CN104001692B - 一种基于全息光镊原理清洗材料的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全息光镊原理清洗材料的装置及方法，此方法适合清洗一些贵重且体积极小的材料。就是利用空间光调制器(SLM)与荧光倒置显微镜构建全息光镊系统来对微粒进行捕获与操控。本方法具体如下：首先构建好全息光镊系统，该全息光镊系统可以对微粒进行捕获与操控。然后通过空间光调制器，让整形过的光束射入到显微镜里，通过调整望远系统以及显微镜的微调旋钮，让光束的焦平面在材料表面的上平面。最后调大激光器的功率就可以观察到吸附在材料表面的微粒被光束控制住并浮到焦平面来，使用纯水冲洗即可洗去杂质微粒。该发明操作简单，易于实现，在对实现无损害无污染的清洗化学材料，医学材料等领域有广阔的应用前景。

Description

一种基于全息光镊原理清洗材料的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于全息光镊原理清洗材料的装置及方法。

背景技术

近年来光镊技术的应用领域越来越广，如如对细胞、细胞器及染色体进行捕获、分选、操纵、弯曲细胞骨架、克服分子马达力引起的细菌旋转动力、测定马达蛋白作用力、研究动力原蛋白运动机制、DNA分子的非弹性拉伸应变，以及对膜体系进行定量研究等等。

光镊采用激光实现对微粒的俘获与操纵，与样品之间没有机械接触，不会对样品产生机械损伤；不会对样品的周围环境产生污染与干扰，减少了检测中的不确定因素。光镊能够俘获与操控的微粒大小约是几十纳米到几十微米，而细胞、细胞器及生物大分子等生物微粒恰好属于这一范围，所以光镊技术特别适合生物微粒的俘获与操纵，同时对生物微粒的生命活动干扰极小，生物微粒生命活动变化能得到完整的保留，使研究者能实时观测，这是其它的研究方法所不具备的。另外，光镊的对微粒的作用不是刚性的，可以在操作过程中实时测量微粒间微小的相互作用力。

目前材料清洗的仪器在市面上主要以UV紫外光清洗机和超声波清洗器为主，这两类清洗仪器都有个共同的缺点，就是应用范围较窄，容易对特殊材料的表面产生损伤。

发明内容

为了克服目前一般方法只能对普通材料进行清洗而不能对特殊材料进行无损清洗的问题，本发明提供一种能够实现对材料无污染，无损伤且清洗时间短的清洗装置及方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是：一种基于全息光镊原理清洗材料的装置，包括激光发生装置、空间光调制器、傅里叶变换透镜、圆孔光阑、聚焦透镜、设有图像传感器的显微镜和计算机，所述的激光发生装置所发出的激光照射至空间光调制器上，计算机的输出端连接至空间光调制器的控制端以使空间光调制器形成全息图，空间光调制器反射加载了全息图的激光依次穿过傅里叶变换透镜、圆孔光阑和聚焦透镜，激光穿过显微镜的载物台上所放置的需清洗材料并照入显微镜的物镜中，显微镜通过图像传感器将激光成像图像输出至计算机中。

所述的一种基于全息光镊原理清洗材料的装置，所述的激光发生装置包括可调功率的激光器、用于使激光器所发出的激光成为点光源的扩束准直装置和用于使点光源成为平行光束的凸透镜，所述的激光器发出的激光依次穿过扩束准直装置和凸透镜后照射到空间光调制器上。

所述的一种基于全息光镊原理清洗材料的装置，所述的的显微镜为倒置显微镜。

所述的一种基于全息光镊原理清洗材料的装置，构建所述的空间光调制器所形成的全息图包括以下步骤，首先观测待清洗材料上的微粒，确定微粒之间平均间距的大小，然后绘制一个由均匀分布的点构成的点阵图片，点阵图片中各点间的间距不大于微粒间的平均间距，最后将点阵图片作为Gerchberg-SaxtonAlgorithm即GS算法的约束条件，运行GS算法即生成全息图。

