一种基于全息光镊原理清洗材料的装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于全息光镊原理清洗材料的装置及方法，此方法适合清洗一些贵重且体积极小的材料。就是利用空间光调制器(SLM)与荧光倒置显微镜构建全息光镊系统来对微粒进行捕获与操控。本方法具体如下：首先构建好全息光镊系统，该全息光镊系统可以对微粒进行捕获与操控。然后通过空间光调制器，让整形过的光束射入到显微镜里，通过调整望远系统以及显微镜的微调旋钮，让光束的焦平面在材料表面的上平面。最后调大激光器的功率就可以观察到吸附在材料表面的微粒被光束控制住并浮到焦平面来，使用纯水冲洗即可洗去杂质微粒。该发明操作简单，易于实现，在对实现无损害无污染的清洗化学材料，医学材料等领域有广阔的应用前景。
【专利说明】一种基于全息光镊原理清洗材料的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于全息光镊原理清洗材料的装置及方法。
【背景技术】
[0002]近年来光镊技术的应用领域越来越广，如如对细胞、细胞器及染色体进行捕获、分选、操纵、弯曲细胞骨架、克服分子马达力引起的细菌旋转动力、测定马达蛋白作用力、研究动力原蛋白运动机制、DNA分子的非弹性拉伸应变，以及对膜体系进行定量研究等等。
[0003]光镊采用激光实现对微粒的俘获与操纵，与样品之间没有机械接触，不会对样品产生机械损伤；不会对样品的周围环境产生污染与干扰，减少了检测中的不确定因素。光镊能够俘获与操控的微粒大小约是几十纳米到几十微米，而细胞、细胞器及生物大分子等生物微粒恰好属于这一范围，所以光镊技术特别适合生物微粒的俘获与操纵，同时对生物微粒的生命活动干扰极小，生物微粒生命活动变化能得到完整的保留，使研究者能实时观测，这是其它的研究方法所不具备的。另外，光镊的对微粒的作用不是刚性的，可以在操作过程中实时测量微粒间微小的相互作用力。
[0004]目前材料清洗的仪器在市面上主要以UV紫外光清洗机和超声波清洗器为主，这两类清洗仪器都有个共同的缺点，就是应用范围较窄，容易对特殊材料的表面产生损伤。
【发明内容】
[0005]为了克服目前一般方法只能对普通材料进行清洗而不能对特殊材料进行无损清洗的问题，本发明提供一种能够实现对材料无污染，无损伤且清洗时间短的清洗装置及方法。
[0006]为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是:一种基于全息光镊原理清洗材料的装置，包括激光发生装置、空间光调制器、傅里叶变换透镜、圆孔光阑、聚焦透镜、设有图像传感器的显微镜和计算机，所述的激光发生装置所发出的激光照射至空间光调制器上，计算机的输出端连接至空间光调制器的控制端以使空间光调制器形成全息图，空间光调制器反射加载了全息图的激光依次穿过傅里叶变换透镜、圆孔光阑和聚焦透镜，激光穿过显微镜的载物台上所放置的需清洗材料并照入显微镜的物镜中，显微镜通过图像传感器将激光成像图像输出至计算机中。
[0007]所述的一种基于全息光镊原理清洗材料的装置，所述的激光发生装置包括可调功率的激光器、用于使激光器所发出的激光成为点光源的扩束准直装置和用于使点光源成为平行光束的凸透镜，所述的激光器发出的激光依次穿过扩束准直装置和凸透镜后照射到空间光调制器上。
[0008]所述的一种基于全息光镊原理清洗材料的装置，所述的的显微镜为倒置显微镜。
[0009]所述的一种基于全息光镊原理清洗材料的装置，构建所述的空间光调制器所形成的全息图包括以下步骤，首先观测待清洗材料上的微粒，确定微粒之间平均间距的大小，然后绘制一个由均匀分布的点构成的点阵图片，点阵图片中各点间的间距不大于微粒间的平均间距，最后将点阵图片作为Gerchberg-Saxton Algorithm即GS算法的约束条件,运行GS算法即生成全息图。
[0010]所述的一种基于全息光镊原理清洗材料的装置，所述的傅里叶变换透镜的焦距为10_30cm。
[0011]所述的一种基于全息光镊原理清洗材料的装置，所述的圆孔光阑的孔径大小为2mm-28mm0
[0012]所述的一种基于全息光镊原理清洗材料的装置，所述的聚焦透镜的焦距与聚焦透镜与显微镜物镜的距离相同，以使穿过圆孔光阑的激光在显微镜的载物台上成像。
[0013]所述的装置来进行清洗材料的方法，包括以下步骤:
[0014]步骤一:首先观测待清洗材料上的微粒，确定微粒之间平均间距的大小，然后绘制一个由均匀分布的点构成的点阵图片，点阵图片中各点间的间距不大于微粒间的平均间距，最后将点阵图片作为Gerchberg-Saxton Algorithm即GS算法的约束条件,运行GS算法即生成全息图；
[0015]步骤二:打开激光发生装置和空间光调制器，并通过计算机将全息图输入至空间光调制器上，激光照射到空间光调制器上以加载全息图，然后经光路在显微镜上成像； [0016]步骤三:将待清洗的材料放置到显微镜的载物台上，调整激光发生装置功率直至从显微镜中看到杂物微粒被吸引离开材料表面到达激光光斑焦平面；
