CN102147502A

CN102147502A - 基于中空融嵌芯毛细管光纤的微小粒子运送装置及方法

Info

Publication number: CN102147502A
Application number: CN 201110047640
Authority: CN
Inventors: 苑立波; 邓洪昌; 田凤军; 戴强
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2031-02-28
Also published as: CN102147502B

Abstract

本发明提供的是一种基于中空融嵌芯毛细管光纤的微小粒子运送装置及方法。包括一段中空融嵌芯毛细管光纤，所述中空融嵌芯毛细管光纤是可以使纤芯中的传输光以倏逝场的形式透射出包层进入毛细管内的中空融嵌芯毛细管光纤，在中空融嵌芯毛细管光纤的中部一侧开有一个小孔，并且所述小孔与一个气压调整装置相连接，在中空融嵌芯毛细管光纤一端焊接有一段标准实心光纤，标准实心光纤与中空融嵌芯毛细管光纤通过焊接处拉制而成的锥体过渡区连成一体。本发明可以用于生物分子、生物细胞、纳米团簇、胶体颗粒、介质颗粒等微小颗粒的筛选、转移、运送、检测等等。

Description

基于中空融嵌芯毛细管光纤的微小粒子运送装置及方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，本发明涉及一种基于中空融嵌芯毛细管光纤的微小粒子运送装置。本发明也涉及一种基于中空融嵌芯毛细管光纤的微小粒子运送方法。

背景技术

随着平面光子结构在微流器件中应用，相比于自由空间系统，基于倏逝场光学捕获与传输的光学系统体现出更大的优越性。因为基于倏逝场光学捕获与传输的光学系统的操纵区域不会受到激光光斑尺寸的限制，所以这种光学系统可应用于长距离驱动，而且仅受限于系统的散射和吸收损耗。此外，随着光刻刻蚀技术应用于平面光学器件的制造中，可以同时在平面光学器件中形成大面积捕获区域，从而增加了器件的集成度，减少了成本，使器件朝着高密度低成本的方向发展。我们还可以利用高折射率材料控制光场能量的分布区域的空间尺寸，使之远小于自由空间光的波长，从而来实现纳米微粒的捕获与输运。

自1992年S.Kawata和T.Sugiura(Opt.Lett.17，772-774，1992)第一次证明了可以用棱镜产生的倏逝场对微粒进行操纵后，基于倏逝场的微粒操作得到了逐步的发展。

人们利用光波导产生的倏逝波对多种微粒的操作进行了研究。Grujic等(Opt.Commun.239，227-235，2004)对沿着铯离子交换法制作的波导运动的微粒进行了研究，使小生物分子吸附在乳胶球上进而可以被光场操纵，并且用同样的方法制作了Y形分支结构的波导，通过改变在多模主干波导的光场分布来观测分支结构对微粒的筛选效率(Optics Express.13，1-7，2005)。Gaugiran等(Opt.Express，vol.13，pp.6956 6963，Sep.2005)用氮化硅波导使2μm的玻璃球在20mW的输出功率下产生了15μm/s的推进速度，相比于铯离子交换制作的波导，它的推进效率提高了20倍。同时，他们对红细胞和酵母细胞进行了操纵，这是首次把这项技术应用于生物细胞的操作上，并成功的使红细胞和酵母细胞的推进速度达到1μm/s。

此外，Yang等(Nature.Letters，Vol.457，pp.71-75，January.2009)采用狭缝波导对微小粒子的光操纵进行了研究。这种狭缝波导把电磁能量缩减到60nm的尺寸内，以此来克服光的衍射问题。并用这种方法捕获和传输了75nm的电介质纳米球和λ-DNA分子。相比于传统的点捕获，这种方法可以看为是线捕获，因此可以对延展的生物大分子进行直接的操作。而Sheu等(OPTICS EXPRESS，Vol.18，No.6，pp.5574-5579，2010)通过光纤锥体产生的倏逝场对微粒进行操纵。他们把一根标准的125μm直径的单模传输光纤拉成腰直径为50μm的锥形光纤，当通入960m激光后，可以使10μm的微球产生6.25μm/s的推进速率。

尽管上述的各种微小粒子的捕获和输运的方式具有一定的优点，但仍然存在一些不足。例如，波导对微小粒子输运的方式单一，操作不够灵活等等。

发明内容

本发明的目的在于可以用于多种微小粒子运送，操作灵活的基于中空融嵌芯毛细管光纤的微小粒子运送装置。本发明的目的还在于提供一种基于中空融嵌芯毛细管光纤的微小粒子运送方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的基于中空融嵌芯毛细管光纤的微小粒子运送装置包括一段中空融嵌芯毛细管光纤，所述中空融嵌芯毛细管光纤是可以使纤芯中的传输光以倏逝场的形式透射出包层进入毛细管内的中空融嵌芯毛细管光纤，在中空融嵌芯毛细管光纤的中部一侧开有一个小孔，并且所述小孔与一个气压调整装置相连接，在中空融嵌芯毛细管光纤一端焊接有一段标准实心光纤，标准实心光纤与中空融嵌芯毛细管光纤通过焊接处拉制而成的锥体过渡区连成一体。

