CN103983808A

CN103983808A - 一种微纳颗粒双向传输和可控性定位的光学方法

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Publication number: CN103983808A
Application number: CN201410255591.7A
Authority: CN
Inventors: 李宝军; 雷宏香
Original assignee: Sun Yat Sen University
Current assignee: Sun Yat Sen University
Priority date: 2014-06-10
Filing date: 2014-06-10
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2034-06-10
Also published as: CN103983808B

Abstract

本发明公开一种微纳颗粒双向传输和可控性定位的光学方法，包括：制备用于微纳颗粒双向传输和定位的传输定位光纤，传输定位光纤包括有微纳光纤及位于微纳光纤两端的光纤锥，将传输定位光纤悬置于载物台上，吸取含有微纳颗粒的悬浮液滴到载物台上，悬浮液完全浸没微纳光纤及两端的光纤锥；传输定位光纤两端分别连接激光光源，一端的激光光功率固定，一端的激光光功率可调，通过调节另一端激光的光功率实现微纳颗粒的双向传输和定位；两端激光的波段相同，要求该波段的激光对液体环境及生物体不吸收或弱吸收；当两端的光功率不相同时，微纳颗粒朝功率低的一侧传输；当两端的功率相同时，微纳颗粒可实现定位。本发明具有结构紧凑、灵活快捷、成本低廉、无损伤的优点。

Description

一种微纳颗粒双向传输和可控性定位的光学方法

技术领域

本发明涉及微纳光子学领域，更具体地，涉及一种微纳颗粒双向传输和可控性定位的光学方法。

背景技术

自从20世纪80年代光镊系统诞生之日起，光捕获和光操控技术开始受到全世界学者的关注，并得到了迅速的发展。利用该技术可准确捕获和操控小至原子、纳米微粒，大至生物大分子、细胞、细菌等的微小物体。

由于光捕获和光操控具有精度高、非接触、无损伤等特点而在生物、物理、化学、医学等领域引起广泛的重视，并成为近20多年来微纳光子学领域十分活跃的前言课题之一。传统的光镊基于高功率激光器和高数值孔径透镜组合，一般体积庞大，价格昂贵，且工作距离短、样品移动自由度小，因此要操控深孔或毛细血管等狭窄位置中的颗粒难度较大，而较高的激光功率也存在着破坏部分样品周围环境的可能性。这些固有的缺点限制了传统光镊在微纳技术尤其是微纳光子学中的应用。

近年来新兴起的光纤光镊技术较好地解决了这些问题。光纤光镊是指利用光纤端面（熔拉成抛物线形状或大锥角透镜形状等等）出射的聚焦激光束来实现对微颗粒的捕获和操控。但是这种方法跟传统光镊相似，都需要将光束进行聚焦，这使得光学梯度力的作用区域比较有限，当光传播较远时，光力迅速减弱，这时将不能对颗粒起作用。借助于介质表面处的倏逝波可以克服以上不足。其中，垂直于介质波导表面的倏逝波场存在较强的光学梯度，能够将微小物体捕获到波导表面；而沿着波导表面倏逝波传输方向的光散射力则推动其向前运动。

目前，人们已经利用平面波导器件、环形波导谐振器、基于等离激元的金属波导器件等等成功实现对介质颗粒、生物细胞、金属颗粒等的捕获和操控。但是这些波导结构制作工艺复杂、且尺寸较大（需要衬底），而且捕获在波导表面的微颗粒在光散射力的作用下会持续传输，这也限制了一些其它的功能（譬如靶向传输、可控性定位、释放等）。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷（不足），提供一种微纳颗粒双向传输和可控性定位的光学方法，该方法具有成本低廉、无损伤环境的特点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种微纳颗粒双向传输和可控性定位的光学方法，包括以下步骤：

步骤S1：制备用于微纳颗粒双向传输和可控性定位的传输定位光纤，所述传输定位光纤包括无涂覆层的微纳光纤及位于微纳光纤两端的无涂覆层的光纤锥，所述光纤锥尖端线径与维纳光纤的线径相同，所述微纳光纤的线径为800 nm ~ 1.0μm，长度为200 ~ 400μm；

