(一)本发明涉及的是一种基于全光纤光流控微粒操纵系统。主要用于生物细胞、纳米团簇、胶体颗粒、介质颗粒等微小粒子的动态调控，包括但不仅限于捕获、输运、振荡、旋转和组装等等，属于光流控。
背景技术：
：：0、(二)
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：1、1986年，美国的科学家ashkin和他的同事首次提出光镊[optical letters,18(5):288-290,1986]这个概念，开拓了光捕获微粒研究的新领域。光镊技术使用汇聚激光束形成的光学势阱，对尺度在微米或者纳米量级的微粒进行非入侵式的捕获和操控，对微粒不会产生机械损伤，因而几乎不影响粒子的周围生物环境；光镊技术主要分为两个类别：传统光镊技术和光纤光镊技术。传统的光镊通常是基于光学显微镜系统来进行微粒操纵，虽然技术成熟，但是其结构复杂，体积庞大、造价昂贵且自由度小；光纤光镊系统是利用光的反射原理，在经处理后的光纤端面处改变出射光的传播方向从而形成汇聚光学势阱实现微粒的微操控；光纤光镊形成的光阱操纵灵活，系统自由度大。其用于细胞操作的非接触力，精确到100an的力分辨率以及对液体介质环境的亲和力，可以将其应用于外来物质输送到单细胞、细胞群特定形状的组装以及在微流体系统中对细胞进行分选等组织工程和再生医学生物领域。2、微流控技术作为一种可以精确控制和操控微尺度流体，又称其为芯片实验室(lab-on-a-chip)或微流控芯片技术。近些年来，微流控技术发展迅速，它将生物化学等领域中基本的操作，如样品的制备检测及微生物的培养挑选等，集成在几平方厘米的器件上，由微通道内的可控流体贯穿整个系统，自动完成分析全过程；微流控芯片是通过微加工工艺在硅、金属、高分子聚合物、玻璃等材质的基片上，加工出微米至亚毫米级的流体通道、反应或检测腔室、过滤器或传感器等各种微结构单元，而后在微米尺度空间对流体进行操控，配合流体控制或分析仪器自动完成生物实验室中的提取、扩增、萃取、标记、分离、分析，或者细胞的培养、处理、分选、裂解、分离分析等过程。3、作为一种探索微观世界的科学研究工具，光镊技术经过多年的发展与探索，其中的光纤光镊部分已然成为光镊技术中一项重要的研究分支；为了克服传统光纤光镊技术的不足，1993年constable及其同事利用光纤易于制造、灵活性高、操作系统与观测系统相分离等优点提出光纤光镊[optical letters,18(21)：1867-1869，1993]的概念,但在早期探索研究中，研究者们采用的是两根正对的单模光纤实现粒子的捕获与操作，然而在捕获过程中对光纤与微粒的位置提出了苛刻要求使得实际操作中光纤光镊技术系统并不灵活；1997年taguchi等人为了实现光镊对目标物体灵活控制的目标，提出了基于光纤的光学微操手[electronics letters,33(5):413-414,1997]，利用多芯光纤、环形芯光纤、同轴双波导光纤等特殊结构的光纤通过光纤微加工实现对目标粒子的旋转、输运、振动等功能，这大大提高了光纤光镊粒子捕获的灵活性和功能丰富性，扩展了光纤对粒子的操作方式；随着人们对光纤光镊研究以及微粒子操纵、探测等相关技术的深入，不同的光学操纵对象和不同的操纵环境要求对光纤光镊的操纵性能提出了更高的要求。