所述的一种基于全息光镊原理清洗材料的装置，所述的傅里叶变换透镜的焦距为10-30cm。

所述的一种基于全息光镊原理清洗材料的装置，所述的圆孔光阑的孔径大小为2mm-28mm。

所述的一种基于全息光镊原理清洗材料的装置，所述的聚焦透镜的焦距与聚焦透镜与显微镜物镜的距离相同，以使穿过圆孔光阑的激光在显微镜的载物台上成像。

所述的装置来进行清洗材料的方法，包括以下步骤：

步骤一：首先观测待清洗材料上的微粒，确定微粒之间平均间距的大小，然后绘制一个由均匀分布的点构成的点阵图片，点阵图片中各点间的间距不大于微粒间的平均间距，最后将点阵图片作为Gerchberg-SaxtonAlgorithm即GS算法的约束条件，运行GS算法即生成全息图；

步骤二：打开激光发生装置和空间光调制器，并通过计算机将全息图输入至空间光调制器上，激光照射到空间光调制器上以加载全息图，然后经光路在显微镜上成像；

步骤三：将待清洗的材料放置到显微镜的载物台上，调整激光发生装置功率直至从显微镜中看到杂物微粒被吸引离开材料表面到达激光光斑焦平面；

步骤四：用纯水冲洗材料以洗去杂物微粒。

本发明的技术效果在于，通过空间光调制器使激光加载点光矩阵全息图，让整形过的光束射入到显微镜里，通过光路调整，就可以使吸附在材料表面的杂质微粒快速的被光束控制住并浮到焦平面来，用纯水冲洗即可冲走杂质微粒，从而实现对材料无损伤，快速清洗杂物的目的。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为光镊清洗的几何光学原理图；

图2为本发明的装置示意图；

图3为本发明实施例中作为杂质微粒的聚苯乙烯小球示意图；

图4为激光光斑示意图；

图5为聚苯乙烯小球被吸附至焦平面的过程示意图。

其中，1为激光器、2为扩束准直装置、3为凸透镜、4为计算机、5为空间光调制器、6为傅里叶变换透镜、7为圆孔光阑、8为全反射镜、9为聚焦透镜、10为显微镜。

具体实施方式

对于直径大于波长的米氏散射粒子来说，俘获力的产生可通过光折射和动量守恒来分析。如果梯度力和散射力能够达到平衡，就能够实现对粒子的稳定俘获，这就形成了光镊的势阱。下面是由Ashkin给出的这些力的定量表达式：

散射力： $F_s=\frac{\mathrm{np}}{c}\{1+R\cos 2a-\frac{T^2[\cos (2a-2b)+R\cos 2a]}{1+R^2+2R\cos 2b}\}$

梯度力： $F_g=\frac{\mathrm{np}}{c}\{R\sin 2a-\frac{T^2[\sin (2a-2b)+R\sin 2a]}{1+R^2+2R\cos 2b}\}$

其中，R、T分别为分界面处光线的反射率和折射率；a、b分别为入射角和折射角；n为作用对象周围介质的折射率；P是激光功率；c为真空中光传播速度。

如果散射力和梯度力能够达到平衡,就能够实现对粒子的稳定俘获。若梯度力大于散射力，粒子就会向焦点处运动。即可以控制粒子，粒子随着焦点的改变而运动。

利用这个原理，就可以把光镊应用在材料清洗上。当粒子吸附在材料表面时，若合力F＝F_s-F_g大于粒子的吸附力F1时，那么粘在材料表面的粒子就可以离开材料表面，从而达到清洗的功能。

参见图1，图中圆环指的是微粒，是被清洗的对象。首先部分入射光线a在微粒的作用下发生反射(如图中的a1所示)而偏离原来的传播方向导致光子动量发生变化(如图中Δa所示)。由于动量守恒，光子与微粒发生动量交换，最终微粒受到一个与Δa方向相反的力F_a’(如图中F_a’所示)。

同理可知，入射光线b对粒子施加F_b’的作用力(如图中F_b’所示)。F_a’和F_b’所产生的合力就是散射力F_s(如图中F_s所示)。

另一部分入射光线a在微粒的作用下发生折射(如图中的a1’所示)而偏离原来的传播方向导致光子动量发生变化(如图中Δa’所示)。由于动量守恒，光子与微粒发生动量交换，最终微粒受到一个与Δa’方向相反的力Fa(如图中Fa所示)。同理可知，入射光线b对微粒施加Fb的作用力(如图中Fb所示)。Fa和Fb所产生的合力就是梯度力F_g(如图中F_g所示)。

