CN102393450A - 一种基于光纤的磁镊探针 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤的磁镊探针，其特征是：以表面具有磁芯层的光纤构成针芯，经光纤传输的光束可以从针芯的前端面射出；在针芯的外周由内向外依次设置内导热绝缘层、微螺旋线圈，外导热绝缘层和屏蔽层。本发明体积小、无须复杂散热结构、产生的磁场大小和方向可调、能灵活移动，实现对生物分子的俘获、操控以及光学操作的功能。

Description

一种基于光纤的磁镊探针

技术领域

本发明涉及一种磁镊探针，特别是一种基于光纤的磁镊探针。

背景技术

磁镊是利用外加磁场控制微米或纳米尺寸磁性颗粒进行微操控的技术，自1949年以来被Crick F.H.C等人首次将其引入到分子生物学领域[Crick F.H.C，Hughes A.F.W，The physicalproperties of cytoplasm：a study by means of the magnetic particle method，Exp.Cell.Res.1：37-80，1949]。采用磁镊对生物大分子进行生物操控可以研究细胞内特性，确定单个细胞力学性质，批量分离采用磁性小球标记的细胞等重要应用。由于磁镊对细胞及生物大分子操作过程不会引起损伤而成为生物操控主要技术之一。与光镊、AFM及微毛细管探针等分子操控技术相比，磁镊具有非接触、对生物样品损伤小，能施加稳定的、大小合适的力等优点被广泛应用于分子生物学领域。

磁镊操控的基本步骤是把经过生化修饰的DNA分子或其它生物大分子(即在DNA分子或其它生物大分子的两端修饰上不同的功能基)的末端固定在修饰有抗体的磁性小球或基板上，通过外加能产生磁场的磁极或磁镊探针捕捉和控制磁性小球，从而实现分子操控。在这一过程中，磁镊的磁极或磁镊探针的设计是实现生物分子俘获和操控的关键。磁镊磁极有采用永磁体制作的单磁极或多磁极构造的磁场来实现对生物分子的控制[S.B.Smith，L.Finzi，C.Bustamante，Direct mechanical measurements of the elasticity of single DNA molecules byusing magnetic beads，Science 258，1122，1992]。国外有人采用粗导电线圈复绕在软磁芯或铁钴芯制作的磁极来实现对生物分子的操控[F.Zienmann，J.Radler，E.Sackmann，Localmeasurements of viscoelastic moduli of entangled actin networks using an oscillating magneticbead micro-rheometer，Biophys.J.66.2210，1994；Charbel Haber，Denis Wirtz，Magnetic tweezersfor DNA micromanipulation，Review of Scientific Instruments，J.71，4561，2000；H.B.Anthonyde Vries，Bea E.Krenn，Roel van Driel，Johhannes S.Kanger，Micro magnetic tweezers fornanomanipulation inside live cells，Biophys.J.88，2137，2005]。但这类磁镊使用的磁极由于采用了体积巨大的永磁体或粗线圈，存在体积大、功耗大，磁极无法灵活移动，同时通电线圈为产生足够大的磁场需复杂的散热结构，造价昂贵。为了克服这些不足，Chi-Han Chiou等人提出了利用平板微线圈制作了多磁极实现对生物分子的操控[Chi-Han Chiou，Gwo-Bin Lee，A micromachined DNA manipulation platform for the stretching and rotation of a single DNAmolecule，J.Micromech.Microeng.，15，109，2005；Chi-Han Chiou，Yu-Yen Huang，Meng-HanChiang，Huei-Huang Lee and Gwo-Bin Lee，New magnetic tweezers for investigation of themechanical properties of single DNA molecules，Nanotechnology，17，1217，2006]。利用平板微线圈制作的磁镊探针虽实现了微型化，但线圈复绕圈数少，产生磁场不强，探针无法移动，对生物分子俘获和操控的灵活性欠佳。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种体积小、无须复杂散热结构、能产生磁场大小和方向可调、能灵活移动实现对生物分子的俘获、操控以及光学操作功能的基于光纤的磁镊探针。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于光纤的磁镊探针的结构特点是以表面具有磁芯层的光纤构成针芯，经光纤传输的光束可以从针芯的前端面射出；在所述针芯的外周由内向外依次设置内导热绝缘层、微螺旋线圈，外导热绝缘层和屏蔽层。

本发明基于光纤的磁镊探针的结构特点也在于：

所述光纤为单芯光纤或多芯光纤。

所述针芯的前段设置为呈铅笔头状的探针头，经光纤传输的光束从探针头的前端面出射。

所述探针头的前端面为平表面或为球冠面。

所述光纤表面的磁芯层是采用真空镀膜、或电子束镀膜、或磁控溅射镀膜制作的磁性材料薄膜层。

所述内导热绝缘层是采用导热绝缘材料制作的导热绝缘薄膜层。

所述微螺旋线圈是对采用真空镀膜、或电子束镀膜、或磁控溅射镀膜形成的导电薄膜层微加工制作而成。

所述外导热绝缘层是采用导热绝缘材料制作的导热绝缘薄膜层。

所述屏蔽层是采用真空镀膜、或电子束镀膜、或磁控溅射镀膜制作的金属薄膜层。

所述微螺旋线圈是单层线圈或是多层线圈由内而外叠加结构。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明由于采用微螺旋线圈，体积小、可灵活移动，探针头具有与生物分子相近的尺寸，可实现对生物分子的俘获和操控。

2、本发明磁镊探针头可产生足够强的磁场，且可实现对生物分子的近距离操作，还可通过调节微螺旋线圈电流的大小和方向，改变操作力的大小和方向。

3、本发明利用光纤将激光传导至探针头出射，可实现对俘获的生物分子的光学操作。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明中光纤示意图。