本发明的基于中空融嵌芯毛细管光纤的微小粒子运送装置还可以包括：

1、所述的中空融嵌芯毛细管光纤纤芯中心距毛细管内壁的距离d满足以下关系：(d_tube+d_core)/2≤d≤(d_clad-d_core)/2，d_tube为毛细管内腔直径，d_clad为包层直径，d_core为纤芯直径。

2、所述的中空融嵌芯毛细管光纤纤芯为单芯或多芯，多芯数目大于或等于2。

3、所述的中空融嵌芯毛细管光纤横截面纤芯的形状是：圆形、椭圆形、拱形、矩形或其他多边形的一种。

4、所述的中空融嵌芯毛细管光纤纤芯中的传输模式的特征是：单模或多模。

5、所述的多芯中空融嵌芯毛细管光纤的纤芯几何分布特征是：圆形分布、三角形分布、四边形分布或其它多边形分布的一种。

本发明的基于中空融嵌芯毛细管光纤的微小粒子运送方法为：在中空融嵌芯毛细管光纤中，利用毛细管内的微负压的吸附作用存储一定量的微小粒子，向中空融嵌芯毛细管光纤纤芯通入光后，纤芯中的传输光以倏逝场的形式透射出包层进入毛细管内腔内，这部分透射出的倏逝场作用于先前存储的微小粒子，产生光学力，所述光学力的矢量从光功率最小值指向光功率最大值、并且分解为指向光纤纤芯中心的梯度力和沿着光传播方向的光辐射压力，这两个力就是微小粒子受到的捕获力和推进力，微小粒子在这两个力的作用下，沿着紧靠纤芯一侧的毛细管内壁运动，实现中空融嵌芯毛细管光纤对微小粒子的运送。改变输入光的光强和通光时间，可以改变作用于微小粒子的倏逝场的强度和存在时间，从而实现对运送微小粒子的数量的控制；由于微粒的大小不一样对应的运送速率也不同，因此，运送不同微粒时，存在先后顺序，可以通过毛细管的微正压在不同时间输出不同的微粒。

本发明的中空融嵌芯毛细管光纤中，毛细管为微小粒子提供了一个存储场所，一方面可以通过毛细管内的微负压吸附作用存取微小粒子，另一方面可以通过微正压把运送的微小粒子从毛细管中输出。可以用于生物分子、生物细胞、纳米团簇、胶体颗粒、介质颗粒等微小颗粒的筛选、转移、运送、检测等等。与现有技术相比，本发明的优点为：

1、可用毛细管存储和输出微小粒子，在不同时间可以控制微小粒子的输出类型。

2、调节通光时间或输入光强，可控制微小粒子的运送数量。

3、整个装置结构微小，可以对装置进行任意角度的旋转或长距离平移，操作性强。

附图说明

图1是单芯中空融嵌芯毛细管光纤的微小粒子运送装置示意图；

图2是单芯中空融嵌芯毛细管光纤的微小粒子运送装置的横截面示意图；

图3是三芯结构的中空融嵌芯毛细管光纤的微小粒子运送装置示意图；

图4是三芯结构的中空融嵌芯毛细管光纤的微小粒子运送装置的横截面示意图；

图5(a)纤芯分布为圆形的中空融嵌芯毛细管光纤，图5(b)纤芯分布为任意多边形的中空融嵌芯毛细管光纤；

图6是光源尾纤与单芯中空融嵌芯毛细管光纤的焊接示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-图2，本发明第一种实施方式具有单芯中空融嵌芯毛细管光纤(包含光纤纤芯1、包层2、中空毛细管3和直通中空毛细管的小孔4)，因为中空融嵌芯毛细管光纤的特殊结构，纤芯中的传输光5以倏逝波的形式透射出包层并作用在微小粒子6上，这部分透射进入毛细管内的倏逝场7对微小粒子6产生捕获力8和辐射压力9，使之沿着紧靠纤芯一侧的毛细管内壁运动，实现了单芯中空融嵌芯毛细管光纤对微小粒子的运送。

结合图3-图4，本发明第二种实施方式具有三芯结构的中空融嵌芯毛细管光纤。这种实施方式的每个纤芯都可以形成一个独立的微小粒子运送器，因此，如果在每个纤芯中的传输光功率相同的情况下，这种实施方式相当于同时用三个单芯的中空融嵌芯毛细管光纤进行微小粒子运送。

