液体表面微纳粒子定向操纵装置及操纵方法

1.本发明涉及微纳粒子操纵技术领域，特别涉及一种无侵入的液体表面微纳粒子定向操纵装置及操纵方法。


背景技术：

2.目前液体界面或透明生物膜表面的电介质或生物粒子的捕获和操纵在生命科学、医学、遗传工程学、化学、物理学、材料科学等领域均有及其重要且广阔的应用前景，如何能够无损的操纵各种条件的粒子具有十分重要的需求。
3.目前主要通过光镊、声镊、电磁镊、微纳结构等手段实现微纳粒子的操纵及捕获，尽管微纳粒子的操纵与捕捉技术在基础研究中广泛使用，但大多数方法需要复杂的实验装置并对于具体应用具有诸多限制。例如激光光斑与捕获的微纳粒子的直接相互作用会显著引起不必要的热效应；微柱加工制造较为复杂且具有较低效能。包括但不限于以上因素导致传统的微纳粒子的操纵与捕捉技术复杂，使用成本过高，使用不便。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出了一种液体表面微纳粒子定向操纵装置及操纵方法，利用光压引起液面弯曲产生毛细力，通过毛细力定向操纵及捕捉微纳粒子，因无需侵入微纳粒子，可实现对微纳粒子的无损操纵及捕捉。
5.为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
6.本发明提供的液体表面微纳粒子定向操纵装置，包括泵浦激光器和球形曲面透明容器；其中，球形曲面透明容器用于盛载液体；泵浦激光器位于球形曲面透明容器的下方，泵浦激光器用于发出泵浦光，泵浦光从球形曲面透明容器的底部入射至液体与空气的界面诱导产生突起，突起引发液体与空气的界面产生毛细力，微纳粒子受毛细力的吸引向突起移动，且在未到达突起的中心位置时毛细力变为排斥力，使微纳粒子停止运动。
7.优选地，液体表面微纳粒子定向操纵装置还包括n个反射镜，n≥2，其中，第一个反射镜位于泵浦激光器的出射方向上，其余的反射镜分别位于液体与空气的界面的全反射方向上，泵浦光经第一个反射镜的反射后以全反射角从球形曲面透明容器的底部入射至液体与空气的界面，并逐次全反射至其余的反射镜，在液体与空气的界面诱导出一个突起或多个突起。
8.优选地，在泵浦激光器与第一反射镜之间设置有环形角动量相位片或空间光调制器，以改变泵浦光的光斑形状。
9.优选地，液体表面微纳粒子定向操纵装置还包括探测激光器、第一分光镜、第三反射镜、光电探测器和示波器，第一分光镜位于探测激光器的出射方向上，第三反射镜位于第一分光镜的透射方向上，光电探测器位于第一分光镜的反射方向上，探测激光器用于探测干涉光，激光器发出的探测光经第一分光镜透射至第三反射镜，经第三反射镜的反射垂直入射至液体，探测光经液体与空气的界面的反射及经液体与球形曲面透明容器的界面的反
射形成干涉光，干涉光经第三反射镜反射至第一分光镜，经第一分光镜反射至光电探测器，光电探测器将接收到的干涉光转换为干涉电信号输入至示波器。
10.优选地，液体表面微纳粒子定向操纵装置进一步包括显示器和第二分光镜，第二分光镜位于第一分光镜的反射反向上，显示器位于第二分光镜的反射方向上，示波器位于第二分光镜的透射方向上，干涉光经第一分光镜反射至第二分光镜，干涉光的一部分反射至显示器，进行干涉条纹显示，干涉光的另一部分透射至光电探测器，被转换成干涉电信号输入至示波器。
11.优选地，泵浦光为绿光，探测光为红光。
12.本发明提供的液体表面微纳粒子定向操纵方法，包括如下步骤：
13.s1、泵浦激光器发出泵浦光，泵浦光从球形曲面透明容器的底部入射至液体与空气的界面诱导产生突起，突起引发液体与空气的界面产生毛细力；
14.s2、微纳粒子受毛细力的吸引向突起移动，且在未到达突起的中心位置时毛细力变为排斥力，使微纳粒子停止运动。
15.优选地，在步骤s2之后，还包括如下步骤：
16.s3、探测激光器发出探测光，探测光经第一分光镜透射至第三反射镜，经第三反射镜的反射垂直入射至突起；
17.s4、探测光经突起的反射及经液体与球形曲面透明容器的界面的反射形成干涉光；
