CN102519862B - 基于新型杂化光镊的软物质综合测量装置 - Google Patents

Abstract

一种基于新型杂化光镊的软物质综合测量装置，该装置包括激光器、第一平凸透镜、第二平凸透镜、第一可翻转反射镜、第一反射镜、液晶空间光调制器、第二可翻转反射镜、第三平凸透镜、第四平凸透镜、第一双色镜、显微镜物镜、二维电动平台、卤素灯、显微镜成像管镜、第二双色镜、位置探测器成像透镜、位置探测器、相机以及计算机，该装置能够有效地工作在高精度单光镊和全息光镊两个模式；所述的计算机通过信号线分别与液晶空间光调制器、相机和位置传感器信号接受系统相连。本发明既可实现液相中多个粒子的同时捕获操控和相互作用的测量，也可实现用单个粒子探针测量微流体的宽频流变学特性。

Description

基于新型杂化光镊的软物质综合测量装置

技术领域

本发明属于软物质复杂流体技术领域，特别涉及一种基于新型杂化光镊的软物质综合测量装置。

背景技术

激光光镊技术自发明以来在单分子生物物理，软物质等领域发挥着重要的作用。光镊技术本身也在这些应用中不断的提升与发展，并在传统的单光镊基础上衍生出阵列光镊、涡旋光阱以及时分复用光阱等。这些光镊技术在各自的适用范围内发挥着其独特的作用，如高精度的激光双光镊以其噪声低等优点在单分子领域有着重要而广泛的应用；阵列光镊在液相颗粒物的排布领域有特殊的优势；而涡旋光镊在切向流变学中有广阔的前景。就传统的单光束梯度力光阱而言，它能够提供微流体在很宽的频域范围内的损耗模量和存储模量等信息，是传统的流变学仪所不能比拟的。

现有的光镊技术不能同时实现全息光镊和高精度的单光镊。本发明的一个重要的创新点就是采用一定的机械切换装置，在同一台设备上实现全息光镊和单光束梯度力光镊。该装置能够满足光镊在软物质和复杂流体领域的各项应用参数的测量，如多个粒子的相互作用、复杂流体的宽频流变学参数等。此外，我们还通过自行设计加工的光路耦合件巧妙地将激光束耦合到商用的奥林巴斯显微镜中。

发明内容

本发明的目的在于：巧妙地在同一台装置上实现全息光镊和高精度单光束梯度力光镊，并通过自行设计的部件耦合到商用显微镜中。该装置可以在微观多粒子相互作用、复杂流体宽频流变学等领域有重要的应用前景。

本发明为了达到上述目的采用的技术方案为：一种基于新型杂化光镊的软物质综合测量装置，其构成包括激光器、第一平凸透镜、第二平凸透镜、第一可翻转反射镜、第二可翻转反射镜、反射镜、液晶空间光调制器、第三平凸透镜、第四平凸透镜、显微镜成像管镜、第一双色镜、高数值孔径显微镜物镜、二维电动平台、卤素灯、第二双色镜、双凸透镜、位置敏感探测器、快速相机和计算机，其中：

所述的全息光镊光路由激光器、第一平凸透镜、第二平凸透镜、反射镜、第三平凸透镜、第四平凸透镜、第一双色镜以及显微镜物镜构成；所述的第一双色镜置于自行设计的带燕尾槽滑动导轨的固定架上，再加载到显微镜的主体部分；该自行设计的带燕尾槽滑动块的固定架为如下三部分构成：燕尾槽滑块、固定架和反射片固定块，其中燕尾槽滑块通过两个螺丝从支撑架的底部与支撑架相连，双色镜固定块放入支撑架内的凹陷部分；

