CN104568883A - 一种光纤耦合的全内反射荧光显微成像芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开的光纤耦合的全内反射荧光显微成像芯片，所述全内反射荧光显微成像芯片包括光纤、固体波导纤芯以及包裹所述固体波导纤芯的固体波导包层，其中，所述固体波导纤芯的折射率大于所述固体波导包层的折射率，所述光纤的一端连接所述固体波导纤芯，所述光纤的另一端连接激光器；所述光纤用于将激光导入到所述固体波导纤芯，激光在固体波导纤芯中通过其四周界面发生全内反射进行传播。通过本发明的技术方案，能够提升激光耦合到高折射率介质中的效率，省去了复杂的光路调整过程，借助普通显微镜便可实现细胞膜表面情况的观察，降低了耗材和设备成本。

Description

一种光纤耦合的全内反射荧光显微成像芯片

技术领域

本发明涉及荧光显微成像技术领域，尤其涉及光纤耦合的全内反射荧光显微成像芯片。

背景技术

全内反射荧光显微镜(total internal reflection fluorescencemicroscope，TIRFM)技术是近年来新兴的一种光学成像技术,它利用的是光从高折射率到低折射率材料传播过程，当入射角大于临界角时会发生全反射，但全反射并不意味光完全无法透过界面，在界面会产生100-200nm的消逝波。因为激发光呈指数衰减的特性，只有靠近全反射面的样本区域产生荧光反射，大大降低背景光噪声干扰观测，故此项技术广泛应用于细胞表面物质的动态观察。

目前最为普遍的两种全内反射显微镜类型是棱镜型和物镜型。两者的不同主要在于通过不同的耦合方式将高折射率介质中入射光耦合进入到高折射率介质中，从而实现在高折射率介质界面观察细胞表面情况。这两种类型的全内反射显微镜都需要将光路很好的进行调整才能实现光的耦合效果：对于棱镜型而言，通过棱镜将外部光耦合进入高折射率的载玻片中，空间上要求精细调整光路，样品检测过程中不可轻易调整载玻片；对于物镜型而言，是利用激光从物镜边缘入射，物镜出射光斜入射至载玻片上，调节激光入射位置和角度，即可达到全内反射要求，从而实现消逝波照明，物镜型需要使用大数值孔径的物镜的成本较高，同时对激光的光路调整有较高的要求。

发明内容

本发明的目的在于提出一种光纤耦合的全内反射荧光显微成像芯片，能够提升激光耦合到高折射率介质表面的效率，省去复杂的光路调整，借助在普通显微镜变能实现细胞膜表面情况的观察，降低了耗材和设备成本。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种光纤耦合的全内反射荧光显微成像芯片，包括：光纤、固体波导纤芯以及包裹所述固体波导纤芯的固体波导包层，其中，所述固体波导纤芯的折射率大于所述固体波导包层的折射率，所述光纤的一端连接所述固体波导纤芯，所述光纤的另一端连接激光器；

所述光纤用于将激光导入到所述固体波导纤芯，激光在固体波导纤芯中通过其四周界面发生全内反射进行传播。

其中，所述固体波导纤芯的折射率为1.56，所述固体波导包层的折射率为1.33，所述全内反射在所述固体波导纤芯表面产生消逝波，用该消逝波激发位于所述固体波导纤芯表面的贴壁生长细胞的膜表面荧光蛋白。

其中，所述光纤的一端包埋在所述固体波导纤芯中。

其中，所述光纤的另一端为FC接口，该FC接口与激光器连接。

其中，所述固体波导包层的一端开设用于接入所述光纤的切口，所述切口与所述固体波导纤芯一端连通。

其中，所述切口为扇形切口。

其中，所述固体波导包层的远离光纤的一端设有通孔，所述通孔与所述固体波导纤芯另一端连通。

其中，所述固体波导纤芯、所述固体波导包层均为通过紫外固化而成。

其中，包括若干所述光纤和若干固体波导纤芯，且所述光纤和固体波导纤芯一一对应。

本发明还提供了一种所述的光纤耦合的全内反射荧光显微成像芯片的制作方法，包括：

工序一，制作出固体波导纤芯对应的阳模，将该阳模置于所述固体波导包层对应的紫外固化材料液中，通过紫外线照射实现固化，得到固体波导包层，该固体波导纤芯包层中包含与所述固体波导纤芯相适应的流道；