18.s5、干涉光经第三反射镜反射至第一分光镜，经第一分光镜反射至光电探测器，光电探测器将接收到的干涉光转换为干涉电信号输入至示波器。
19.s6、通过对示波器的信号分析，根据下式测得突起的变形量h：
[0020][0021]
其中，n表示液体的折射率，λ表示探测光的波长。
[0022]
优选地，通过移动第三反射镜，改变探测光在液体与空气的界面的入射位置，获得液体与空气的界面上不同位置的干涉条纹。
[0023]
优选地，通过环形角动量相位片或空间光调制器调整泵浦光的光斑形状，以及通过泵浦光激光器调整泵浦光的能量，改变突起的形状。
[0024]
本发明能够取得以下技术效果：
[0025]
1、由突起引起液面发生弯曲，产生毛细力，该毛细力最开始体现为吸引力，推动微纳粒子向突起处移动，但在接近突起位置时，由于液面的曲率梯度变化到临界位置，毛细力由吸引力转变为排斥力而使微纳粒子停止运动，实现对微纳粒子的操纵和捕捉，由于微纳粒子未直接受到泵浦光的直接照射，因此可以避免微纳粒子受到损伤。
[0026]
2、通过调节泵浦光的功率、光斑尺寸和偏振改变液面的形变，调整液面的曲率梯度，实现对微纳粒子不同位置和方向的定向操纵和捕捉；
[0027]
3、通过探测光利用干涉测量技术可以实现突起及液面上任一位置的变形量。
[0028]
4、相比现有的微纳粒子的操纵与捕捉设备，结构简单、使用方便、造价便宜。
附图说明
[0029]
图1是根据本发明实施例的液体表面微纳粒子定向操纵装置的结构示意图；
[0030]
图2a是根据本发明实施例的针对不同液体的突起的对比图；
[0031]
图2b是图2a中各突起所产生的曲率梯度的变化图；
[0032]
图3a是根据本发明实施例的针对不同直径的泵浦光诱导产生的突起的对比图；
[0033]
图3b是图3a中各突起所产生的曲率梯度的变化图；
[0034]
图4是根据本发明实施例的双泵浦光诱导产生的突起的对比及各突起所产生的曲率梯度的变化图；
[0035]
图5是根据本发明实施例的微纳粒子的移动轨迹图；
[0036]
图6是根据本发明实施例的液体表面微纳粒子定向操纵方法的流程示意图。
[0037]
其中的附图标记包括：球形曲面透明容器1、泵浦激光器2、液体3、突起4、微纳粒子5、第一反射镜6、第二反射镜7、探测激光器8、第一分光镜9、第二分光镜10、显示器11、第三反射镜12、光电探测器13、示波器14、激光关闭器15、环形角动量相位片16、cmos相机17、控制器18。
具体实施方式
[0038]
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
[0039]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
[0040]
以下将结合附图对本发明的实施例的具体方案进行详细描述。
[0041]
图1示出了根据本发明实施例的液体表面微纳粒子定向操纵装置的结构。
[0042]
如图1所示，本发明实施例的液体表面微纳粒子定向操纵装置包括球形曲面透明容器1和泵浦激光器2，球形曲面透明容器1用于盛载液体，泵浦激光器2位于球形曲面透明容器1的下方，泵浦激光器2用于发出泵浦光，泵浦光从球形曲面透明容器1的底部入射至液体的表面。
[0043]
泵浦激光器2发出的泵浦光为高斯光束，高斯光束的聚焦处为束腰，泵浦激光器2的出射由激光关闭器15进行控制。
[0044]
球形曲面透明容器1为透明材质的容器，例如玻璃、亚克力板等透明材质，便于泵浦光穿过容器照射到液体上。球形曲面透明容器1的球形曲面是指透明容器的底面为规则的曲面，而非类似波浪线的不规则曲面，避免泵浦光入射至球形曲面透明容器1的底部时出现散射情况。
[0045]
球形曲面透明容器1选择较大的曲率半径，保证球形曲面透明容器1的容器壁不会影响由泵浦激光器2出光产生的弯月效应(液体表面张力受容器表面能的影响，液体在容器中避免不是垂直的，而是弯月形状)，由于球形曲面透明容器1的尺寸有限，液体3实际为液滴，液滴的中心高度小于2mm，直径在20mm左右。
