CN103990379A - 一种微颗粒或生物细胞的光学分离方法和装置 - Google Patents

一种微颗粒或生物细胞的光学分离方法和装置 Download PDF

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李宝军
雷宏香
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Abstract

本发明涉及微纳光子学领域,尤其涉及一种微颗粒或生物细胞的光学分离方法和装置,其分离方法包括以下步骤:制备用于分离微颗粒或生物细胞的分离光纤;将制备好的分离光纤置于含有待分离的微颗粒或生物细胞的液体中,分离光纤与液体接触的部分为微纳光纤;从分离光纤的任意一端输入满足以下条件的激光:水对该波段激光有吸收;微颗粒或生物细胞在该波段激光照射下透明;液体流经微纳光纤时,不同尺寸的微颗粒或生物细胞将会被捕获于下游的不同位置,从而实现空间上的分离。本发明借助的逆向光泳捕获和分离原理,在低功率下就可以实现对微颗粒或生物细胞的分离功能,具有无损伤、快捷高效等优点。

Description

一种微颗粒或生物细胞的光学分离方法和装置
技术领域
本发明涉及微纳光子学领域,尤其涉及一种微颗粒或生物细胞的光学分离方法和装置。
背景技术
混合物中微颗粒或生物细胞的分离是一项非常有意义的工作,在样品储备、细胞培养、生物医学和化学分析、以及进一步形成功能化集成芯片等方面具有巨大的应用前景。目前,微流中分离颗粒较为有效的物理方法通常是采用基于均匀电场的电泳技术、基于不均匀电场的介电泳技术、基于不均匀磁场的磁泳技术,以及基于声波的声泳技术。在这些方法中,不同尺寸的颗粒在力的作用下流向不同的通道,从而可以实现空间上的分离。尽管这些方法是有效的,但就所需的核心器件而言,电泳技术需要使用呈一定图形排列的电极,磁泳技术需要使用永久性磁铁,而声泳技术则需要使用压电陶瓷传感器,因而,核心装置通常需要占用较大体积,很难在狭小的空间内(微纳尺寸,例如血管和生物毛细管内)进行微小物体的捕获和分离。除了以上技术外,还有一种分离方法称为光色谱法。它是一种光学分离技术,利用来自弱聚焦光束的光辐射压力和流体给予的拖力之间的平衡,从而实现不同尺寸颗粒在不同平衡位置上的分离。这种光辐射压力的大小只有几个或数个飞牛或皮牛量级,作用范围约几个微米,因此很难在短时间内,对较大范围内的微颗粒进行有效分离。而通过加大激光光强则存在着破坏、杀伤所操控生物体的潜在危险。
发明内容
针对现有技术的缺点,本发明的主要目的是提供一种结构紧凑、灵活快捷、成本低廉、无损伤的微颗粒或生物细胞的光学分离方法。
本发明的又一目的是提出一种微颗粒或生物细胞的光学分离装置。
为实现上述目的,本发明的技术方案为:
一种微颗粒或生物细胞的光学分离方法,其包括以下步骤:
S1:制备用于分离微颗粒或生物细胞的分离光纤,所述分离光纤包括有无涂覆层的微纳光纤,所述微纳光纤的线径为800nm~6μm、长度为200~400μm;
S2:将制备好的分离光纤置于含有待分离的微颗粒或生物细胞的液体中,分离光纤与液体接触的部分为微纳光纤;
S3:从分离光纤的任意一端输入激光,液体流经微纳光纤时,不同尺寸的微颗粒或生物细胞被捕获于下游的不同位置,从而实现微颗粒或生物细胞在空间上的分离;
上述激光的波段满足以下条件:水对该波段激光有吸收;所需分离的微颗粒或生物细胞在该波段激光照射下透明。
从光纤一端输入激光,将不同尺寸混合微颗粒悬浮液流经微纳光纤时,借助于逆向光泳力和流体拖力之间的平衡,不同尺寸的微颗粒将会被捕获于下游的不同位置,从而实现空间上的分离。为了使得微颗粒发生逆向光泳,其中输入的激光的波段必须是对水有一定的吸收且对所要分离的微颗粒透明。
其中光泳现象是指:当悬浮于液体环境中的微小物体受到一束光照射时,物体表面和内部不均匀分布的电磁能量通过物体本身及周围液体的吸收转化成物体表面的不均匀热分布,从而引起颗粒向着远离光源(正向光泳)或者接近光源(逆向光泳)的方向运动。在相同的入射光强度下,光泳力的大小通常要比光场梯度力大3至4个数量级,因此可以用来捕获和操控大量微颗粒或生物体群体。
在一种优选的方案中,在步骤S1中,所述分离光纤的制备过程为: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2-5mm/s的速度拉制成线径为800nm~6μm、长度为200~400μm的无涂覆层的微纳光纤。
上面采用熔融法拉制微纳光纤时,还会产生位于微纳光纤两端的无涂覆层的光纤锥,其中光纤锥尖端线径与维纳光纤的线径相同。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,在步骤S2中,分离光纤放置的方向与液体流向垂直。
在一种优选的方案中,在步骤S3中,所述液体流动的动力由微流泵提供。
在一种优选的方案中,在步骤S3中,所述激光采用1.55μm波段激光,通光功率小于160mW。
在一种优选的方案中,拉制微纳光纤的装置为光纤调节架。
本发明还提供了一种微颗粒或生物细胞的光学分离装置,包括固态载体和分离光纤,所述固态载体表面开设有相交的凹槽1和凹槽2,分离光纤放置于凹槽1,分离光纤包括有无涂覆层的微纳光纤,所述微纳光纤的线径为800nm~6μm、长度为200~400μm,微纳光纤与凹槽2相交。