所述的单光镊光路由激光器、第一平凸透镜、第二平凸透镜、第一可翻转反射镜、第二可翻转反射镜、第三平凸透镜、第四平凸透镜、第一双色镜以及显微镜物镜构成；

样品池放在二维电动平台上，在计算机控制下，样品池随着二维电动平台进行移动；所述计算机的输入端通过信号线分别与所述的二维电动平台、空间光调制器、位置敏感探测器以及快速相机相连；所述计算机实时计算设定的全息相位图并通过计算机图形卡以及DVI信号线将相位图实时地加载到液晶空间光调制器上；所述计算机可以通过信号采集和测量系统采集并存储位置敏感探测器以及快速相机所产生的时序信号和图像序列。

优选的，所述全息光镊和高精度单光镊的切换是通过第一可翻转反射镜、第二可翻转反射镜的同时翻转来实现的，其中第一可翻转反射镜和第二可翻转反射镜分别固定于两个可翻转的镜框上；当第一可翻转反射镜和第二可翻转反射镜两个可翻转反射镜位于光路中时，该装置工作在高精度的单光镊模式；当第一可翻转反射镜和第二可翻转反射镜两个可翻转反射镜同时切换到一侧，本发明装置工作在全息光镊模式；其中激光器、由第一平凸透镜和第二平凸透镜组成的第一望远镜、由第三平凸透镜和第四平凸透镜组成的第二望远镜为全息光镊和高精度单光镊的公用部分。

优选的，采用机械爬升装置将光束高度提升到与显微镜耦合高度相匹配；第二个望远镜的两个平凸透镜分别位于光路爬升架的两侧；单光镊采用在线标定，所用激光器具有很高的指向稳定性和功率稳定性，对探测器响应以及光阱刚度的标定在数秒内完成。

优选的，绕开商用显微镜的成像管镜搭建光镊，采用自行设计的光路耦合装置将激光束引进商用显微镜；该光路耦合装置加载在显微镜荧光转盘处，与原有的荧光转盘公用一个耦合槽；所述的软物质综合测量装置与原有的荧光装置可以切换使用；当使用原有的荧光装置时，采用显微镜配带的荧光转盘；当采用自行设计的光路耦合装置时，采用我们自行设计的机械耦合件。

本发明的优点和积极效果：

1、本发明为一种可以通过捕获多个微纳米小球并测量小球间相互作用以及通过记录单个小球的布朗运动信息来测量微流体的流变学特性的杂化光镊装置。所发明的装置结合全息阵列光镊和单光束光镊于一体，通过切换装置实现两种功能的巧妙切换。其中全息光镊采用高精度的液晶空间光调制器实现对光束的整形，通过快速CMOS相机采集实时动态的小球录像。单光镊采用后焦面探测技术通过位置探测器测量被捕获小球的功率谱，进而测量微流体的损耗模量和存储模量。

2、与传统的光镊仪器相比，本发明采用两片可翻转反射镜实现单光镊和全息光镊的有效切换，具有单光镊和全息光镊的优势，为复杂流体的研究提供一个多元化的研究手段。采用自行设计的光路耦合装置，实现全息光镊和单光镊准确地耦合到商业显微镜。现有的光镊多从荧光通道耦合激光束，这破坏了原有荧光通道的正常工作。采用本发明的技术，只需将原有的荧光转盘取下换上我们设计加工的组合件即可实现软物质综合测量装置；通过将光路耦合装置替代为原有的荧光转盘，显微镜又可恢复荧光成像功能。

3、本发明装置不仅可以捕获多个微纳米粒子，记录它们动态的位置并测量彼此之间的相互作用；还可以工作在单光镊模式测量复杂流体自身的流变学性质，是一套综合单光镊和多光镊多种优势于一身的杂化光镊装置，必将在软物质、生物物理等领域发挥重要的作用。

