一种基于扫描式光镊的纳米颗粒筛选与分离装置

本发明涉及纳米颗粒筛选领域，特别是涉及一种基于扫描式光镊的纳米颗粒筛选与分离装置。

背景技术：

纳米粒子具有独特的光学和化学性质，在许多领域应用中发挥着越来越重要的作用。常见的对纳米粒子的光学操控在表面科学、胶体化学、微流体学、生物化学和医学等领域都有广泛的应用。如药物输送、纳米级光刻等领域。然而，纳米粒子的光学特性很大程度上取决于其尺寸大小和形状，并且各种不同应用领域对纳米粒子的尺寸的精度要求也不同，因此，对不同尺寸纳米粒子的分选进行研究显得很有必要。然而许多合成方法往往会产生较大的尺寸差异，或是对操作环境要求较高，复杂性较高。因此研究一个高精度并且操作简单的分选方式是许多研究者一直努力的目标。

目前，常见的分离技术如离心法、沉淀法，但动态分离范围受到限制，精度不高。化学分离法的分离过程过于复杂，且不可避免的会对被分离粒子产生损伤。而全光学的分离方式具有以高精度在无菌环境下分离各种纳米粒子的潜力，有着优秀的研究前景。目前已有的光学分选研究成果中，利用金属粒子的等离子体共振效应产生的红移分离不同尺寸的纳米粒子。或者是利用基于微纳加工技术制造特定的微流通道，来克服微流流动产生的影响后，再利用不同尺寸颗粒被光照射后产生的不同大小的散射力来实现分离。对于一般的介电粒子，如聚苯乙烯颗粒，可以使用光学色谱法，用光束宽度大于粒径的松散的聚焦激光垂直于微流流动方向入射，达到可以忽略梯度力的影响，而其受到的散射力以及斯托克斯力的大小取决于粒子的尺寸，从而不同尺寸的粒子会有不同的运动轨迹，达到分离效果。

虽然全光学的分选方式可以将对样品的损伤降到最低，但目前所报道的光学分选的研究中，大多都具有一定的局限性：对于一般的介电粒子，光学色谱法分离的范围跨度宽，精度低，多为微米级，且前提条件要求高，比如若样品粒子是分散在溶液中而非排列好时，其轨迹变化就不明显，也呈现不出分离效果。基于微纳加工技术制造微流通道的方法，对搭建实验环境所需要的制作工艺要求较高，增加了实验整体的复杂性。而可以达到较高分离精度的等离子体共振方法又只适用于金属粒子，对于一般的介电粒子并不适用。目前在光学分选研究领域，也多数都是关于金属粒子分选的研究，对一般的各向同性介电粒子的分选研究停留在微米级别，并且依赖于特定的尺寸的特性下产生的特殊的光学力才能成功实现。也就是说这很难应用到一般情况。

针对以上技术方案的不足之处，我们提出了一种无需复杂的工艺制造流程，对样品粒子的分布状态没有要求，对纳米级-亚微米级的一般的各向同性介电粒子实现的分离。对这些随机分散在水中的聚苯乙烯粒子，仅利用扫描光镊，实现在同种材料粒子光学性质相似的情况下，利用这些粒子尺寸的差异在光学上产生的显著差异，达到一个明显且清晰的分离效果。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于扫描式光镊的纳米颗粒筛选与分离装置，无需复杂的工艺制造流程，对样品粒子的分布状态没有要求，实现对纳米级-亚微米级的一般的各向同性介电粒子的分离。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于扫描式光镊的纳米颗粒筛选与分离装置，所述装置包括：

激光器、集成声光偏转器aod、扩束镜、二向色镜、显微镜、样品室、照明光源、反射镜、聚光镜和ccd相机；

所述激光器发射激光束依次经过所述aod调制、所述扩束镜扩束、所述二向色镜耦合垂直射入倒置的所述显微镜中，经所述倒置的显微镜聚焦到样品室中；

所述倒置的显微镜上方设置照明光源，所述照明光源透过所述倒置的显微镜和所述二向色镜，经过所述反射镜反射和所述聚光镜会聚到ccd相机中。

可选的，所述扩束镜具体包括第一扩束镜和第二扩束镜。

可选的，所述装置还包括：计算机，所述计算机与所述aod连接，所述计算机用于根据预先设定的捕获点位置，控制所述aod的偏转角度。

可选的，所述计算机采用tweez程序，通过所述tweez程序设置捕获点的位置、数量以及在光束在捕获点间的扫描频率。

可选的，所述激光器的最大输入功率为5w，所述激光束的波长为1064nm。

可选的，所述显微镜的数值孔径为0.7。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明中的上述技术方案提供了一个非常简易的分选方法，无需依赖制作出其他微型器件，只要基于扫描光镊且仅需要改变扫描频率便可实现双向分选；对样品粒子无需别的操作，它可以任意分散在样品溶液中，只要当捕获链移动到粒子附近，就能将其捕获并进行筛选；由于已有研究成果中对一般各向同性介电粒子的纳米级双向分选的研究成果很少，该技术方案为此填补了空缺。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例基于扫描式光镊的纳米颗粒筛选与分离装置结构示意图；