[0046]
液体3的表面为液体3与空气的界面，当泵浦光从球形曲面透明容器1的底部入射
至液体3的表面时，利用泵浦光的光压使液体3与空气的界面产生光动量，从而在液体3与空气的界面诱导出突起4，突起4与光压会引发液体与空气的界面发生弯曲，最终在液体3与空气的界面产生毛细力，毛细力对液体表面的微纳粒子5(微米粒子或纳米粒子)最先表现为吸引力，吸引微纳粒子向突起4移动，但微纳粒子5在接近突起4位置时，由于液面的曲率梯度变化到临界位置，导致毛细力由吸引力转变为排斥力，使微纳粒子5受到排斥力而停止运动，此时微纳粒子5未到达突起4的中心位置，泵浦光无法直接照射到微纳粒子5，避免微纳粒子5受到损伤。
[0047]
图5示出了根据本发明实施例的微纳粒子的移动轨迹。
[0048]
如图5所示，微纳粒子5被吸引到突起4的完整轨迹，可以看到微纳粒子在时间和空间的相对位置关系符合四分之一次方率，说明微纳粒子的运动轨迹是非线性的，而是呈现四分之一次方的关系，便于预测微纳粒子的运动轨迹。
[0049]
本发明通过毛细力主导微纳粒子5的操纵与捕捉，而毛细力由突起4在液面产生的曲面梯度提供，也就是说，突起4会引起液面发生弯曲，产生曲面梯度，最终在液面产生毛细力。通过调整液面的曲面梯度能够改变毛细能，实现对微纳粒子5的操纵。
[0050]
调整液面的曲面梯度的方式为：通过改变泵浦光的光斑直径、泵浦光的光功率和泵浦光的偏振等方式调整曲面梯度。更陡峭的曲率梯度会产生更大的毛细能。1μm的突起可以操纵2μm的微纳粒子，1μm的突起所产生的毛细能相当于250μm微柱对2μm微纳粒子产生的毛细能。
[0051]
不同液体3的表面张力不同，所引起的突起的高度也不同，通过变换液体3可以产生不同高度的突起。
[0052]
本发明实施例针对在同样的泵浦光功率和束腰半径的情况下，通过变换不同的液体10所诱导的突起进行了研究，研究结果如图2a和图2b所示，表面张力为0.035n/m的液体由4.2w泵浦光功率和7μm的当量束腰半径情况下引起的突起的高度与表面张力为0.075n/m的液体由4.2w泵浦光功率和7μm的束腰半径情况下引起的突起的高度不同，从图2a和图2b中可以看出，液体的表面张力越大，突起的高度越低，在泵浦光的光斑中心位置不管液体的表面张力如何变化，突起的高度始终最大，此外由液体表面的曲率梯度变化可以看出，液体的表面张力越低，对应于泵浦光照射区域的曲率梯度越大。
[0053]
本发明实施例还针对在不同泵浦光的束腰半径、相同的液体和泵浦光功率的情况下，对诱导产生的突起进行了研究，研究结果如图3a和图3b所示，当液体为水，在泵浦光功率为4.2w的情况下，分别对束腰半径为10μm、15μm、20μm的泵浦光所诱导的突起进行干涉测量，测量结果表明当束腰半径为10μm时，突起的极限高度接近1μm，当束腰半径为15μm时，突起的极限高度为800nm，当束腰半径为20μm时，突起的极限高度约为750μm，并且可以看出当束腰半径为10μm时，突起产生的曲度梯度最大，并且随着束腰半径的增加，突起产生的曲度梯度逐渐变小，并且给出微纳粒子的捕捉区。
[0054]
上述提供的液体表面微纳粒子定向操纵装置的结构，只能在液体的表面诱导出一个突起，形成单峰式粒子捕捉区域，为了利于微纳粒子的捕捉，还可以通过增加结构在液体的表面诱导出两个突起或是更多的突起，形成双峰式粒子捕捉区域、三峰式粒子捕捉区域等不同形状的粒子捕捉区域，进而实现精准有效的粒子操纵。
[0055]
为了形成更多的突起，液体表面微纳粒子定向操纵装置还包括n个反射镜，n≥2，
第一个反射镜设置在泵浦激光器2的出射方向上，其余的反射镜分别设置在液体3与空气的界面的全反射方向上。下面以双峰式粒子捕捉区域为例进行说明，其他形状的粒子捕捉区域同理可知。
[0056]