附图说明

图1本发明基于新型杂化光镊的软物质综合测量装置示意图；

图2全息光镊和高精度单光镊切换部分原理图；

图3激光爬升以及与显微镜耦合部分光路图，图中长度单位为mm；

图4燕尾槽转接件图纸，图中长度单位为mm；

图5支撑架图纸，图中长度单位为mm；

图6双色镜固定块机械图纸，图中长度单位为mm；

图7带燕尾槽导轨的双色镜固定装置组装图；

图8加载在高精度空间光调制器上的典型相位图；

图9典型的9光阱捕获2μm直径聚苯乙烯小球的实验结果；

图10高精度单光镊测量小球的存储模量和损耗模量的典型结果。

图中：1为激光器，2为平凸透镜，3为平凸透镜，4为可翻转反射镜，5为可翻转反射镜，6为反射镜，7为高精度液晶空间光调制器，8为平凸透镜，9为平凸透镜，10为成像用管镜(Tube lens)，11为二色镜，12为高数值孔径显微镜物镜，13为二维电动平台，14为卤素灯，15为二色镜，16为双凸透镜，17为位置敏感探测器，18为相机，19为计算机，20、21为爬升组件反射镜。

具体实施方式

以下说明本发明的实施例。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对该领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

基本实施例：

请参阅图1，图1是本发明基于新型杂化光镊的软物质综合测量装置的结构示意图，也是本发明的一个实施例的结构示意图。由图可见，本发明的软物质综合测量装置，其构成包括激光器1，第一平凸透镜2，第二平凸透镜3，第一可翻转反射镜4，第二可翻转反射镜5，反射镜6，高精度液晶空间光调制器7，第三平凸透镜8，第四平凸透镜9，显微镜成像用管镜10，第一双色镜11，高数值孔径油浸显微镜物镜12，二维电动平台13，卤素灯14，第二双色镜15，双凸透镜16，位置敏感探测器17，快速CMOS相机18，计算机19构成。

所述全息光镊和高精度单光镊的切换是通过第一可翻转反射镜4、第二可翻转反射镜5的同时翻转来实现的，其中第一可翻转反射镜4和第二可翻转反射镜5分别固定于两个可翻转的镜框上。当两个可翻转反射镜位于光路中时，本发明装置工作在高精度的单光镊模式；当两个可翻转反射镜同时切换到一侧，本发明装置工作在全息光镊模式。其中激光器1、由第一平凸透镜2和第二平凸透镜3组成的第一望远镜、由第三平凸透镜8和第四平凸透镜9组成的第二望远镜为全息光镊和高精度单光镊的公用部分。参考图2，由第一可翻转反射镜4，第二可翻转反射镜5，反射镜6和高精度液晶空间光调制器7组成光路切换装置；第一可翻转反射镜4和第二可翻转反射镜5同时加载在光路中时，该装置工作在高精度单光镊模式；当第一可翻转反射镜4和第二可翻转反射镜5同时翻转到一侧，该装置工作在全息光镊模式，此时激光束经反射镜6反射以及空间光调制器7调制获得全息光镊光束。

所以，全息光镊光路由激光器1、第一平凸透镜2、第二平凸透镜3、反射镜6、第三平凸透镜8、第四平凸透镜9、第一双色镜11以及高数值孔径油浸显微镜物镜12等构成。在全息光镊中，我们采用高精度的液晶空间光调制器对激光束的相位进行调制，实现在显微镜物镜的焦平面处形成数目和位置可控的多个光阱，或者涡旋光阱。所述全息光镊采用高精度的液晶空间光调制器对扩束后的激光束相位进行调制，在夫琅禾费衍射区出现所设定的衍射光场分布，如阵列光束。再将新产生的阵列光束通过光路系统的第四平凸透镜9以及显微镜物镜12引入到显微镜的焦平面，并在焦平面处形成多光阱。全息光镊的关键是需要设计计算出与所需光阱对应的全息片。

单光镊光路由激光器1、第一平凸透镜2、第二平凸透镜3、第一可翻转反射镜4、第二可翻转反射镜5、第三平凸透镜8、第四平凸透镜9、第一双色镜11以及高数值孔径油浸显微镜物镜12等构成。当工作在单光镊模式时，我们用位置探测器17通过后焦面探测技术实现被捕获粒子位置的实时高精度探测。全息光镊和单光镊共用的光路部分为激光器1、两个望远镜以及商业显微镜。