F表示梯度力F_g与散射力F_s的合力。F1表示微粒吸附在材料表面的吸附力。若激光的功率达到一定值，就有F大于F1，即有微粒挣脱材料表面对它的吸附力，从而上浮，达到清洗的功能。

参见图2，本实施例中使用的空间光调制器(SLM)为BNS公司生产的型号为XYphaseseriesSLM的纯相位空间光调制器。激光器所发射激光波长为532nm，光经由激光器发出，经扩束准直系统扩束后透过凸透镜，可保证穿过该透镜的光是平行光束，接下来光束入射到空间光调制器，将事先准备好的用于光束整形的全息图经计算机输入到SLM上，经激光照射后，SLM上的全息图的信息便加载到激光束上，并由SLM将调制后的激光反射出去。调制后的激光光束由傅里叶变换透镜进行傅里叶变换，这里是利用透镜的傅里叶变换的作用来代替光束的空间衍射传播。变换之前的输入为未经过衍射传播的整形光束；变换之后的输出为目标光场。透镜前的平面为物面，透镜后的平面称为分数傅立叶变换域面(衍射平面)。在光波从物面传播至衍射平面的过程中，共经历三个过程：

(1)自由空间的菲涅耳衍射，这是光从物面传到透镜前表面的过程；若f(x)为初始光场分布，f₁(x₁)为透镜前表面光场分布，用公式可将此过程描述为：

$f_1\left(x_1\right)=\frac{\exp \left(\mathrm{jkz}\right)}{\mathrm{j\λz}}\×\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}f\left(x\right)\×\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{{(x-x_1)}^2}{\mathrm{\λz}}\right)\mathrm{dx}$

(2)透镜的位相转换作用。这是透镜前表面光场分布传播穿过透镜的过程。若用f₂(x₂)表示透镜后表面光场分布，此透镜位相变换的过程可描述为：

$f_2\left(x_1\right)=f_1\left(x_1\right)\×\exp (-\mathrm{j\π}\frac{{\left(x_1\right)}^2}{\mathrm{\λf}})$

(3)自由空间的菲涅耳衍射。这是光场从透镜后表面传播到分数傅立叶变换域面的又一个菲涅耳衍射过程。此过程在衍射面所得结果为：

$f_p\left(x_p\right)=\frac{\exp \left(\mathrm{jkz}\right)}{\mathrm{j\λz}}\×\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}{f}_2\left(x_1\right)\×\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{{(x_p-x_1)}^2}{\mathrm{\λz}}\right)d{x}_1$

λ指激光波长；z指物面到衍射平面的距离；f指透镜的焦距。

经变换后的光线通过圆孔光阑时，可阻挡部分光，只留我们需要的全息图光线通过。在本实施例中，为了使激光准确的照射到聚焦透镜中，故采用了全反射镜来对激光光路进行折射，若在实施中，从圆孔光阑照射出来的激光能够准确的照射到聚焦透镜和显微镜中，则并不需要在此处设置全反射镜，而本实施例中的激光经过全反射镜后，调整了光的角度，使光束直线射入到显微镜光接纳孔中。在激光照射到显微镜中之前，最后只需要穿过两个透镜构成的一个聚焦透镜中，便把在由透镜进行傅里叶变换后的焦点处形成的全息图缩小后成像在显微镜的物镜焦点处。本发明使用的倒置显微镜为奥林巴斯公司生产的型号为IX71的荧光显微镜。它是自带照明光源和CCD图像传感器。这时计算机就可以用于处理和显示CCD图像传感器传输过来的图像与视频。

本实施例采用的样品是3um的聚苯乙烯小球，样品用去离子水稀释后取几滴溶液滴在载玻片上，放置一段时间后，载玻片上的聚苯乙烯小球就会有一部分沉淀在载玻片的表面上。我们的目的就是通过全息光镊原理将沉淀在载玻片表面上的聚苯乙烯小球吸附到光斑焦平面，然后用清水冲洗，从而达到快速清洗的功能。