工序二，将工序一得到的固体波导包层的一端切割出一切口，另一端开设一通孔，所述切口、通孔分别连通所述流道的两端；

工序三,将所述固体波导包层压紧在平整的PDMS板表面，将光纤通过所述切口插入所述流道内；

工序四,通过所述通孔向所述流道内灌注所述固体波导纤芯对应的紫外固化材料液，通过紫外线照射固化。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明实施例通过设置光纤、固体波导纤芯以及包裹所述固体波导纤芯的固体波导包层，固体波导纤芯的折射率大于所述固体波导包层的折射率，光纤的一端连接固体波导纤芯，光纤的另一端连接激光器。使用时，通过内嵌的光纤将激光导入到固体波导纤芯，激光在固体波导纤芯中通过其四周界面发生全内反射进行传播，通过该全内反射在固体波导纤芯表面产生消逝波，用该消逝波可以在一台普通显微镜下对固体波导纤芯表面的贴壁生长细胞表面情况进行观察。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的光纤耦合的全内反射荧光显微成像芯片的结构示意图。

图2是本发明实施例的光纤耦合的全内反射荧光显微成像芯片的制作方法。

具体实施方式

下面结合本发明的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1对本发明的实施例进行说明。

图1是本发明实施例的光纤耦合的全内反射荧光显微成像芯片的结构示意图，本实施例的全内反射荧光显微成像芯片包括：内嵌的光纤6、低折射率的固体波导包层1、高折射率的固体波导纤芯4，所述固体波导包层1上设有与固体波导纤芯4连通的通孔2、以及用于插入光纤6的切口5，该切口5主要是为了方便光纤6的插入，以实现光纤6与固体波导纤芯4的连接。本实施例中，将光纤3内嵌到固体波导纤芯4中，以更好的实现光传导。需要说明的是，所述固体波导包层1上方便光纤6的插入的切口可以设置为扇形，也可以为其他形状。在固体波导纤芯导4上有待观测的贴壁生长细胞3，且其细胞膜表面具有荧光蛋白，主要是便于观测。所述光纤6的另一端可连接不同波长激光的激光器，光纤6的所述接口可以为SC接口、ST接口或FC接口等。

本实施例的全内反射荧光显微成像芯片，可通过光纤6可将不同波长的激光导入到固体波导纤芯4中，激光在所述固体波导纤芯4传播过程中，由于所述固体波导纤芯4的折射率大于所述固体波导包层1和细胞3溶液的折射率，在所述固体波导纤芯4与固体波导包层1和细胞3溶液的交界面发生全内反射，，其固体波导纤芯4与细胞3溶液的交界面将产生消逝波(100-200nm)，利用所述消逝波可激发贴壁生长细胞3的膜表面荧光蛋白，实现对细胞膜的观察和研究。

优选的，本实施例中，包裹固体波导纤芯4的固体波导包层1的折射率为1.33，接近水的折射率，可以使全内反射时产生的消逝波传输损耗更小，全内反射效果提升。如图1所示，所述固体波导包层1本体为一平板状。

优选的，本实施例的全内反射荧光显微成像芯片中，固体波导纤芯4的折射率为1.56，与固体波导包层1的折射率存在较大差值，因此提升光的全内反射能力，耦合在固体波导纤芯4中的光更多，全内反射效果更佳。

如图2所示，上述光纤耦合的全内反射荧光显微成像芯片的制作方法具体包括如下工序：

S1，制作出固体波导纤芯对应的阳模，将该阳模置于所述固体波导包层对应的紫外固化材料液中，通过紫外线照射实现固化，得到固体波导包层，该固体波导包层包含与所述固体波导纤芯相适应的流道；紫外固化(UV Curing或UV Coating)是光化学反应，用紫外线(UV)来照射液态的可固化材料而使它硬化的制程,工业用的UV波长以200nm到400nm为其应用范围。

S2，将S1得到的固体波导包层的一端切割出一切口，另一端开设一通孔，所述切口、通孔分别连通所述流道的两端；

S3,将所述固体波导包层压紧在平整的PDMS板表面(PDMS英文全称为：Polydimethylsiloxane，中文名为聚二甲基硅氧烷，是一种高分子有机硅化合物，通常被称为有机硅，具有光学透明的特点)，将光纤通过所述切口插入所述流道内；