样品池(图1中未示出)放在二维电动平台13上，在计算机软件操控下，样品池随着二维电动平台13进行移动。所述计算机19的输入端通过信号线分别与所述的二维电动平台13、空间光调制器7、位置敏感探测器17以及快速相机18相连。所述计算机19通过控制软件交互式界面实时计算设定的全息相位图并通过计算机图形卡以及DVI信号线将相位图实时地加载到液晶空间光调制器7上。所述计算机19可以通过信号采集和测量系统采集并存储位置敏感探测器17以及快速相机18所产生的时序信号和图像序列。

在高精度单光镊模式，可以通过测量被光阱捕获的小球的运动位置信息，利用位置的功率谱来求解微流体的损耗模量和存储模量，进而研究具有不同组分流体的微流变学特性以及相变等。其原理大致如下：设半径为R的刚性小球在高分子溶液中受到一个力f的作用，周围介质的形变x_ω＝α(ω)f_ω，，其中x_ω是小球的位置。一般情况下响应函数α(ω)＝α′(ω)+α″(ω)是复数，它与材料的复剪切模量G(ω)之间存在如下关系

其中复剪切模量G(ω)＝G′(ω)+G″(ω)，G′(ω)为存储模量，G″(ω)为损耗模量。由耗散-涨落定理， ${\mathrm{\α}}^{\′\′}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\mathrm{\ω}}{2k_{B}T}\⟨x_{\mathrm{\ω}}^2\⟩,$ 其中 $\⟨x_{\mathrm{\ω}}^2\⟩=\frac{2k_{B}T}{\mathrm{\γ}}\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2+{\mathrm{\ω}}_c^2}$ 为光阱中小球运动位移的功率谱。由Kramers-Kronig关系，求解如下色散积分

即可得到复响应函数α(ω)，再通过

计算存储模量G′(ω)和损耗模量G″(ω)。

图10为采用2μm直径聚苯乙烯微球为探针测量的PBS缓冲液的微流变学参数。

本发明的软物质综合测量装置，在光学设计上，激光器安装后的重心高度尽可能低，而与显微镜耦合时光镊光路避开显微镜成像通道的管镜，耦合点位置比光学平台上激光器出射光束的高度高很多，本发明采用机械爬升装置将光束高度提升到与显微镜耦合高度相匹配，爬升架部分光路图可参见图3所示的爬升部分光路，其中第二个望远镜的两个透镜8和9分别位于光路爬升架的两侧，其中20，21为爬升组件反射镜。第三、第四平凸透镜8和9组成本发明的第二套望远镜系统，第三、第四平凸透镜8和9分别位于爬升组件反射镜20和21的两侧。第二个望远镜的两个透镜分别位于光路爬升架的两侧。单光镊采用在线标定，所用激光器具有很高的指向稳定性和功率稳定性，对探测器响应以及光阱刚度的标定在数秒内完成。

具体实施例

本具体实施例是基本实施例的优选实施例，具体的如下：

本实施例中，所述的激光器1的出射光斑的束腰直径为2mm。所述的第一平凸透镜2和第二平凸透镜3，分别采用焦距为60mm、250mm，直径为25.4mm、50.8mm的平凸透镜组成第一望远镜，该望远镜的扩束比例为四倍。经扩束后的光束的直径约为8mm。第二望远镜由焦距和直径分别为250mm、50.8mm的两个相同的平凸透镜组成。