[0017]步骤四:用纯水冲洗材料以洗去杂物微粒。
[0018]本发明的技术效果在于，通过空间光调制器使激光加载点光矩阵全息图，让整形过的光束射入到显微镜里，通过光路调整，就可以使吸附在材料表面的杂质微粒快速的被光束控制住并浮到焦平面来，用纯水冲洗即可冲走杂质微粒，从而实现对材料无损伤，快速清洗杂物的目的。
[0019]下面结合附图对本发明作进一步说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为光镊清洗的几何光学原理图；
[0021]图2为本发明的装置示意图；
[0022]图3为本发明实施例中作为杂质微粒的聚苯乙烯小球示意图；
[0023]图4为激光光斑示意图；
[0024]图5为聚苯乙烯小球被吸附至焦平面的过程示意图。
[0025]其中，I为激光器、2为扩束准直装置、3为凸透镜、4为计算机、5为空间光调制器、6为傅里叶变换透镜、7为圆孔光阑、8为全反射镜、9为聚焦透镜、10为显微镜。
【具体实施方式】
[0026]对于直径大于波长的米氏散射粒子来说，俘获力的产生可通过光折射和动量守恒来分析。如果梯度力和散射力能够达到平衡，就能够实现对粒子的稳定俘获，这就形成了光镊的势阱。下面是由Ashkin给出的这些力的定量表达式:
r I 射^ , P ηη (._ ^ T2 [cos(2a - 2b) + R cos 2a\ i
[0027]散射力:Fs=^.|l + /?cos2c/— ~L V I~~1I
c1 + ^?' +2/? cos 2/)[0028]梯度力:
【权利要求】
1.一种基于全息光镊原理清洗材料的装置，其特征在于，包括激光发生装置、空间光调制器、傅里叶变换透镜、圆孔光阑、聚焦透镜、设有图像传感器的显微镜和计算机，所述的激光发生装置所发出的激光照射至空间光调制器上，计算机的输出端连接至空间光调制器的控制端以使空间光调制器形成全息图，空间光调制器反射加载了全息图的激光依次穿过傅里叶变换透镜、圆孔光阑和聚焦透镜，激光穿过显微镜的载物台上所放置的需清洗材料并照入显微镜的物镜中，显微镜通过图像传感器将激光成像图像输出至计算机中。
2.根据权利要求1所述的一种基于全息光镊原理清洗材料的装置，其特征在于，所述的激光发生装置包括可调功率的激光器、用于使激光器所发出的激光成为点光源的扩束准直装置和用于使点光源成为平行光束的凸透镜，所述的激光器发出的激光依次穿过扩束准直装置和凸透镜后照射到空间光调制器上。
3.根据权利要求1所述的一种基于全息光镊原理清洗材料的装置，其特征在于，所述的的显微镜为倒置显微镜。
4.根据权利要求1所述的一种基于全息光镊原理清洗材料的装置，其特征在于，构建所述的空间光调制器所形成的全息图包括以下步骤，首先观测待清洗材料上的微粒，确定微粒之间平均间距的大小，然后绘制一个由均匀分布的点构成的点阵图片，点阵图片中各点间的间距不大于微粒间的平均间距，最后将点阵图片作为Gerchberg-Saxton Algorithm即GS算法的约束条件，运行GS算法即生成全息图。
5.根据权利要求1所述的一种基于全息光镊原理清洗材料的装置，其特征在于，所述的傅里叶变换透镜的焦距为10-30cm。
6.根据权利要求1所述的一种基于全息光镊原理清洗材料的装置，其特征在于，所述的圆孔光阑的孔径大小为2mm-28mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于全息光镊原理清洗材料的装置，其特征在于，所述的聚焦透镜的焦距与聚焦透镜与显微镜物镜的距离相同，以使穿过圆孔光阑的激光在显微镜的载物台上成像。
8.一种采用如权利要求1-7任一所述的装置来进行清洗材料的方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一:首先观测待清洗材料上的微粒，确定微粒之间平均间距的大小，然后绘制一个由均匀分布的点构成的点阵图片，点阵图片中各点间的间距不大于微粒间的平均间距，最后将点阵图片作为Gerchberg-Saxton Algorithm即GS算法的约束条件,运行GS算法即生成全息图； 步骤二:打开激光发生装置和空间光调制器，并通过计算机将全息图输入至空间光调制器上，激光照射到空间光调制器上以加载全息图，然后经光路在显微镜上成像； 步骤三:将待清洗的材料放置到显微镜的载物台上，调整激光发生装置功率直至从显微镜中看到杂物微粒被吸引离开材料表面到达激光光斑焦平面； 步骤四:用纯水冲洗材料以洗去杂物微粒。
【文档编号】B08B7/00GK104001692SQ201410208403
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月16日 优先权日:2014年5月16日
【发明者】罗伟, 陶少华, 杨兵初 申请人:中南大学