下面举例说明具体的操作过程。首先构建好全息光镊系统，将放置一段时间的样品放到载物台上。然后打开激光器，将激光器的功率调到1mw；打开显微镜以及配套的电脑软件，先在显微镜里找到沉淀在载玻片表面的微粒平面。然后调节显微镜的微调，调到微粒的上平面找到激光光斑，用鼠标标记光斑的位置。最后调大激光器的功率至40mw，移到载物台的样品，我们就可以看到聚苯乙烯小球被吸附到光斑的焦平面来，从而实现了清洗功能。本发明还可以对光束进行整形。如果需要同时捕获多个微粒，就需要制作一个点光矩阵全息图，首先观测待清洗材料上的微粒，确定微粒之间平均间距的大小，然后绘制一个由均匀分布的点构成的点阵图片，点阵图片中各点间的间距不大于微粒间的平均间距，这样就可以有效的吸引微粒，最后将点阵图片作为Gerchberg-SaxtonAlgorithm即GS算法的约束条件，运行GS算法即生成全息图，通过空间光调制器使点阵图加载到激光上，让整形过的光束射入到显微镜里，通过调整望远系统以及显微镜的微调旋钮，就可以达到吸附在载玻片表面的聚苯乙烯小球快速的被光束控制住的效果，然后微粒都浮到焦平面来。从而实现对材料无损伤，快速清洗杂物的目的。

Claims (7)

1.一种基于全息光镊原理清洗材料的装置，其特征在于，包括激光发生装置、空间光调制器、傅里叶变换透镜、圆孔光阑、聚焦透镜、设有图像传感器的显微镜和计算机，所述的激光发生装置所发出的激光照射至空间光调制器上，计算机的输出端连接至空间光调制器的控制端以使空间光调制器形成全息图，空间光调制器反射加载了全息图的激光依次穿过傅里叶变换透镜、圆孔光阑和聚焦透镜，激光穿过显微镜的载物台上所放置的需清洗材料并照入显微镜的物镜中，显微镜通过图像传感器将激光成像图像输出至计算机中。

2.根据权利要求1所述的一种基于全息光镊原理清洗材料的装置，其特征在于，所述的激光发生装置包括可调功率的激光器、用于使激光器所发出的激光成为点光源的扩束准直装置和用于使点光源成为平行光束的凸透镜，所述的激光器发出的激光依次穿过扩束准直装置和凸透镜后照射到空间光调制器上。

3.根据权利要求1所述的一种基于全息光镊原理清洗材料的装置，其特征在于，所述的显微镜为倒置显微镜。

4.根据权利要求1所述的一种基于全息光镊原理清洗材料的装置，其特征在于，所述的傅里叶变换透镜的焦距为10-30cm。

5.根据权利要求1所述的一种基于全息光镊原理清洗材料的装置，其特征在于，所述的圆孔光阑的孔径大小为2mm-28mm。

6.根据权利要求1所述的一种基于全息光镊原理清洗材料的装置，其特征在于，所述的聚焦透镜的焦距与聚焦透镜与显微镜物镜的距离相同，以使穿过圆孔光阑的激光在显微镜的载物台上成像。

7.一种采用如权利要求1-6任一所述的装置来进行清洗材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：首先观测待清洗材料上的微粒，确定微粒之间平均间距的大小，然后绘制一个由均匀分布的点构成的点阵图片，点阵图片中各点间的间距不大于微粒间的平均间距，最后将点阵图片作为Gerchberg-SaxtonAlgorithm即GS算法的约束条件，运行GS算法即生成全息图；

步骤二：打开激光发生装置和空间光调制器，并通过计算机将全息图输入至空间光调制器上，激光照射到空间光调制器上以加载全息图，然后经光路在显微镜上成像；

步骤三：将待清洗的材料放置到显微镜的载物台上，调整激光发生装置功率直至从显微镜中看到杂物微粒被吸引离开材料表面到达激光光斑焦平面；

步骤四：用纯水冲洗材料以洗去杂物微粒。