一种具有稳定捕获功能的环纤芯鸟喙形光纤光镊系统的制作方法

一种具有稳定捕获功能的环纤芯鸟喙形光纤光镊系统
(一)技术领域
[0001]
本发明所涉及的是一种具有稳定捕获功能的环纤芯鸟喙形光纤光镊系统，属于光操控技术领域。
(二)

背景技术：

[0002]
自ashkin等人的开创性工作以来，光镊已成为生物和物理研究领域中最重要的研究工具之一。锥形光纤光镊工具(tofts)是一种重要的光学操控工具，广泛应用于微纳级粒子的捕获和多粒子的操纵，如微粒子的组织、细胞的图案形成等。在典型tofts中，采用抛光、热拉和化学蚀刻等制造方法将光纤尖端加工成锥形结构。近年来，人们对锥型光纤光镊的性能进行了大量的研究，实现非接触捕获、双粒子捕获和粒子旋转等。
[0003]
粒子捕获范围是光镊的重要性能指标之一。扩大粒子捕获范围有促进粒子捕获的实际应用，尤其能对生物化学、生物物理学方面的粒子操控产生巨大影响。而在以往的tofts研究中，光纤锥均为直锥：光场在直光纤锥的尖端向自由空间辐射并聚焦形成一个小而强的聚焦，产生一个强大的捕获力。而在直锥侧面的光场是非常微弱的倏逝波，只能对粒子产生微不足道的力。因此，一般情况下，直锥tofts只能捕获光纤锥尖端附近的小区域内的粒子。
[0004]
随着光纤的诞生以及光纤技术的不断发展，光纤光镊的发展也有了很大的进步。基于四芯螺旋光纤的光纤光镊及其制作方法(专利号：cn106094099a) 和一种基于波分复用技术的单光纤光镊(专利号：cn109254346b)是通过调节可调谐光源的出射光参数来控制微粒的捕获及移动。一种基于椭圆芯光纤的单光纤光镊(专利号：cn104698532a)和一种捕获位置横向可调的单光纤光镊(专利号：cn103996423a)是通过调节lp
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模光场形成光学势阱对微粒进行捕获。此外，申请人还可以通过改变光纤光镊的结构进行微粒捕获，如用二步法制备的具有二次锥角的光纤光镊探针(专利号：cn109212667a)中，是对光纤采用二次腐蚀获得在一定范围可控的二次锥角，能够提高捕获范围与捕获效率。
[0005]
但是上述所述的光纤光镊制备过程的工艺难度和工作效率不能同时满足要求，如一种基于波分复用技术的单光纤光镊(专利号：cn109254346b)和一种基于椭圆芯光纤的单光纤光镊(专利号：cn104698532a)，发明中的光纤光镊的制作工艺简单，但是只能实现轴向上或者光纤尖前方的细胞捕获和位置调整，应用范围有限。而一种捕获位置横向可调的单光纤光镊(专利号： cn103996423a)和用二步法制备的具有二次锥角的光纤光镊探针(专利号： cn109212667a)是采用化学腐蚀形成光纤探针，浓度比难以控制使得锥角的度数不易控制，极有可能出现误差。
[0006]
本发明提出的一种具有稳定捕获功能的环纤芯鸟喙形光纤光镊系统是增强光纤侧面倏逝场的有效方法。该发明中采用特殊工艺改变弯曲锥的曲率半径，能够增强光纤侧面的倏逝场分布，实现在光纤侧面进行多细胞的稳定捕获。与在先技术相比，采用鸟喙形光纤光镊，能够扩大细胞捕获的范围，提高捕获效率，并且可以结合细胞拉曼光谱检测技术对细胞特性进行检测，有助于科研和医学领域的进步。
(三)