图2为本发明实施例实验原理图；

图3为本发明实施例以xt为中心的陷阱的扫描间距s沿扫描方向x的光强(i)分布示意图；

图4为本发明实施例暗场下聚苯乙烯(ps)离子的分选过程图像示意图。

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。

本发明的目的是提供一种基于扫描式光镊的纳米颗粒筛选与分离装置，无需复杂的工艺制造流程，对样品粒子的分布状态没有要求，实现对纳米级-亚微米级的一般的各向同性介电粒子的分离。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例基于扫描式光镊的纳米颗粒筛选与分离装置结构示意图，如图1所示，所述装置包括：

激光器、集成声光偏转器aod、扩束镜、二向色镜、显微镜、样品室、照明光源、反射镜、聚光镜和ccd相机；

所述激光器、集成声光偏转器aod、扩束镜以及二向色镜设置在同一水平面上，所述显微镜和所述样品室依次设置在所述二色镜的上方，所述反射镜设置在所述二色镜的正下方，聚光镜设置在所述反射镜的左侧，ccd相机设置在所述聚光镜的左侧。

所述激光器发射激光束依次经过所述aod调制、所述扩束镜扩束、所述二向色镜耦合垂直射入倒置的所述显微镜中，经数值孔径(na)为0.7的所述倒置的显微镜聚焦到样品室中；

所述倒置的显微镜上方设置照明光源，所述照明光源透过所述倒置的显微镜和所述二向色镜，二向色镜仅会反射特定波长的光(在此装置中是1064nm的激光)，因此照明光源会直接穿过二向色镜，再经反射镜反射和聚光镜会聚到ccd相机中，ccd相机记录显微镜下的样品室。

此外，本装置还包括一台计算机，计算机与aod连接，整个实验过程均由ccd相机实时监控并同步显示在计算机屏幕上，我们就能很清晰的观察实验过程中样品粒子运动状态的变化。

计算机上对实验过程的监控及操作都是通过tweez程序，由于aod与计算机直接连接，因此在该程序上可以直接设置光束的聚焦点(即捕获点)，其原理是软件后台根据使用者设置的捕获点位置(电脑屏幕上是将样品室中的一块区域放大显示，操作者在软件上可以设置屏幕上所显示的那片样品区域上的任意点为捕获点)，控制aod的偏转特定角度，使激光聚焦到使用者所设置的位置，该位置就是样品室中的位置。当使用者在软件上设置多个捕获点时，根据设置的先后顺序，aod会不停地在相应的角度之间偏转，聚焦光束就可在所设置的捕获点之间不停扫描，对其时空分布进行调制(转换频率在软件上可调，范围是100hz-100khz)。也就是说，tweez程序可直接设置捕获点的位置、数量、以及光束在其之间的扫描频率。

一般来说，研究者们使用扫描光镊主要用于同时捕获或操纵多个粒子或细胞，只需在样品被捕获后移动捕获点，就能移动粒子或细胞从而实现操控。这种应用无需特别注意光束在捕获点之间是如何扫描的和其扫描顺序。在这里，我们设计了一种扫描方式——“交错式扫描”，该方式利用了光在各个捕获点之间来回扫描所产生的时间差，影响了光力作用于粒子的时间，而光对粒子产生的光力大小又与粒子的尺寸密切相关，从而依靠该扫描方式分别对102nm和155nm聚苯乙烯混合样品、102nm和155nm聚苯乙烯混合样品、155nm和198nm聚苯乙烯混合样品的这三种情况成功实现了双向分选。

实验原理如图2所示，展示了如何根据阱的扫描方向发射粒子的过程。为方便理解，扫描位置按从左到右的顺序编号(p2k-3～p2k+5)。其中图2中的a部分假设粒子初始的捕获点是p2k+1。b部分当扫描到p2k+3时，粒子与捕获点之间的距离大约为xt-2s。c部分继续扫描到p2k+5及之后，粒子早已不在捕获点的作用范围之内，不再移动。d部分奇序列扫描完毕，重新回到最左端开始扫描偶序列，当扫描到p2k时，粒子与该不捕获点之间的距离大约为xt+s，光力会将粒子拉向p2k位置。我们设置了一条捕获链，这些圆点表示设置的扫描位置，每两个点之间的间距称为扫描间距s。按顺序依次给图中的点编号(p2k-3～p2k+5)，黑色的点组成奇序列，灰色的点组成偶序列。激光在这些点中来回扫描，只有当激光扫描到该点时，该点才具备捕获能力，激光离开，则该点暂时失效，等到激光再次扫描到该点时，重新激活，图2中xt表示处于激活状态的捕获点的位置。图3给出了以xt为中心的陷阱的扫描间距s沿扫描方向x的光强(i)分布以作参考。我们在次设置这条捕获链的扫描顺序为：从左到右先依次扫描黑点(…,p2k-3,p2k-1,p2k+1,p2k+3,p2k+5,…)，扫描到右端最后一个黑点后，再从左端开始依次扫描灰点(…,p2k-2,p2k,p2k+2,p2k+4,…)，扫描到右端最后一个灰点后，继续从左端开始向右扫描黑点，如此反复。