第一平凸透镜的孔径选为25.4mm(1英寸)，第二平凸透镜、第三平凸透镜、第四平凸透镜孔径均选为50.8mm(2英寸)。

本实施例中，在高精度单光镊模式，第一可翻转反射镜4和第二可翻转反射镜5均处于光路中，经第一望远镜扩束、再通过扩束比为1∶1的第二望远镜将光束耦合到显微镜，在显微镜物镜的焦平面形成高精度的单光镊。在全息光镊模式，第一可翻转反射镜4和第二可翻转反射镜5均处于不工作状态，激光束经过第一望远镜后光斑直径由2mm放大为8mm，再经反射镜6反射后，以小于6°的小入射角照射到液晶空间光调制器上。第二望远镜将液晶空间光调制器成像在显微镜物镜的后焦面，进而在显微镜物镜的焦平面就可以形成全息光镊。

本实施例中，激光器出射光束的高度为90mm，为耦合到显微镜，我们将其高度提升到190mm，再经过自行设计加工的固定架将光束耦合到显微镜物镜中，进而在物镜的焦平面处形成光阱。其中第二个望远镜的两个透镜8和9分别位于光路爬升架的两侧，爬升架部分光路图可参见图3所示的爬升部分光路，其中20，21为爬升组件反射镜。第三、第四平凸透镜8和9组成本发明的第二套望远镜系统，第三、第四平凸透镜8和9分别位于爬升组件反射镜20和21的两侧。各光学元件之间的距离标于图上，单位为mm。光路与奥林巴斯IX70商用显微镜耦合时，通过自行加工的45°方形反射片(532nm 45°窄带反射，安徽光机所加工)进入物镜。

与显微镜机械耦合部分的45°反射片固定架为组合件，包括燕尾槽滑块(图纸参见图4)、固定架(图纸参见图5)、反射片固定块(图纸参见图6)，第一双色镜11置于自行设计的带燕尾槽滑动导轨的固定架上，再加载到显微镜的主体部分。该组合件与奥林巴斯商用显微镜上的荧光转盘可互换使用。当用荧光显微镜成像时，采用荧光转盘；当使用本发明的软物质综合测量装置时，只需将荧光转盘替换为该组件。

所述全息光镊采用高精度的液晶空间光调制器对扩束后的激光束相位进行调制，在夫琅禾费衍射区出现所设定的衍射光场分布，如阵列光束。再将新产生的阵列光束通过光路系统的第四平凸透镜9以及显微镜物镜12引入到显微镜的焦平面，并在焦平面处形成多光阱。全息光镊的关键是需要设计计算出与所需光阱对应的全息片。以形成3x3光阱阵列为例，通过Gerchberg-Saxton算法计算相应的全息图(参见图8)，并通过计算机图形卡加载到液晶空间光调制器上，在显微镜物镜的焦平面处即可形成9光阱。典型的9光阱捕获2μm直径聚苯乙烯微球的实验结果，参见图9。

本发明的一个重要特征是，绕开商用显微镜的成像管镜搭建光镊，采用自行设计的光路耦合装置将激光束引进商用显微镜。该光路耦合装置加载在显微镜荧光转盘处，与原有的荧光转盘公用一个耦合槽。光路与显微镜耦合部分采用组合件固定自行设计加工的45°方形反射片(532nm 45°窄带反射，安徽光机所)来实现。该组合件有三部分组成，燕尾槽滑块、支撑架以及双色镜固定块，燕尾槽滑块参见图4、支撑架参见图5、双色镜固定块参见图6。上述三个部件组合后的组装图参见图7，其中燕尾槽滑块通过两个螺丝从支撑架的底部与支撑架相连；双色镜固定块放入支撑架内的凹陷部分。使用时将奥林巴斯显微镜上的荧光转盘取下，安装上我们设计的组件即可。本发明的软物质综合测量装置与原有的荧光装置可以切换使用。当使用原有的荧光装置时，采用显微镜配带的荧光转盘；使用本发明的装置时，采用我们自行设计的机械耦合件。

本发明的装置有效地整合高精度单光束梯度力光镊和全息光镊，并能够有效地在这两个模式之间切换。在全息光镊中，采用高精度的液晶空间光调制器对激光束的相位进行调制，实现在显微镜物镜的焦平面处形成数目和位置可控的多个光阱，或者涡旋光阱。当工作在单光镊模式时，用位置探测器通过后焦面探测技术实现被捕获粒子位置的实时高精度探测。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (3)