技术实现要素：

[0007]
本发明提供了一种具有稳定捕获功能的环纤芯鸟喙形光纤光镊系统，包括鸟喙形光纤探针、940nm激光器、三维调节架、“凸”字形的样品凹槽、拉曼激光源、拉曼检测器以及含倒置显微镜在内的显微成像系统。
[0008]
本发明的目的在于提供一种具有稳定捕获功能的环纤芯鸟喙形光纤光镊系统，所述光纤光镊可用于多细胞的稳定捕获。
[0009]
本发明提供了一种具有稳定捕获功能的环纤芯鸟喙形光纤光镊系统，所述光纤光镊是前端为鸟喙形的光纤探针。
[0010]
本发明提供了一种具有稳定捕获功能的环纤芯鸟喙形光纤光镊系统，相比直锥，能够提高细胞的捕获效率，也就是增大在入射边界处每1w的光源功率下细胞所受的光学势阱力大小，即捕获效率表征的是光阱力的大小，因此存在捕获效率太低而无法实现细胞捕获的情况。
[0011]
本发明提供了一种具有稳定捕获功能的环纤芯鸟喙形光纤光镊系统，所述光纤是由涂覆层、外包层、环形纤芯以及内层二氧化硅层组成。其中，涂覆层半径为150μm，外包层半径为62.5μm，纤芯外半径为47μm，纤芯环厚5.2μm，内层二氧化硅层半径为41.8μm，外包层折射率为1.457，纤芯折射率为1.460，内层二氧化硅层为1.457。
[0012]
本发明提供了一种鸟喙形光纤探针，所述鸟喙形光纤探针的曲率半径表征的是弯曲锥尖较直锥中心的下落程度，下落程度越大，曲率半径越小。所述光纤的曲率半径在200μm～400μm之间。
[0013]
该发明提供的鸟喙形光纤探针的制备方法，具体如下：
[0014]
首先去除环纤芯光纤的涂覆层，然后用乙醇清洗后得到裸光纤。接着将裸光纤放置在一个非均匀热区(钨丝加热、电极加热，co2激光加热，h2/o2加热)中，对其进行非仿射变形，热端变形大，冷端变形小。非均匀变形的环形纤芯更容易在张应力面形成更大的倏逝场，形成鸟喙形特征光场，其倏逝场非对称分布于热区一侧。
[0015]
本发明采用的环纤芯鸟喙形光纤光镊系统通过改变弯曲锥的曲率半径进行多细胞的稳定捕获及特性检测，具体步骤如下：
[0016]
首先将940nm激光引入该光纤光镊，由于其光纤尖端弯曲的性质，光束会在弯曲端部不断折射会聚，增强光纤光镊侧表面的倏逝场分布，增大梯度光场，细胞所受的梯度力也会随之增大。由于细胞所受的梯度力大于其所受的散射力，因此细胞所受的光阱力将细胞稳定的束缚在光纤的侧表面。接着将鸟喙形光纤光镊移动到缓冲区，然后向鸟喙形光纤光镊耦合拉曼泵浦激光，最终在拉曼检测器上得到对应的拉曼频移，实现细胞检测的功能。另外由于光纤光镊侧表面上的多个位置处的倏逝场得到了增强，所以可以在其侧面的多个位置进行细胞的稳定捕获以及特性检测。
[0017]
本发明所述的环纤芯鸟喙形光纤光镊采用的是偏心熔接，即通过空间方法注入光源。环纤芯鸟喙形光纤探针采用模式变换耦合器将lp01高斯光斑变成 lp21，再通过自由空间进行准直耦合，将940nm激光耦合进环形纤芯，环纤芯光纤将激光输送到鸟喙形光纤探针。
[0018]
本发明至少具备以下独特而显著的优点：
[0019]
(1)该发明提出的一种具有稳定捕获功能的环纤芯鸟喙形光纤光镊系统，通过控
制弯曲锥的曲率半径来控制细胞捕获的位置以及数目，能够为细胞捕获提供更广的应用范围。
[0020]
(2)提出的一种具有稳定捕获功能的环纤芯鸟喙形光纤光镊系统，相对于其他已提出的同功能光纤光镊，本发明能够扩大细胞的捕获范围，不仅能在锥型光纤的尖端捕获细胞，而且还能在光纤光镊的侧面进行细胞捕获。
[0021]
(3)提出的一种具有稳定捕获功能的环纤芯鸟喙形光纤光镊系统，相对于单纤芯鸟喙形光纤光镊而言，本发明不仅能够在光镊侧表面捕获更多的细胞，而且还能进行更大粒径的细胞捕获。
(四)附图说明
[0022]
图1是鸟喙形光纤探针结构示意图。
[0023]
图2是环纤芯的横截面示意图。
[0024]
图3是制备鸟喙形光纤探针的装置图。
[0025]
图4是非均匀热场制备鸟喙形光纤探针的原理示意图。
[0026]
图5是一种具有稳定捕获功能的环纤芯鸟喙形光纤光镊系统示意图。
[0027]
图6是用一种具有稳定捕获功能的环纤芯鸟喙形光纤光镊系统进行细胞的稳定捕获及特性检测实验示意图。
[0028]
图7是不同粒径在弯曲半径为150μm的鸟喙形光纤光镊上的不同位置的捕获效率示意图。(五)具体实施案例
[0029]
本发明提供了一种具有稳定捕获功能的环纤芯鸟喙形光纤光镊系统，所述光纤光镊的前端为鸟喙形结构的光纤探针。
[0030]