第二种实施方式可以扩展到纤芯几何分布为圆形分布、三角形分布、四边形分布或其它多边形分布的中空融嵌芯毛细管光纤，如图5。纤芯的大小和纤芯离毛细管内壁的距离的差异，直接影响了透射进入毛细管内腔内的倏逝场，因此，中空融嵌芯毛细管光纤不同的纤芯分布，其微小粒子的运送情况也不相同，可形成不同功能的微小粒子运送器。

实施例1：

1、耦合连接：取一段单芯中空融嵌芯毛细管光纤，将一端的光纤涂覆层祛除、切割，然后与带光源尾纤的单模光纤10对准、焊接；在图6所示的焊点11处进行加热至软化状态，然后进行拉锥，并进行光功率监测，直到耦合到单芯中空融嵌芯毛细管光纤的光功率达到最大为止；

2、封装保护：将内径大于标准光纤或单芯中空融嵌芯毛细管单芯光纤的石英管调至图1所示的锥体耦合区12处，然后在石英管两端用CO₂激光器加热焊接密封，或者用环氧树脂封装固化，然后进行二次涂覆完成整体保护；

3、小孔加工：在单芯中空融嵌芯毛细管光纤的中部，采用波长为157nm的深紫外激光器或飞秒激光器在毛细管侧壁加工一个小孔4，小孔4与一个微压力调制装置相连接。这就完成了如图1所示的单芯中空融嵌芯毛细管光纤的微小粒子运送装置。

4、微粒运送：如图1所示，通入激光13，毛细管内储存的微小粒子6会被运送。

实施例2：

第一种实施方式中单芯中空融嵌芯光纤也可以用纤芯几何分布为圆形分布、三角形分布、四边形分布或其它多边形分布的中空融嵌芯毛细管光纤替代，如图3、图4和图5。

Claims

1.一种基于中空融嵌芯毛细管光纤的微小粒子运送装置，其特征是：包括一段中空融嵌芯毛细管光纤，所述中空融嵌芯毛细管光纤是可以使纤芯中的传输光以倏逝场的形式透射出包层进入毛细管内的中空融嵌芯毛细管光纤，在中空融嵌芯毛细管光纤的中部一侧开有一个小孔，并且所述小孔与一个气压调整装置相连接，在中空融嵌芯毛细管光纤一端焊接有一段标准实心光纤，标准实心光纤与中空融嵌芯毛细管光纤通过焊接处拉制而成的锥体过渡区连成一体。

2.根据权利要求1所述的基于中空融嵌芯毛细管光纤的微小粒子运送装置，其特征是：所述的中空融嵌芯毛细管光纤纤芯中心距毛细管内壁的距离d满足以下关系：(d_tube+d_core)/2≤d≤(d_clad-d_core)/2，d_tube为毛细管内腔直径，d_clad为包层直径，d_core为纤芯直径。

3.根据权利要求2所述的基于中空融嵌芯毛细管光纤的微小粒子运送装置，其特征是：所述的中空融嵌芯毛细管光纤纤芯为单芯或多芯，多芯数目大于或等于2。

4.根据权利要求3所述的基于中空融嵌芯毛细管光纤的微小粒子运送装置，其特征是：所述的中空融嵌芯毛细管光纤横截面纤芯的形状是圆形、椭圆形、拱形、矩形或其他多边形的一种。

5.根据权利要求4所述的基于中空融嵌芯毛细管光纤的微小粒子运送装置，其特征是：所述的中空融嵌芯毛细管光纤纤芯中的传输模式是单模或多模。

6.根据权利要求1所述的基于中空融嵌芯毛细管光纤的微小粒子运送装置，其特征是：所述的多芯中空融嵌芯毛细管光纤的纤芯几何分布是圆形分布、三角形分布、四边形分布或其它多边形分布的一种。

7.一种基于中空融嵌芯毛细管光纤的微小粒子运送方法，其特征是：在中空融嵌芯毛细管光纤中，利用毛细管内的微负压的吸附作用存储一定量的微小粒子，向中空融嵌芯毛细管光纤纤芯通入光后，纤芯中的传输光以倏逝场的形式透射出包层进入毛细管内腔内，这部分透射出的倏逝场作用于先前存储的微小粒子，产生光学力，所述光学力的矢量从光功率最小值指向光功率最大值、并且分解为指向光纤纤芯中心的梯度力和沿着光传播方向的光辐射压力，这两个力就是微小粒子受到的捕获力和推进力，微小粒子在这两个力的作用下，沿着紧靠纤芯一侧的毛细管内壁运动，实现中空融嵌芯毛细管光纤对微小粒子的运送。

8.根据权利要求7所述的基于中空融嵌芯毛细管光纤的微小粒子运送方法，其特征是：通过改变输入光的光强和通光时间，改变作用于微小粒子的倏逝场的强度和存在时间，控制运送微小粒子的数量。