如图2中的a部分所示，假设当激光扫描到p2k+1时，粒子被捕获，因为是从左向右扫描的，下一个被扫描的点是p2k+3，当p2k+3被激活，此时粒子与捕获点的距离为xt-2s，从图3可以看出，此时粒子所处位置的光强较弱，也就是p2k+3对粒子产生较弱的光力。当扫描频率足够低，p2k+3有足够的时间将p2k+1的粒子拉过去，按这种规律下去，粒子将会跟随激光的扫描位置运动到捕获链的最右端。而当扫描频率快到一定速度时，由于粒子受到的光力较弱，且作用时间短，无法跟上激光的扫描速度，初始于p2k+1的粒子几乎停留在原地(如图2中的b部分-c部分)。等到奇序列扫描完毕，开始从左至右扫描偶序列。当扫描到p2k位置时，此时粒子与捕获点的距离大约为xt-s，参考图3可知此时粒子受到的光力较大，足以在很短的时间内将粒子拉向p2k(图2的d部分)。粒子被拉到p2k以后，下一次扫描的点是p2k+2，此时的情况就与第一轮扫描奇数序列一样，由于激活的捕获点p2k+2与粒子所在位置p2k距离为xt-2s，受到较弱的光力以及作用时间短，粒子无法跟上，便停留在p2k附近，等到偶序列扫描完毕，再次从左向右扫描奇序列到p2k-1时，粒子被拉向p2k-1，按照此规律，经过多次奇序列-偶序列的交错式扫描，粒子将会在光力的作用下运动到最左端。

当然以上是在给定特定粒子的情况下对该方法的描述。由于驱使粒子移动的主要是光力，光力又与粒子尺寸有着密切关系。当粒子的尺寸足够大时，受到的光力也就更大，这个力足以使粒子克服xt-2s的距离，在激光在xt作用的时间内将它拉过去。也就是说，由于粒子尺寸大，受到的光力足够使粒子跟上激光的扫描速度，从而一直运动到最右端。而尺寸小的粒子就向上一段中描述的那样移动到最左端。这样就实现了不同尺寸粒子的双向分选。并且对于任意两种尺寸的粒子混合样品，我们都有机会可以找到一个合适的扫描频率，使较大的粒子向右运动，较小的粒子向左运动。

实验证明

水溶液种聚苯乙烯纳米颗粒的双向分选实验结果如图4所示，图4为暗场下聚苯乙烯(ps)粒子的分选过程图像，虚线箭头为所设置的捕获链的位置，及从左向右的扫描方向，v为扫描频率。a部分为102nm和155nmps粒子在扫描频率v＝1khz情况下的分选图像。i为102nm的ps粒子，ii为155nm的ps粒子。b部分为155nm的ps粒子和198nm的ps粒子在v＝1.8khz的扫描频率情况下的分选图像。ii为155nm的ps，iii为198nm的ps。我们此次实验采用的是102nm、155nm、198nm的聚苯乙烯(ps)纳米颗粒。实验中，当扫描频率非常快时(实验从10khz开始往下调)，这几种尺寸的粒子均不能跟上扫描速度，而会停留在初始被捕获的位置。经过不断调节频率，实验中我们找到了分离效果最明显的频率，如图4所示，为在暗场镜头下用ccd相机拍摄的分选画面，图4中的a部分中所用的样品为102nm和155nmps的混合溶液，图4中的a部分中用的扫描频率为1khz，首先出现的是155nm的ps(图中均用ii表示)，它很快就随扫描方向运动到了最右端，而后来出现的102nm的ps(图中均用i)，也与我们预期的一样向左运动到最左端。成功实现了102nm和155nmps纳米颗粒的双向分选，频率低于1khz时，分离效果不明显，甚至会出现两种粒子均能向右运动的效果，这显然不符合我们所想达到的分离效果而图4中的b部分中所用的样品为155nmps和198nmps的混合溶液，155nm在扫描频率为1khz时是能跟的上激光的扫描速度而向右运动的(图4中a部分)，因此在这里我们调整了扫描频率，将扫描频率提高至1.8khz，很明显，此时155nm的ps跟不上激光的扫描速度，呈现向左的运动状态，而198nm的ps(图中均用iii表示)能向右运动，最终155nm和198nm的ps粒子分别会聚集在捕获链的最左端和最右端，成功实现了双向分选。

本发明还公开了如下技术效果：

本发明中的上述技术方案提供了一个非常简易的分选方法，无需依赖制作出其他微型器件，只要基于扫描光镊且仅需要改变扫描频率便可实现双向分选；对样品粒子无需别的操作，它可以任意分散在样品溶液中，只要当捕获链移动到粒子附近，就能将其捕获并进行筛选；由于已有研究成果中对一般各向同性介电粒子的纳米级双向分选的研究成果很少，该技术方案为此填补了空缺。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。