步骤S2：将传输定位光纤悬置于载物台上，并吸取含有微纳颗粒的悬浮液滴到载物台上，悬浮液完全浸没微纳光纤及两端的光纤锥；

步骤S3：传输定位光纤两端分别连接激光光源，一端的激光光功率固定，另一端的激光光功率可调，通过调节另一端激光的光功率实现微纳颗粒的双向传输和可控性定位；两端激光的波段相同，且该波段的激光对液体环境及生物体不吸收或弱吸收；

当两端的光功率不相同时，微纳颗粒朝功率低的一侧传输；

当两端的功率相同时，实现微纳颗粒的定位。

将上述制备好的传输定位光纤放悬置于载物台后，采用显微镜来观察微纳颗粒的双向传输和定位，通过调节一端激光的光功率的大小，借助于微纳光纤表面倏逝波场产生的光学梯度力和散射力，实现微纳颗粒的双向传输和定位控制，微纳颗粒的双向传输是指微纳颗粒朝着光功率低（光弱）的一侧传输，在两侧光功率相等时微纳颗粒可实现定位控制。

上述微纳光纤两端的光纤锥一般不会是传输定位光纤两端头，考虑到微纳光纤需要表面产生较强的倏逝波场但也要有较好的机械性能，在本发明中，微纳光纤的拉制成线径为800 nm ~ 1.0 μm（亚波长尺寸），长度约为200 ~ 400 μm。微纳光纤的长度越长，传输和定位距离会更长，但是损耗会加大，微纳光纤上的光功率会不均匀，当两边输入激光，会出现两边颗粒均向中心传输的情形。200-400um长度可以近似认为光功率几乎均匀分布，而且太长了光纤的机械性能会变很差。为了避免光泳或者热效应的产生，传输定位光纤两端输入的激光的波段对液体环境及生物体不吸收或弱吸收。

当通光后，微纳光纤周围的微纳颗粒能够被微纳光纤表面倏逝波场产生的光学梯度力（指向纤芯光强的方向）捕获到表面，进而被光学散射力（沿着光传播方向）推动并沿着光纤表面传输；当微纳光纤两侧通光时，光学梯度力因方向相同叠加而获得增强，而光学散射力因方向相反而部分抵消，所以捕获在光纤表面微纳颗粒的运动行为可通过改变一侧的光功率而控制。即，哪一侧光功率更小时，微纳颗粒就会向着这一侧传输；两边光功率相等时，微纳颗粒可定位在原地。

在一种优选的方案中，所述传输定位光纤的制备过程为：剥去标准单模光纤一段的涂覆层，对剥去涂覆层后的光纤加热至熔融，将熔融部分以3~6 mm/s的速度拉制成包括线径为700 nm~1.0 μm，长度为200~400 μm的微纳光纤及两端的光纤锥。在此处，剥去涂覆层的光纤是标准单模光纤中除两端的任一段。

在一种优选的方案中，是通过光纤调节架拉制熔融部分。

在一种优选的方案中，所述微纳光纤的表面是光滑的。

在一种优选的方案中，所述微颗粒悬浮液的制备是按照1:1000的体积比将颗粒粉末用去离子水稀释后，再利用超声机超声的方法。

在一种优选的方案中，所述载物台为载玻片。

在一种优选的方案中，所述激光的波长为980 nm；光功率为0 ~ 20 mW。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.本发明采用微纳光纤实现微纳颗粒双向传输和定位的控制，明显具有尺度上的优势，且该微纳光纤制作简单、快速，自由灵活、成本低廉，可避免现有技术设备复杂、庞大等问题。

2.本发明采用的微纳光纤可以集成到微纳器件上对微纳颗粒进行双向传输和可控性定位，具有结构紧凑、成本低廉等优点；

3.本发明借助微纳光纤表面倏逝波捕获和操控的原理，在低功率下就可以实现对微纳颗粒的双向传输和可控性定位，具有无接触、无损伤、快捷高效等优点。

附图说明

图1为试验装置和制作流程示意图。

图2（a）为试验纳米颗粒（直径为713.3 nm的聚苯乙烯（PS）颗粒）的扫描电子显微镜图片。

图2（b）为微纳光纤的扫描电子显微镜（SEM）图片。

图2（c）为浸没在颗粒悬浮液中的微纳光纤光学显微图片。

图3为CCD拍摄的PS纳米颗粒双向操控和可控性定位的光学显微图片。

图4为PS纳米颗粒的传输速度及其所受的光学散射力随着两侧输入功率差的变化关系图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