为了诱导出两个突起，液体表面微纳粒子定向操纵装置还包括第一反射镜6和第二反射镜7，第一反射镜6位于泵浦激光器2的出射方向上，第二反射镜7位于液体与空气的界面的全反射方向上，泵浦光经第一反射镜6的反射后以全反射角从球形曲面透明容器1的底部入射至液体3与空气的界面诱导产生第一个突起，并全反射至第二反射镜7，经第二反射镜7的反射再次入射至液体3与空气的界面诱导产生第二个突起，两个突起之间的区域形成捕捉微纳粒子5的双峰式粒子捕捉区。
[0057]
图4示出了根据本发明实施例的双泵浦光诱导产生的突起的对比及各突起所产生的曲率梯度的变化。
[0058]
如图4所示，当液体为水、泵浦光功率为4.2w、束腰半径为20μm的情况下，可以看到在液体与空气的界面上形成两个突起，两个突起中间的区域为双峰式粒子捕捉区，微纳粒子在双峰式粒子捕捉区内更容易捕捉。
[0059]
由于反射的存在，泵浦光反射后诱导产生的突起稍稍低于直接诱导产生的突起，使粒子捕捉区形成具有方向性的曲率梯度，该具有方向性的曲率梯度可以更好的操纵由毛细力主导的微纳粒子。
[0060]
并且可以通过调整第二反射镜7的角度，改变两束泵浦光之间的距离，缩小或者扩大粒子捕捉区域的范围，或者通过多束泵浦光或光束能量的时空分布来调整突起的形状，进而实现不同区域内微纳粒子的捕捉和操纵。
[0061]
还可以通过调节第二反射镜7的角度，使第一反射镜6和第二反射镜7反射的泵浦光作用在液面的同一个位置，此时只形成一个突起，第二反射镜7反射的泵浦光用于对该突起进行加强。
[0062]
本发明还可以设置多个反射镜，使形成的多个突起围在一起，形成环形粒子捕捉区域。
[0063]
n个反射镜均安装在调节机构上，通过控制调节机构调节各个反射镜的角度和方向。
[0064]
通过改变泵浦光的光束能量能够改变突起4的形状大小，而改变突起4的形状，则要通过改变泵浦光的光斑形状实现，本发明的示例中，在泵浦激光器2与第一反射镜6设置环形角动量相位片16，通过环形角动量相位片16改变泵浦光的光斑形状，从而改变形成的突起4的形状。当然，环形角动量相位片16可以替换为空间光调制器等可以改变光斑形状的调制器件。
[0065]
为了实现对突起或液面上任意位置的探测，本发明实施例提供的液体表面微纳粒子定向操纵装置进一步包括探测激光器8、第一分光镜9、第二分光镜10、显示器11、第三反射镜12、光电探测器13和示波器14，第一分光镜9位于探测激光器8的出射方向上，第二分光镜10位于第一分光镜9的反射反向上，显示器11位于第二分光镜10的反射方向上，第三反射镜12位于第一分光镜9的透射反向上，光电探测器13位于第一分光镜9的反射反向上，示波器14位于第二分光镜10的透射方向上，由示波器2采集激光关闭器15的位置信号。
[0066]
探测激光器8发出的探测光经第一分光镜9透射至第三反射镜12，经第三反射镜12
的反射垂直入射至突起4，探测光经液体3与空气的界面的反射及经液体3与球形曲面透明容器1的界面的反射形成干涉光，干涉光经第三反射镜12反射至第一分光镜9，再经第一分光镜9反射至第二分光镜10，干涉光的一部分反射至显示器11，在显示屏11上形成牛顿环型条纹图案，干涉光的另一部分透射至光电探测器13，被转换成干涉电信号输入至示波器14。
[0067]
通过对示波器14的信号分析，可以测得突起的变形量h：
[0068][0069]
其中，n表示所述液体的折射率，λ表示所述探测光的波长。
[0070]
通过移动第三反射镜12，可以调整探测光入射到液体3与空气界面的位置，获得液体3与空气界面不同位置的干涉条纹，即获得液体3与空气界面任意位置的变形量。
[0071]
液体3选择对探测光具有高透过率的液体，例如水等液体，可以在液体中添加化学成分，改变液体的表面张力，产生不同高度的突起，例如在水中添加十二烷基硫酸钠。
[0072]
当液体3为水滴时，泵浦激光器2优选为绿光激光器。由于水对泵浦激光器2发出的绿光具有较高的透过率，可以极大地减少在激光照射过程中的热效应，减少突起4因热效应带来的影响。
[0073]
由于液体3在球形曲面透明容器1会自然蒸发，液体3的高度逐渐减小，影响干涉条纹的稳定性。为了提高干涉条纹的稳定性，在球形曲面透明容器1的开口盖有透明容器盖，减少液体3的自然蒸发，保证干涉条纹的稳定性。