4、随着微流控技术的发展以及静态液体环境中光镊的特定的局限性，例如操控颗粒的速度较低，需要移动光束到达颗粒所在位置，功能局限在捕获、移动和定位等，研究者们提出了光学操控与微流控相结合的操控方式，即光流控光镊技术；光流控光镊技术在微流控芯片的基础上在微通道中引入光镊，兼具微流控有效传输颗粒的优点，为光镊技术注入了新的活力，可以实现高效分离颗粒等更多的功能；2019年zhu.j.m等人总结了异质介质中独特的流体动力学特性，如分子扩散、热传导、离心效应、光物质相互作用等对光的调制，通过理解光和流动液体相互作用产生的新现象，介绍了大量可调谐和可重构的光流体器件，如波导、透镜和激光器[opto-electronic advances,2(11):1-10,2019]，这些研究使得光流控技术在生物化学分析和环境监测方面为高效、高质量的芯片上实验室系统提供更好的解决方案；基于微流芯片的光流控光镊技术详尽的探究光与微流之间的作用关系，但微流芯片的成本较高且一个微流芯片只能探究固定微流力下的光与微流关系，自由度小，因此如何摆脱微流芯片的限制作用，在更灵活更多自由度的基础上探究光与微流力的关系就成为研究者们努力的方向。5、为了提高光流控研究时的灵活性，设计了以自由液滴为操作环境的光流控光镊；利用出射光照射在液滴的液面与空气的交界面时制造的局部热场来产生相应的微流力，通过构造的微流力与出射光学力场之间的平衡关系实现对微粒如旋转、曲线输运、微粒组装等方面的操控；通过对光纤数量、光纤位置、液滴形状等相关因素的调控可以产生不同的独立微流力或者多个微流力叠加后的复合微流力，实现不同的微流力的构建；通过对激光功率、激光脉冲形式等因素的调控可以产生不同的出射光场，实现不同的光学力场的构建；本发明提出的全光纤光流控粒子操控技术可通过微流力与光学力场之间的不同搭配对微粒操控产生不同的操纵效果，如微粒旋转，微粒曲线运输、微粒自组装等。技术实现思路0、(三)技术实现要素：1、本发明的目的在于提供一种全光纤光流控微粒操控系统。2、本发明的目的是这样实现的：3、全光纤光流控微粒操纵系统是包括光电探测装置(1)、激光器(2)、输入光纤(5)、输入光纤末端结构(6)以及样品池(7)；利用出射光场(10)照射在液滴(9)的液面与空气的交界面时会产生热场(11)，对于液滴(9)两相界面处的液体来说，温度不同会影响液体的表面张力变化，温度越高液体表面张力越小，因此上述的热场(11)处的液体表面张力将变小从而向着周围温度低但表面张力大的液体区域流动，引起沿着两相界面的微流场(12)，而微流场(12)在逆着光轴方向上存在微流分量，引起微流力(13)；将输入光纤(5)放置在液滴(9)顶部的气液两相分界面附近，此时的光学力(14)与微流力(13)方向相反，两个力相互叠加会产生捕获势阱从而实现微粒(15)的捕获；4、通过调控输入光纤(5)数量、俯仰角等因素可以对液滴(9)中热点(11)产生的微流力进行控制，在光学力方向一定的情况下，微流力的定向调控对微粒施加了不同形式的力，可以实现对微粒如旋转、运输、组装等操控。5、微流力由斯托克斯阻力定律定义的热对流产生：6、7、其中u和v分别是流体速度和粒子速度，mp是微粒质量，tp是颗粒由于斯托克斯阻力而加速的特征时间尺度，8、9、其中是ρp颗粒密度，μ是流体动态粘度，rp是微粒半径。在我们的实验中，由于粒子非常小，粒子相对于流体的速度也不太大，因此斯托克斯阻力定律可适用于我们的微流力计算。10、在微粒表面反射的情况下，假设光垂直入射，且介质微粒表面反射率为100％，此时入射到物体上的n个光子会全都被反射回来。假设已知每个入射和反射光子分别带有线性动量11、12、13、其中k表示波矢量，h是普朗克常数。