一种对微纳颗粒双向传输和可控性定位的光学方法，包括以下步骤，如图1：

（1）制备用于微纳颗粒双向传输和可控性定位的微纳光纤，如图1（a）。将一根标准单模光纤，在本实施例中，标准单模光纤是Corning SMF-28，芯径8.2 μm，包层直径125 μm，连接头类型为FC/PC；剥去中间一段（约20 mm）涂覆层后平行放置于酒精灯上方外焰处，静置30 s左右待光纤熔融后借助于两边的光纤调节架以3~6 mm/s的速度将熔融部分拉制成线径800 nm ~1.0 μm，长度约200~ 400 μm的微纳光纤。这里既要考虑到微纳光纤表面需要产生较强的倏逝波场，同时也要考虑到要有较好的机械性能。

（2）将制备好的微纳光纤水平悬置于载玻片上，并整体置于显微镜载物台上，如图1（b）。这里使用的显微镜物镜参数，包括放大倍数 (MT)、数值孔径 (NA) 及工作距离为(WD)：×5 (NA = 0.10, WD = 19.0 mm), ×20 (NA = 0.40, WD = 11.2 mm), ×40 (NA = 0.50, WD = 10.0 mm), ×50 (NA = 0.75, WD = 1.5 mm), and ×100 (NA = 0.73, WD = 1.0 mm)。图1（b）中，1-980nm激光器Ⅰ、2-光隔离器、3-光纤、4-悬浮液、5-微纳颗粒、6-光纤调节架、7-载玻片、8-载物台、9-物镜、10-计算机、11-980nm激光器Ⅱ、12-显微镜。

（3）使用吸管吸取少量微纳颗粒悬浮液体滴到载玻片上，使液滴完全浸没微纳光纤及其两端的光纤锥部分。这里，微颗粒悬浮液的制备是采取先将颗粒粉末用去离子水稀释后，其稀释比为1：1000；再用超声机超声的方法得到。

（4）光纤两端分别连接980 nm 激光光源，打开激光器，保持微纳光纤右端光功率不变（P ₂ = 10 mW），改变左端光功率（P ₁ = 0 ~ 20 mW），借助于微纳光纤表面倏逝波场产生的光学梯度力和散射力，即可实现微纳颗粒的双向传输（朝着光弱的一侧传输）和可控性定位（两侧光功率相等时）。这里，采用波长为980 nm的激光光源，其原因在于该波段对于液体环境及生物体都是弱吸收的，避免光泳或者热效应的产生；当通光后，微纳光纤周围的微纳颗粒能够被光纤表面倏逝波场产生的光学梯度力（指向纤芯光强的方向）捕获到表面，进而被光学散射力（沿着光传播方向）推动并沿着光纤表面传输；当微纳光纤两侧通光时，光学梯度力因方向相同叠加而获得增强，而光学散射力因方向相反而部分抵消，所以捕获在光纤表面微纳颗粒的运动行为可通过改变一侧的光功率而控制，如图1（c）。

实施例1

以传输和定位713.3 nm的聚苯乙烯（PS）颗粒为例来说明，其扫描电子显微镜（SEM）图片详见图2（a）所示。为了说明通过本实施例步骤（1）所制得的微纳光纤的良好性能，SEM可用于表征它的形貌。举例说明，图2（b）展示了一条线径为910 nm的纳米光纤SEM图片，说明熔融拉伸法制得的微纳光纤表面光滑，线径均匀，这对后续的传输和定位微纳颗粒实验非常关键。图2（c）展示了910 nm 光纤浸没在713.3 nm PS颗粒悬浮液中的光学显微图片。