如图1所示，所述光纤探针的尾部长18μm，锥长35μm，可根据工艺不同，形成不同弯曲程度的鸟喙形，上边为类抛物线形状，下边为平缓弧线的非对称结构。
[0031]
如图2所示，所述的环纤芯由涂覆层、外包层、环形纤芯以及内层二氧化硅层组成。其中，涂覆层半径为150μm，外包层半径为62.5μm，纤芯外半径为47μm，纤芯环厚5.2μm，内层二氧化硅层半径为41.8μm，外包层折射率为1.457，纤芯折射率为1.460，内层二氧化硅层为1.457。
[0032]
本发明提供了一种具有稳定捕获功能的环纤芯鸟喙形光纤光镊系统，如图3所示，所述的鸟喙形光纤探针的制备装置由砝码1、环纤芯光纤2、非均匀热场装置3以及控制台4组成。
[0033]
如图4所示，所述的鸟喙形光纤探针的制备方法，包括以下步骤：
[0034]
首先取一根环纤芯光纤，去除其涂覆层，并用乙醇清洗后得到裸光纤。接着，将处理过的光纤两端连接砝码1，放置在控制台4上，使光纤拉直。最后，将其放置在非均匀热场装置3产生的非均匀热场区(钨丝加热、电极加热，co2激光加热，h2/o2加热)中，对光纤进行非仿射变形。由于上端温度更高，所以光纤上端的变形程度比下端更大，非均匀变形的环形纤芯更容易在张应力面形成更大的倏逝场，形成鸟喙形特征光场。另外，由于光纤与非均匀热场之间存在温度差，因此会形成一个过渡区。而在过渡区与非均匀热场交接处，由于两处的温度差量不大，所以会形成一个均匀腰锥区。此时弯曲尖端区即可形成鸟喙形结构，其倏
逝场非均匀对称分布在热场一侧。
[0035]
如图5和图6所示，本发明所述光纤光镊系统包括环纤芯鸟喙形光纤探针11、940nm激光器5、三维调节架6、“凸”字形的样品凹槽7、拉曼激光源 8、拉曼检测器9以及含倒置显微镜在内的显微成像系统10。
[0036]
如图7所示，本发明采用曲率半径r＝150μm的鸟喙形光纤探针进行不同粒径细胞的稳定捕获。对鸟喙形光纤探针的前端进行标记，x＝15μm、20μm、 25μm、30μm、35μm分别标记为y
b1
、y
b2
、y
b3
、y
b4
、y
b5
。
[0037]
下面结合具体实施例对本发明所述的一种具有稳定捕获功能的环纤芯鸟喙形光纤光镊系统作进一步详细的介绍，本发明的技术方案包括但不限于以下实施例。
[0036]
实施例1在鸟喙形光纤探针y
b1
处进行不同粒径细胞的捕获
[0037]
在所述系统中，向环纤芯鸟喙形光纤通入波长为940nm的激光，在传输过程中由三维调节架进行调整，将鸟喙形光纤探针置于样品槽中，通过下方的倒置显微镜进行观察，最终通过显微成像系统在pc机上进行显示。如图7所示，在y
b1
处，由于粒径为4μm的细胞所受的梯度力小于其所受的散射力，二者的合力指向光传播的方向，因此不能在该位置被捕获，捕获效率ξ为14.73 pn/w。同理，粒径为5μm和6μm的细胞在该处也不能被捕获，捕获效率ξ为 17.07pn/w和19.39pn/w。
[0038]
实施例2在鸟喙形光纤探针y
b2
处进行不同粒径细胞的捕获
[0039]
如图7所示，在y
b2
处，粒径为4μm、5μm和6μm的细胞所受的梯度力小于其所受的散射力，二者的合力指向光传播的方向，因此不能在该位置被捕获，捕获效率ξ分别为42.47pn/w、49.41pn/w和56.05pn/w。
[0040]
实施例3在鸟喙形光纤探针y
b3
处进行不同粒径细胞的捕获
[0041]
如图7所示，在y
b3
处，粒径为4μm的细胞所受的梯度力大于其所受的散射力，二者的合力指向光场聚焦的位置，因此细胞在该位置能够被捕获，捕获效率ξ为104.60pn/w。同理，粒径为5μm和6μm的细胞在该处也能被捕获，捕获效率ξ分别为122.44pn/w和139.31pn/w。
[0042]
实施例4在鸟喙形光纤探针y
b4
处进行不同粒径细胞的捕获
[0043]
如图7所示，在y
b4
处，粒径为4μm、5μm和6μm的细胞所受的梯度力大于其所受的散射力，二者的合力指向光场聚焦的位置，因此可以在该位置被捕获，捕获效率ξ分别为170.12pn/w、195.70pn/w和220.00pn/w。
[0044]
实施例5在鸟喙形光纤探针y
b5
处进行不同粒径细胞的捕获
[0045]
如图7所示，在y
b5
处，粒径为4μm、5μm和6μm的细胞所受的梯度力小于其所受的散射力，二者的合力指向光传播的方向，因此不能在该位置被捕获，捕获效率ξ分别为73.16pn/w、64.04pn/w和64.04pn/w。