在一种优选的方案中,所述固态载体为石英玻璃。
在一种优选的方案中,所述放置分离光纤的凹槽1为U型槽,其宽度为120~130μm,深度为90~150μm。
在一种优选的方案中,所述凹槽2的宽度为400~600μm,深度为90~150μm。
与现有技术相比,本发明具有如下优点:
1.本发明采用的分离光纤制作简单、快速,且自由灵活、成本低廉,避免现有技术设备复杂、庞大等问题。
2.本发明采用的分离光纤可以集成到微纳器件上对微纳颗粒或生物细胞进行分离,具有结构紧凑、成本低廉等优点;
3.本发明借助的逆向光泳捕获和分离原理,在低功率下就可以实现对微颗粒或生物细胞的分离功能,具有无损伤、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为微纳光纤的扫描电子显微镜(SEM)图片。
图3为混合颗粒悬浮液的光学显微图片。(a)5/10μm聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)颗粒;(b)2.08/5.65μm二氧化硅(SiO2)颗粒;(c)2.08μmSiO2颗粒和酵母细胞。
图4为借助于微纳光纤分离微颗粒的光学显微图片。
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。
一种微颗粒或生物细胞的光学分离方法,包括以下三个步骤,如图1(a-c):
S1:制备用于分离微颗粒或生物细胞的分离光纤,将一根标准单模光纤,在本实施例中,标准单模光纤是CorningSMF-28,芯径8.2μm,包层直径125μm,连接头类型为FC/PC;剥去中间中间约20mm的一段的涂覆层后平行放置于酒精灯上方外焰处,静置30s左右待光纤熔融后借助于两边的光纤调节架以2-5mm/s的速度将熔融部分拉制成线径为800nm~6μm,长度约为200~400μm的无涂覆层的微纳光纤和位于其两端无涂覆层的光纤锥,其中光纤锥的尖端线径与微纳光纤的线径相等。
S2:在石英玻璃上通过激光刻写技术制备U型槽和微流通道,将制备好的分离光纤水平放置于与微流通道垂直的U型槽中,分离光纤与微流通道相交处为微纳光纤。其中,微流通道和放置分离光纤的U型槽也可以采用其它方法制备;放置分离光纤的U型槽尺寸为:宽度125μm,深度120μm;微流通道与U型槽垂直,尺寸为:宽度500μm,深度120μm。
S3:从分离光纤一端输入1.55μm的激光,使用微流泵将不同尺寸的混合微颗粒悬浮液泵入微流通道中,当混合微颗粒悬浮液流经微纳光纤时,借助于逆向光泳力和流体拖力之间的平衡,不同尺寸的微颗粒将会被捕获于下游的不同位置,从而实现空间上的分离。其中,选择1.55μm为通光波段符合逆向光泳发生的条件,一个是水对该波段激光有吸收,其次是所需分离的微颗粒或生物细胞在该波段激光照射下透明。
为了说明通过本发明步骤S1所制得的微纳光纤的良好性能,扫描电子显微镜(SEM)可用于表征它的形貌。举例说明,图2展示了一条线径为1.2μm的微纳光纤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,这对后续的捕获和分离微颗粒实验非常关键。
本发明以分离5/10μmPMMA颗粒、2.08/5.65μmSiO2颗粒、2.08μmSiO2颗粒和酵母细胞为例来说明,其光学显微图片详见图3所示。
图4(a)显示了5/10μmPMMA颗粒的分离效果图。在1.2μm的微纳光纤中注入波长为1.55μm,功率为120mW的激光,当5/10μmPMMA颗粒悬浮液以8μm/s的速度流经微纳光纤时,两种微颗粒被捕获在距离微纳光纤分别为61μm(d1)和105μm(d2)的位置处,从而实现空间上的有效分离。图4(b)显示了2.08/5.65μmSiO2颗粒的分离效果图。在4.2μm的微纳光纤中注入波长为1.55μm,功率为150mW的激光,当2.08/5.65μmSiO2颗粒悬浮液以8μm/s的速度流经微纳光纤时,两种微颗粒被捕获在距离微纳光纤分别为118μm(d1)和158μm(d2)的位置处,从而实现了空间上的有效分离。图4(c)显示了2.08μmSiO2颗粒和酵母细胞的分离效果图。在5.8μm的微纳光纤中注入波长为1.55μm,功率为160mW的激光,当2.08μmSiO2颗粒和酵母细胞混合悬浮液以8μm/s的速度流经微纳光纤时,两种微颗粒被捕获在距离微纳光纤分别为144μm(d1)和194μm(d2)的位置处,从而实现了空间上的有效分离。
本发明能够实现在微纳尺度狭小空间内对大量微颗粒或生物细胞进行空间上的分离,这对微纳光子学的进一步发展十分有利。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件;
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明,不能理解为对本专利的限制;
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 (10)