图3 显示了CCD连续拍摄的在不同输入功率下的颗粒传输和定位的光学显微图片，保持右端光功率P ₂ = 10 mW不变。实验记录的初始时刻，t = 0 s，P ₁ = P ₂ = 10 mW，被捕获于微纳光纤表面的PS颗粒静止并定位在相应的位置；只要两边光功率不变，颗粒将持续这种状态，如t = 2 s。从t = 2 s 到t = 6 s，将左端光功率由P ₁ = 10 mW 提高到P ₁ = 15 mW，所有定位在微纳光纤表面的PS颗粒开始朝着功率小的一端（右端）传输。图3中分别列举了t = 6、10、14 s时向光纤右端传输的光学显微图片，从中可以看出颗粒传输的速度是比较稳定的。如标注A、B的颗粒，从t = 6 s到14 s，向右传输的距离分别为44 μm和43μm，估计的平均传输速度为5.4 μm/s。t = 14 s到17 s持续这样的状态不变。从t = 17 s 到t = 20 s，将左端光功率重新调回P ₁ = 10 mW，发现向右端传输的颗粒开始减速直到停止在微纳光纤的表面，即再次实现了定位功能，如t = 20 s 和t = 22 s所示。从t = 22 s 到t = 26 s，将左端光功率P ₁ = 10 mW 减小到P ₁ = 5 mW，所有定位在微纳光纤表面的PS颗粒开始运动，并朝着另一端（左端）传输。图中列举了t = 26、30、34 s时向左端传输的光学显微图片。从t = 26 s到34 s，标注C、D的颗粒，向左传输的距离分别为15μm和26 μm，估计的平均传输速度为2.6 μm/s。

为了进一步调查输入光功率对双向传输和定位的影响，图4 显示了不同的输入光功率差（ΔP = P ₁ - P ₂）下颗粒传输速度及受到的光学散射力大小。这里假设向右端传输的方向为正方向。从该图可以看出，颗粒的传输速度随着ΔP的增加几乎是线性递增的。当 ΔP = 0，即两端光功率相等时，传输速度v = 0 μm/s，即颗粒将停止在微纳光纤的表面；当 ΔP > 0，即左端光功率大于右端时，颗粒的传输速度v > 0μm/s, 即颗粒朝着功率小的一端（右端）传输；当ΔP < 0，即左端光功率小于右端时，颗粒的传输速度v < 0 μm/s，即颗粒朝着功率小的一端（左端）传输。由此，只要改变两端光功率差即可实现微纳颗粒双向传输和可控性定位的功能。颗粒所受到的光学散射力可以通过斯托克斯定律来计算（F = 6πrην，其中 r = 356.5 nm指颗粒半径，η = 8.9 ×10^?4 Pa·s 指室温下水的动态粘度），如图4所示。可以看出，用于传输和定位的PS颗粒所受到的光学散射力的大小接近皮牛（pN）量级，且随着ΔP的增加同样呈现递增的趋势。

本发明能够实现在微纳尺度狭小空间内对微纳颗粒的双向传输和可控性定位，这对微纳光子学的进一步发展十分有利。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种微纳颗粒双向传输和可控性定位的光学方法，其特征在于，包括：

当两端的光功率不相同时，微纳颗粒朝功率低的一侧传输；

当两端的功率相同时，实现微纳颗粒的定位。

2.根据权利要求1所述的微纳颗粒双向传输和可控性定位的光学方法，其特征在于，所述传输定位光纤的制备过程为：剥去标准单模光纤一段的涂覆层，对剥去涂覆层后的光纤加热至熔融，将熔融部分以3~6 mm/s的速度拉制成包括线径为800 nm~1.0μm，长度为200~ 400μm的微纳光纤及两端的光纤锥。

3.根据权利要求2所述的微纳颗粒双向传输和可控性定位的光学方法，其特征在于，通过光纤调节架拉制熔融部分。

4.根据权利要求2所述的微纳颗粒双向传输和可控性定位的光学方法，其特征在于，所述微纳光纤的表面是光滑的。

5.根据权利要求1所述的微纳颗粒双向传输和可控性定位的光学方法，其特征在于，所述微颗粒悬浮液的制备是按照1:1000的体积比将颗粒粉末用去离子水稀释后，再利用超声机超声的方法。

6.根据权利要求1所述的微纳颗粒双向传输和可控性定位的光学方法，其特征在于，所述载物台为载玻片。

7.根据权利要求1所述的微纳颗粒双向传输和可控性定位的光学方法，其特征在于，所述激光的波长为980 nm；光功率为0 ~ 20 mW。