕获纳米颗粒和细胞的示意图，d为荧光纳米颗粒的扫描电子显微镜照片图，e为荧光纳米颗粒的荧光照片图，f为大肠杆菌的扫描电子显微镜照片图。

图3是本发明基于光子纳米喷射阵列的光学捕获和探测的装置及方法的实施例中捕获和探测纳米颗粒的实验结果图；

其中，a为光子纳米喷射阵列捕获荧光纳米颗粒的实验照片图，b为光子纳米喷射阵列捕获大肠杆菌的实验照片图，c为捕获纳米颗粒过程中的后散射光信号图，d为对后散射光信号的每个阶梯进行高斯拟合的统计图。

图4是本发明基于光子纳米喷射阵列的光学捕获和探测的装置及方法的实施例中捕获和探测纳大肠杆菌的实验结果图。

其中，a为光子纳米喷射阵列捕获700纳米的颗粒和推动2微米的颗粒的实验照片图，b为2微米的颗粒被推动得更远的实验照片图，c为700纳米颗粒和2微米的颗粒运动的距离随时间的关系图，d为光子纳米喷射阵列捕获血液中的大肠杆菌和推动血红细胞的实验照片图，e为血红细胞被推动得更远的实验照片图，f为往光纤中通入紫外光将被捕获的大肠杆菌杀死的实验照片图，g为被捕获的大肠杆菌被全部杀死所用的时间与光功率之间的关系图。

其中，1.光纤耦合器，2.光电探测器，3.示波器，4.激光器，5.光纤，6.光纤激光器，7.电荷耦合元件，8.显微镜，9.物镜，10.电脑，11.玻璃毛细管，12.微流通道，13.盖玻片，14.载玻片，15.光纤调节架，16.载物台。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

基于光子纳米喷射阵列的光学捕获和探测的装置，如图1所示，包括显微镜8，所述显微镜8的载物台16上设置有微流通道12，所述微流通道12由盖玻片13和载玻片14组成，所述微流通道12内设置有两根光纤5，两根所述光纤5外部均套有玻璃毛细管11，所述玻璃毛细管11被固定在可调的光纤调节架15上，其中一根所述光纤5的另一端连接有Y型的光纤耦合器1，所述Y型的光纤耦合器1的另外两臂分别连接光电探测器2和光纤激光器6，所述光电探测器2的另一端连接示波器3，另一根所述光纤5的另一端连接有激光器4。

所述显微镜8的顶部设置有电荷耦合元件7，所述电荷耦合元件7连接有电脑10，所述显微镜8的载物台16上方设置有物镜9。

光纤调节架15的移动精度为50～60纳米，载物台16可以三维移动，精度为50～60纳米。

光纤激光器6为波长为808纳米的激光器，光纤激光器6接入Y型的光纤耦合器1的一臂，用于传输捕获光。

光电探测器2为InGaAs偏置的光电探测器，示波器3的型号为Tektronix TDS5052B，用于实时探测808纳米波长的后散射光而排除环境中可见光的干扰。

激光器4为波长为398纳米的激光器，用于激发荧光纳米颗粒。

物镜9的放大倍数为40～100倍。

显微镜9的数值孔径为0.25～0.73，工作距离为1.0～3.0毫米，用于观察和记录实验的过程。

显微镜9连接一台电荷耦合元件7，电荷耦合元件7连接电脑10，用于获取图像和视频。

基于光子纳米喷射阵列的光学捕获和探测方法，具体步骤如下：

步骤1：制备用于捕获和探测的微型光纤探针；

步骤2：制作微透镜阵列；

步骤3：利用组装好的微透镜来捕获和探测荧光纳米颗粒；

步骤4：利用组装好的微透镜来捕获和探测大肠杆菌。

具体操作如下：

步骤1：制备用于捕获和探测的微型光纤探针

微型光纤探针由一根标准的多模光纤经熔融拉锥法制备而成。

多模光纤芯径为62.5微米，包层直径为125微米，连接头类型为FC/PC；

具体的制备方法如下：用光纤剥线钳剥去光纤中间的一段2厘米的涂覆层后，将其套进一个玻璃毛细管中用于保护光纤，毛细管的内径为0.9毫米，壁厚为0.1毫米，长度为12厘米，然后把裸露的光纤平行放置于酒精灯上方的外焰处，静置40秒左右待光纤熔融后，借助双手以2毫米每秒的速度将熔融的部分拉制成直径约为45微米，长度约为1.6毫米细光纤，紧接着将光纤拿离火焰，在常温下静置2分钟，最后用光纤切割刀将拉细的部分切断。

光纤探针的直径可以通过拉制的速度和切割的位置来调控。

步骤2：制作微透镜阵列

利用光泳技术，在一根微型光纤探针的端面上，组装了一个有规则的二维微透镜阵列。

微型光纤的直径范围是20-50微米，微透镜直径为3-5微米。

为了整齐地组装微透镜阵列，先将光纤竖直地固定在光纤调节架上，使其断面朝上，用微型移液器将浓度为5.1×104微粒/微升的聚苯乙烯微透镜悬浮液滴加在光纤端面，然后往光纤中通入波长为1550纳米，功率为100毫瓦的激光，微透镜经过激光照射后产生光泳效应，开始汇聚到光纤端面的中心，并密集和整齐地排列在光纤端面，经过两分钟后，微透镜悬浮液的水分被蒸干，由于静电吸引，微透镜会稳定地粘附在光纤端面，形成一个有规则的微透镜阵列。