1.一种微颗粒或生物细胞的光学分离方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:制备用于分离微颗粒或生物细胞的分离光纤,所述分离光纤包括有无涂覆层的微纳光纤,所述微纳光纤的线径为800nm~6μm、长度200~400μm;
S2:将制备好的分离光纤置于含有待分离的微颗粒或生物细胞的液体中,分离光纤与液体接触的部分为微纳光纤;
S3:从分离光纤的任意一端输入激光,液体流经微纳光纤时,不同尺寸的微颗粒或生物细胞被捕获于下游的不同位置,从而实现微颗粒或生物细胞在空间上的分离;
上述激光的波段满足以下条件:水对该波段激光有吸收;所需分离的微颗粒或生物细胞在该波段激光照射下透明。
2.根据权利要求1所述的微颗粒或生物细胞的光学分离方法,其特征在于,在步骤S1中,所述分离光纤的制备过程为: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2~5mm/s的速度拉制成线径为800nm~6μm、长度为200~400μm的无涂覆层的微纳光纤。
3.根据权利要求1所述的微颗粒或生物细胞的光学分离方法,其特征在于,在步骤S2中,分离光纤放置的方向与液体流向垂直。
4.根据权利要求1所述的微颗粒或生物细胞的光学分离方法,其特征在于,在步骤S3中,所述液体流动的动力由微流泵提供。
5.根据权利要求1所述的微颗粒或生物细胞的光学分离方法,其特征在于,在步骤S3中,所述激光采用1.55μm波段激光,通光功率小于160mW。
6.根据权利要求2所述的微颗粒或生物细胞的光学分离方法,其特征在于,拉制微纳光纤的装置为光纤调节架。
7.一种微颗粒或生物细胞的光学分离装置,其特征在于,包括固态载体和分离光纤,所述固态载体表面开设有相交的凹槽1和凹槽2,分离光纤放置于凹槽1,分离光纤包括有无涂覆层的微纳光纤,所述微纳光纤的线径为800nm~6μm、长度为200~400μm,微纳光纤与凹槽2相交。
8.根据权利要求7所述的微颗粒或生物细胞的光学分离装置,其特征在于,所述固态载体为石英玻璃。
9.根据权利要求7所述的微颗粒或生物细胞的光学分离装置,其特征在于,所述放置分离光纤的凹槽1为U型槽,其宽度为120~130μm,深度为90~150μm。
10.根据权利要求7所述的微颗粒或生物细胞的光学分离装置,其特征在于,所述凹槽2的宽度为400~600μm,深度为90~150μm。
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