图中标号：1光纤；2磁芯层；3内导热绝缘层；4微螺旋线圈；5外导热绝缘层；6屏蔽层。

具体实施方式

参见图1、图2，本实施例是以表面具有磁芯层2的光纤1构成针芯，经光纤传输的光束可以从针芯的前端面射出；在针芯的外周由内向外依次设置内导热绝缘层3、微螺旋线圈4，外导热绝缘层5和屏蔽层6。

具体实施中，相应的结构设置也包括：

光纤1为单芯光纤或多芯光纤，单芯光纤可实现激光光束由针芯前端面准直输出，对生物分子进行光学操作；也可采用多芯光纤，如对称双芯光纤，将激光经两光纤芯输出，可对生物分子形成光镊作用力，与磁镊作用构成复合生物分子操作；

针芯的前段设置为呈铅笔头状的探针头，由于探针头覆盖的磁性材料，铅笔头状的探针头的尖端可增强螺旋线圈产生的磁场强度，对生物分子形成足够大的磁作用力，经光纤传输的光束从探针头的前端面出射；

探针头的前端面为平表面或为球冠面，平表面可直接将光束导出，形成对被操作生物分子荧光照明，而球冠面可类似透镜对输出光束形成汇聚作用，对生物分子形成光镊操作光场；

光纤表面的磁芯层2是采用真空镀膜、或电子束镀膜、或磁控溅射镀膜制作的磁性材料薄膜层；

内导热绝缘层3是采用导热绝缘材料制作的导热绝缘薄膜层；

微螺旋线圈4是对采用真空镀膜、或电子束镀膜、或磁控溅射镀膜形成的导电薄膜层微加工制作而成；

外导热绝缘层5是采用导热绝缘材料制作的导热绝缘薄膜层；

屏蔽层6是采用真空镀膜、或电子束镀膜、或磁控溅射镀膜制作的金属薄膜层；

微螺旋线圈4是单层线圈或是多层线圈由内而外叠加结构，将线圈层数增加将可增强通电线圈产生的总磁场，在磁操作力一定的条件下，通电电流可以更低，降低线圈发热和功耗。

制作过程：

1、光纤的处理：取一段单芯玻璃光纤，将其表面涂覆层剥除，用酒精超声振荡清洗表面，烘干待用；

2、磁镊探针头处理：将光纤一端利用光纤端研磨系统进行研磨加工成如图2所示锥体，锥体顶部为直径10-20微米的圆平面，半锥角为15°-20°左右，将研磨后的光纤进行超声清洗并烘干；

3、磁芯层和内导热绝缘层制作：将光纤放入真空镀膜机，抽真空达到镀膜要求10-3Pa，靶材为纯铁，用旋转机械装置使光纤匀速旋转，控制镀膜时间，获得表面镀软铁光纤，镀层厚度为10-15微米；将光纤取出，将其表面采用epotek-930导热绝缘固化胶压膜封装，膜厚为30-50微米，在高温烘箱中设置150℃固化15分钟，待固化完成后取出冷却待用；

4、微螺旋线圈制作：将步骤3处理后的光纤采用与步骤3相同的镀膜方法进行镀膜，镀膜材料为纯银，膜厚为50-60微米；采用标准光刻微加工工艺对银层进行微加工，最终制作出螺旋结构的银线圈，线圈圈数为100，线圈宽度为50-55微米，线圈螺距为30-45微米，并将线圈两端与直径为120微米漆包铜导线焊接，制作出可以与外界电源相连的引线。

5、外导热绝缘层及屏蔽层制作：在微螺旋线圈层外镀制导热绝缘层，厚度为30-50微米；将其放入真空镀膜机，镀一层金属铜膜，膜厚为10-20微米。

Claims (10)

1.一种基于光纤的磁镊探针，其特征是以表面具有磁芯层(2)的光纤(1)构成针芯，经光纤传输的光束可以从针芯的前端面射出；在所述针芯的外周由内向外依次设置内导热绝缘层(3)、微螺旋线圈(4)，外导热绝缘层(5)和屏蔽层(6)。

2.根据权利要求1所述的基于光纤的磁镊探针，其特征是所述光纤为单芯光纤或多芯光纤。

3.根据权利要求1所述的基于光纤的磁镊探针，其特征是所述针芯的前段设置为呈铅笔头状的探针头，经光纤传输的光束从探针头的前端面出射。

4.根据权利要求3所述的基于光纤的磁镊探针，其特征是所述探针头的前端面为平表面或为球冠面。

5.根据权利要求1所述的基于光纤的磁镊探针，其特征是所述光纤表面的磁芯层(2)是采用真空镀膜、或电子束镀膜、或磁控溅射镀膜制作的磁性材料薄膜层。

6.根据权利要求1所述的基于光纤的磁镊探针，其特征是所述内导热绝缘层(3)是采用导热绝缘材料制作的导热绝缘薄膜层。

7.根据权利要求1所述的基于光纤的磁镊探针，其特征是所述微螺旋线圈(4)是对采用真空镀膜、或电子束镀膜、或磁控溅射镀膜形成的导电薄膜层微加工制作而成。

8.根据权利要求1所述的基于光纤的磁镊探针，其特征是所述外导热绝缘层(5)是采用导热绝缘材料制作的导热绝缘薄膜层。

9.根据权利要求1所述的基于光纤的磁镊探针，其特征是所述屏蔽层(6)是采用真空镀膜、或电子束镀膜、或磁控溅射镀膜制作的金属薄膜层。

10.根据权利要求1所述的基于光纤的磁镊探针，其特征是所述微螺旋线圈(4)是单层线圈或是多层线圈由内而外叠加结构。

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