步骤3：利用组装好的微透镜来捕获和探测荧光纳米颗粒

将步骤2制得的光纤探针-微透镜阵列组合结构套着玻璃毛细管后，固定在可调的光纤调节架上，调节架的移动精度为50纳米。通过移动光纤调节架，将光纤探针的末端伸入微流通道中，并整体置于显微镜载物台上。用微型移液器吸取1～2毫升直径为180～190nm的荧光纳米颗粒悬浮液滴注入微流通道中。

向步骤1制得的光纤探针中通入功率为50-100毫瓦，750-1064纳米的激光；激光在经过光纤的传输到达微透镜阵列后，被汇聚成一束束亚波长的高斯光束阵列，每一个高斯光束会产生一个光强高度集中的光子纳米喷射，而每一个光子纳米喷射对荧光纳米颗粒都会产生光梯度力的作用，因此，每个光子纳米喷射都能稳定地捕获住一个荧光纳米颗粒。为了用显微镜观察被捕获的荧光纳米颗粒，将另外一根光纤通过光纤调节架伸入微流通道，与捕获所用的光纤探针水平相对，然后把波长为398纳米的紫外激光通入此光纤中，荧光纳米颗粒受到高能量的紫外激光的辐照后，会发射出绿色荧光，荧光经过物镜的收集进入显微镜中，因此，可以在显微镜下实时观察到被捕获的荧光纳米颗粒。一旦纳米颗粒被捕获，它们的后散射光信号能够被微透镜和光纤接收，并传输给光电探测器，然后示波器将光信号转化成电信号输出。当一个纳米颗粒被捕获进光子纳米喷射时，后散射信号将会上升一个阶梯，信号的抖动也会增大，通过观察信号阶梯的个数，实现高精度的颗粒探测和计数。

步骤4：利用组装好的微透镜来捕获和探测大肠杆菌

用微型移液器吸取少量的大肠杆菌悬浮液注入微流通道中，大肠杆菌细胞的平均直径为400纳米，平均长度为2.6微米，采用溶原性肉汤培养基在室温下培养，然后用磷酸缓冲液清洗并稀释至8.1×10⁴个每微升得到。

在被捕获之前，大肠杆菌在溶液中通过自身鞭毛自由游动，当往光纤探针-微透镜阵列组合结构中通入激光时，多个大肠杆菌细胞被稳定地捕获在光子纳米喷射中，并且大肠杆菌被捕获的方向与光的传输方向一致。当一个大肠杆菌细胞被捕获进光子纳米喷射时，后散射信号将会上升一个阶梯，通过观察信号阶梯的个数，实现高精度的细胞探测和计数。

实施例：

本实施例采用的微透镜是直径为3微米的聚苯乙烯微球，它具有较高的折射率和低的光学吸收，容易产生光子纳米喷射。

如图2(a)所示，有60个微透镜组装在直径为28微米的光纤探针上。

利用更大直径的光纤探针，能够组装更大范围的微透镜阵列，如图2(b)所示，在直径为45微米的光纤探针上组装了130个微透镜。

当激光通入光纤探针后，每个微透镜都会对光有强烈的汇聚，在微透镜的背后会产生一束束平行的亚波长的光束，称之为纳米喷射阵列，可用于捕获和探测纳米颗粒和亚波长细胞，如图2(c)的示意图所示，血液中的多个纳米颗粒和大肠杆菌细胞被选择性地捕获到纳米喷射阵列中，其后散射光信号被光纤所接收和探测。

整个装置基于一个微型光纤探针和微透镜阵列，使得该装置具有灵活性和可集成性，有利于在狭窄的空间，如血管、活体和生物芯片中工作。

本实施例用到的纳米颗粒为直径190纳米的荧光聚苯乙烯纳米颗粒，该颗粒的激发波长为398纳米，发射波长为518纳米，图2(d)为荧光纳米颗粒的电子显微镜图片，图2(e)为荧光纳米颗粒的荧光显微镜图片。实验中用到的生物细胞为大肠杆菌细胞，其平均直径为400纳米，平均长度为2.6微米，如图2(f)所示。