1.一种基于新型杂化光镊的软物质综合测量装置，其构成包括激光器（1）、第一平凸透镜（2）、第二平凸透镜（3）、第一可翻转反射镜（4）、第二可翻转反射镜（5）、反射镜（6）、液晶空间光调制器（7）、第三平凸透镜（8）、第四平凸透镜（9）、显微镜成像管镜（10）、第一双色镜（11）、高数值孔径显微镜物镜（12）、二维电动平台（13）、卤素灯（14）、第二双色镜（15）、双凸透镜（16）、位置敏感探测器（17）、快速相机（18）和计算机（19），其特征在于：该装置还包括显微镜的主体、固定架、支撑架、样品池、计算机图形卡、DVI信号线、信号线、信号采集和测量系统；

全息光镊光路由激光器（1）、第一平凸透镜（2）、第二平凸透镜（3）、反射镜（6）、第三平凸透镜（8）、第四平凸透镜（9）、第一双色镜（11）以及显微镜物镜（12）构成；所述的第一双色镜（11）置于自行设计的带燕尾槽滑动块的固定架上，再加载到显微镜的主体部分；该自行设计的带燕尾槽滑动块的固定架为如下三部分构成：燕尾槽滑块、固定架和反射片固定块，其中燕尾槽滑块通过两个螺丝从支撑架的底部与支撑架相连，双色镜固定块放入支撑架内的凹陷部分；

单光镊光路由激光器（1）、第一平凸透镜（2）、第二平凸透镜（3）、第一可翻转反射镜（4）、第二可翻转反射镜（5）、第三平凸透镜（8）、第四平凸透镜（9）、第一双色镜（11）以及显微镜物镜（12）构成；

样品池放在二维电动平台（13）上，在计算机（19）控制下，样品池随着二维电动平台（13）进行移动；所述计算机（19）的输入端通过信号线分别与所述的二维电动平台（13）、液晶空间光调制器（7）、位置敏感探测器（17）以及快速相机（18）相连；所述计算机（19）实时计算设定的全息相位图并通过计算机图形卡以及DVI信号线将相位图实时地加载到液晶空间光调制器（7）上；所述计算机（19）通过信号采集和测量系统采集并存储位置敏感探测器（17）以及快速相机（18）所产生的时序信号和图像序列。

2.根据权利要求1所述的一种基于新型杂化光镊的软物质综合测量装置，其特征在于：该装置还包括：两个可翻转的镜框；所述全息光镊光路和单光镊光路的切换是通过第一可翻转反射镜（4）、第二可翻转反射镜（5）的同时翻转来实现的，其中第一可翻转反射镜（4）和第二可翻转反射镜（5）分别固定于两个可翻转的镜框上；当第一可翻转反射镜（4）和第二可翻转反射镜（5）两个可翻转反射镜位于光路中时，该装置工作在高精度的单光镊模式；当第一可翻转反射镜（4）和第二可翻转反射镜（5）两个可翻转反射镜同时切换到一侧，该装置工作在全息光镊模式；其中激光器（1）、由第一平凸透镜（2）和第二平凸透镜（3）组成的第一望远镜、由第三平凸透镜（8）和第四平凸透镜（9）组成的第二望远镜为全息光镊和高精度单光镊的公用部分。

3.根据权利要求2所述的一种基于新型杂化光镊的软物质综合测量装置，其特征在于：该装置还包括机械爬升装置，采用机械爬升装置将光束高度提升到与显微镜耦合高度相匹配；第二望远镜的两个平凸透镜分别位于光路爬升架的两侧；单光镊采用在线标定，所用激光器具有很高的指向稳定性和功率稳定性，对探测器响应以及光阱刚度的标定在数秒内完成。

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