[0074]
由于球形曲面透明容器1的曲率半径会直接影响干涉测量结果，曲率半径的理想值为100cm，如果使用过大曲率半径的球形曲面透明容器1，会导致干涉测量结果过小，如果使用曲率半径过小的球形曲面透明容器1，会导致测量结果过大，因此选择曲率半径为100cm左右的球形曲面透明容器1。
[0075]
为了使对微纳粒子操纵的闭环控制，本发明实施例提供的液体表面微纳粒子定向操纵装置还包括相连接的cmos相机17和控制器18，cmos相机17设置在球形曲面透明容器1的上方，用于采集微纳粒子5的运动轨迹并传送至控制器18，控制器18还与激光关闭器15、环形角动量相位片16、第一反射镜6的调节机构连接，用于根据预设的运动轨迹与微纳粒子5实际的运动轨迹生成控制信号，并将该控制信号分别传送至激光关闭器15、环形角动量相位片16、第一反射镜6的调节机构，调整泵浦光的能量时空分布，对微纳粒子5进行精确操纵，使其按照预设的运动轨迹进行运动。
[0076]
上述内容详细说明了本发明实施例提供的液体表面微纳粒子定向操纵装置即工作原理，本发明实施例还提供一种利用液体表面微纳粒子定向操纵装置对微纳粒子进行定向操纵的方法。
[0077]
图6示出了根据本发明实施例的液体表面微纳粒子定向操纵方法的流程。
[0078]
如图6所示，本发明实施例的液体表面微纳粒子定向操纵方法，包括如下步骤：
[0079]
s1、泵浦激光器发出泵浦光，泵浦光从球形曲面透明容器的底部入射至液体与空气的界面诱导产生突起，突起引发液体与空气的界面产生毛细力。
[0080]
利用泵浦光的光压使液体与空气的界面产生光动量，从而在液体与空气的界面诱导出突起，突起与光压会引发液体与空气的界面发生弯曲，最终在液体与空气的界面产生毛细力。
[0081]
s2、微纳粒子受毛细力的吸引向突起移动，且在未到达突起的中心位置时毛细力变为排斥力，使微纳粒子停止运动。
[0082]
毛细力对液体表面的微纳粒子(微米粒子或纳米粒子)最先表现为吸引力，吸引微纳粒子向突起移动，但微纳粒子在接近突起位置时，由于液面的曲率梯度变化到临界位置，导致毛细力由吸引力转变为排斥力，使微纳粒子受到排斥力而停止运动，此时微纳粒子未到达突起位置，泵浦光无法直接照射到微纳粒子，避免微纳粒子受到损伤。
[0083]
本发明实施例还可以通过增加反射镜，在液体与空气的界面上诱导出多个突起，形成不同形状的粒子捕捉区，例如：双峰式粒子捕捉区域、三峰式粒子捕捉区域、环形粒子捕捉区域等等，具体参见上述关于n反射镜的相关描述，在此不再赘述。
[0084]
优选地，在步骤s2之后，还包括如下步骤：
[0085]
s3、探测激光器发出探测光，探测光经第一分光镜透射至第三反射镜，经第三反射镜的反射垂直入射至突起。
[0086]
s4、探测光经突起的反射及经液体与球形曲面透明容器的界面的反射形成干涉光。
[0087]
s5、干涉光经第三反射镜反射至第一分光镜，经第一分光镜反射至光电探测器，光电探测器将接收到的干涉光转换为干涉电信号输入至示波器。
[0088]
s6、通过对示波器的信号分析，可以测的突起的高度突起的变形量h：
[0089][0090]
其中，n表示液体的折射率，λ表示探测光的波长。
[0091]
本发明的一个具体示例中，通过移动第三反射镜，改变探测光在液体与空气的界面的入射位置，获得液体与空气的界面上不同位置的干涉条纹。
[0092]
本发明的另一个具体示例中，通过环形角动量相位片或空间光调制器调整泵浦光的光斑形状，以及通过泵浦光激光器调整泵浦光的能量，改变突起的形状。
[0093]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0094]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
[0095]
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。