微型光纤探针由一根标准的多模光纤经熔融拉锥法制备而成。该多模光纤芯径为62.5微米，包层直径为125微米，连接头类型为FC/PC；具体的制备方法如下：用光纤剥线钳剥去光纤中间的一段2厘米的涂覆层后，将其套进一个玻璃毛细管中用于保护光纤，毛细管的内径为0.9毫米，壁厚为0.1毫米，长度为12厘米，然后把裸露的光纤平行放置于酒精灯上方的外焰处，静置40秒左右待光纤熔融后，借助双手以2毫米每秒的速度将熔融的部分拉制成直径约为45微米，长度约为1.6毫米细光纤，紧接着将光纤拿离火焰，在常温下静置2分钟，最后用光纤切割刀将拉细的部分切断。光纤探针的直径可以通过拉制的速度和切割的位置来调控。为了把微透镜整齐地组装在光纤探针端面，先将光纤竖直地固定在微调节架上，用微移液器将浓度为5.1×10⁴微粒/微升的微透镜悬浮液滴加在光纤端面，然后往光纤中通入波长为1550纳米，功率为100毫瓦的激光，微透镜经过激光照射后产生光泳效应，开始汇聚到光纤端面的中心，并整齐地排列在光纤端面，经过两分钟后，微透镜悬浮液的水分被蒸干，由于静电吸引，微透镜会稳定地粘附在光纤端面，形成一个有规则的微透镜阵列。

实验样品：纳米颗粒和细胞悬浮液用微型移液器滴到样品池中，使液滴完全浸没光纤末端，其中纳米颗粒的悬浮液的制备是先将颗粒的粉末用去离子水稀释(稀释比为1:1000)，然后超声五分钟使悬浮液均匀。

大肠杆菌细胞用溶原性肉汤培养基在室温下培养，然后用磷酸缓冲液清洗并稀释至8.1×104个每微升。人的血液取自一个健康成年志愿者的手指，抽取10微升并注入4毫升的磷酸缓冲液使血液稀释，此磷酸缓冲液中包含121.5毫摩尔的氯化钠，25.2毫摩尔的磷酸氢二钠和4.8毫摩尔磷酸二氢钾，其pH值为7.44。

捕获和探测纳米颗粒的实验结果如图3所示。往光纤中通入功率为60.2毫瓦，波长为808纳米的激光，光纤上组装的微透镜有60个，平均每个微透镜透过的激光功率约为1毫瓦，理论上每个透镜产生的光子纳米喷射的半高宽为360纳米，每个光子纳米喷射产生一个捕获光学势井，那么，每个捕获光学势井的光强度可估计为1.0毫瓦/(3602×π/4)平方纳米，也即是1.0×10¹⁰瓦每平方米。这个光强度比传统光镊低1-2个数量级，因此不会产生热效应，对生物样品也不会产生伤害。

图3(a)表示一列荧光纳米颗粒被捕获到光子纳米喷射阵列内，其中每个光子纳米喷射捕获一个纳米颗粒，这样使得探测的精度可以达到单个纳米颗粒。除了纳米颗粒之外，光子纳米喷射阵列还可以捕获亚波长细胞，如大肠杆菌细胞。

如图3(b)所示，多个大肠杆菌细胞被稳定地捕获在光子纳米喷射中，并且大肠杆菌被捕获的方向与光的传输方向一致。一旦纳米颗粒或者大肠杆菌细胞被捕获，它们的后散射光信号能够被微透镜和光纤接收，并传输给光电探测器，然后示波器将光信号转化成电信号输出。

如图3(c)所示，当一个纳米颗粒被捕获进光子纳米喷射时，后散射信号将会上升一个阶梯，信号的抖动也会增大，通过观察信号阶梯的个数，可以实现高精度的颗粒计数或细胞计数。

图3(d)所示的直方图表示每个阶梯信号的强度分布，可以看到信号呈高斯分布，证明纳米颗粒或者细胞被捕获在一个稳定的光学谐振势井中。

这种捕获纳米颗粒和细胞的方法具有选择性，因为不同大小的颗粒在光子纳米喷流中的受力行为不一样，较小的颗粒受到光梯度力，将会被捕获到微透镜附近，而较大的颗粒受到光散射力，将会被推着远离微透镜。

如图4(a)和图4(b)所示，当光纤探针伸入混有700纳米和2微米的聚苯乙烯颗粒的溶液里面时，700纳米的颗粒被捕获在光子纳米喷射阵列中，而2微米大小的颗粒被推离微透镜。

图4(c)表示两种不同大小的颗粒的运动距离随时间的变化，可以看出，一种颗粒是往正方向移动，另一种颗粒往反方向移动，它们之间的距离随着时间的增大而增大，因此能实现两种不同大小颗粒的光学分离。作为一个生物应用的例子，可以从血液中有选择地捕获大肠杆菌细胞。

如图4(d)～(f)所示，在t＝0秒时，光纤探针移动到血红细胞附近，血红细胞由于受到光散射力的作用而开始被推离透镜阵列，但是，大肠杆菌细胞由于受到光梯度力的作用而被稳定地捕获在微透镜阵列附近，如图4(d)。

经过0.9和2.1秒后，血红细胞离透镜阵列已经分别有10和20微米的距离，如图4(e)和图4(f)。

当血红细胞被推走后，往光纤中通入波长为253纳米的紫外激光，被捕获的大肠杆菌会被快速地杀死，而血红细胞不会受到伤害。细胞的活性可以用浓度为0.04％的台盼蓝溶液检验，被杀死的细胞将会被染成蓝色。

图4(g)表示在通入不同的功率的紫外线的情况下，被捕获的大肠杆菌全部被杀死的时间，按照此实施例步骤重复了五次取平均值，以避免偶然误差。

需要说明的是，在本文中，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。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。