根据牛顿第二定律，作用在光子上的合力fphot与所有光子线性动量的变化率成正比：fphot＝(pr-pi)n/δt，根据牛顿第三定律，作用在介质微粒上的反作用力等于f推＝-fphot；在折射及散射的情况下，假设入射光束的波前可以分成与入射光束中的单根光线且相对应的小面积部分aj，入射光束中每根光线的功率pj可以表示为pj＝|<s>|aj，其中|<s>|是aj部分处的时间平均坡印亭矢量(poyntingvector)，并且光线沿垂直于aj的|<s>|方向传播；根据前文可以得出，在时间δt内第j根光线中光子的个数可以表示为：其中pjδt描述了光子携带能量，pij表示入射动量和以及代表散射动量的psj，ω是光的角频率；作用在介质微粒上的总光学力fobj为光束中所有光线的所有的光学力之和。14、将输入光纤(5)置于液滴(9)顶部，此时微流力(13)的方向为沿着液滴(9)气液界面并与为出射光场(10)方向的反方向，由上述内容可知，出射光场(10)引发的光学力(14)与热场(11)的温度梯度引发的微流力(13)方向相反，则这两种力叠加后会出现捕获势阱，实现粒子的捕获。15、改变输入光纤(5)放置的垂直关系将使液滴(9)内部微流力发生改变，可以实现微粒(15)的捕获与释放；改变输入光纤(5)的俯仰角θ，光学力(14)与微流力(13)之间将会产生一定的夹角，力的不平衡关系可实现微粒的自旋转；增加放置在液滴内的输入光纤(5)数量，可在液滴(9)内部构建了不同的微流力，并且通过调控输入光纤(5)在液滴(9)中分布的位置来调控液滴内微流力的位置分布，实现对微粒(15)的多样性控制，如微粒组装、微粒曲线运输等；改变液滴(9)形状，则液滴(9)气液界面热场所引起的微流力方向将会发生变化，光学力(14)与微流力(13)之间的角度方向也会发生变化，可对微粒(15)进行如微粒旋转、微粒分选等多样性操控；改变激光器(2)的出射光功率，光学力(14)与微流力(13)的平衡关系将会发生变化，可控制微粒(15)捕获位置；改变激光器(2)出射光类型，如三角函数脉冲波、阶跃脉冲波等，可实现对捕获微粒(15)的多类别震荡操作。16、经光纤末端结构(6)返回的带有粒子特性的后向散射光(16)通过耦合器(3)回到光电探测装置(1)，通过对光电探测装置(1)的信号数据进行分析获得微粒(9)如存活状态、外表面成像等特性信息。17、本发明的基于全光纤光流控微粒操纵技术还可以包括：18、1、所述的输入光纤(5)的纤芯形状为图5(a)-(g)所示中的：圆形、椭圆形、环形、三角形、矩形或其他多边形中的一种。19、2、所述的输入光纤(5)可替换为纤芯呈不同阵列分布的多芯光纤，纤芯阵列分布的种类为图6(a)-(h)中所示的：直线、环形、三角形、矩形或其他多边形分布中的一种分布。20、3、所述的输入光纤(5)的放置位置与数量关系可在自由空间中任意搭配，为图7(a)-(c)中所示的：以一定俯仰角放置、以不同的垂直位置放置和以不同的光纤数量放置。21、4、所述液滴(9)的形状可以为图8(a)-(e)中所示的：一次函数型、二次函数型、三次函数型以及其他多次函数型。22、5、所述的纤端微结构(6)的轮廓为图9(a)-(e)所示的：是尖锥形、锥台形、楔形、椭球形、平端形以及其他能产生沿光纤方向传播的出射光线的形状23、6、所述的输入光纤(5)的光纤类型为图10(a)-(d)所示的：：无芯光纤、毛细管光纤、光子晶体光纤、反谐振光纤或其他光纤。24、本发明的优势在于体现脱离微流芯片限制的光流控技术，通过控制液滴中热点的位置与数量来产生可控叠加微流力，实现光学力与微流力的复合力场对微粒状态的可控调整。当前第1页12当前第1页12