S4,通过所述通孔向所述流道内灌注所述固体波导纤芯对应的紫外固化材料液，通过紫外线照射固化，最后拿下PDMS板，得到包括固体波导纤芯、固体波导包层和内嵌的光纤的全内反射荧光显微成像芯片。将固体波导包层压紧在PDMS表面，主要作用是通过所述平整的PDMS密封住通孔底部，以使所述固体波导纤芯对应的紫外固化材料液能够灌注进固体波导包层的流道中。

本实施例的光纤耦合的全内反射荧光显微成像芯片，具有一下特点：

(1)通过光纤直接将激光传导到固体波导纤芯中，省去了空间光路耦合到高折射率介质(固体波导纤芯)中的繁琐调节，入射激光的耦合更加方便，耦合效率更高。

(2)使用接近水的1.33低折射率材料(固体波导包层)作为包裹层，可以使得全内反射时产生的消逝波传输损耗更小，全内反射效果提升。

(3)利用1.33和1.56的光波导折射率的较大差值，可以实现光的全内反射能力提升，耦合在高折射率介质中的光更多，全内反射效果更佳。

(4)设备的制作简单，成本较低，配合普通显微镜即可实现全内反射效果，有利于控制耗材和设备成本。

在本发明上述实施例的光纤耦合的全内反射荧光显微成像芯片的基础上，还可以优化低折射率的固体波导包层中设置的固体波导纤芯的数目，从而实现多点阵的检测区域，进而实现高通量的观察检测目的，例如包括若干所述光纤和若干固体波导纤芯，且所述光纤和固体波导纤芯一一对应，或者通过一个固体波导纤芯对进入的激光进行分光，即通过单个固体波导纤芯实现多点阵的检测区域。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利要求范围，因此，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，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种光纤耦合的全内反射荧光显微成像芯片，其特征在于，包括：光纤、固体波导纤芯以及包裹所述固体波导纤芯的固体波导包层，其中，所述固体波导纤芯的折射率大于所述固体波导包层的折射率，所述光纤的一端连接所述固体波导纤芯，所述光纤的另一端连接激光器；

所述光纤用于将激光导入到所述固体波导纤芯，激光在固体波导纤芯中通过其四周界面发生全内反射进行传播。

2.如权利要求1所述光纤耦合的全内反射荧光显微成像芯片，其特征在于，所述固体波导纤芯的折射率为1.56，所述固体波导包层的折射率为1.33，所述全内反射在所述固体波导纤芯表面产生消逝波，用该消逝波激发位于所述固体波导纤芯表面的贴壁生长细胞的膜表面荧光蛋白。

3.如权利要求1所述光纤耦合的全内反射荧光显微成像芯片，其特征在于，所述光纤的一端包埋在所述固体波导纤芯中。

4.如权利要求3所述光纤耦合的全内反射荧光显微成像芯片，其特征在于，所述光纤的另一端为FC接口，该FC接口与激光器连接。

5.如权利要求1所述光纤耦合的全内反射荧光显微成像芯片，其特征在于，所述固体波导包层的一端开设用于接入所述光纤的切口，所述切口与所述固体波导纤芯一端连通。

6.如权利要求5所述光纤耦合的全内反射荧光显微成像芯片，其特征在于，所述切口为扇形切口。

7.如权利要求1所述光纤耦合的全内反射荧光显微成像芯片，其特征在于，所述固体波导包层的远离光纤的一端设有通孔，所述通孔与所述固体波导纤芯另一端连通。

8.如权利要求1所述光纤耦合的全内反射荧光显微成像芯片，其特征在于，所述固体波导纤芯、所述固体波导包层均为通过紫外固化而成。

9.如权利要求1所述光纤耦合的全内反射荧光显微成像芯片，其特征在于，包括若干所述光纤和若干固体波导纤芯，且所述光纤和固体波导纤芯一一对应。

10.一种如权利要求1所述的光纤耦合的全内反射荧光显微成像芯片的制作方法，其特征在于，包括：

工序一，制作出固体波导纤芯对应的阳模，将该阳模置于所述固体波导包层对应的紫外固化材料液中，通过紫外线照射实现固化，得到固体波导包层，该固体波导包层中包含与所述固体波导纤芯相适应的流道；

工序二，将工序一得到的固体波导包层的一端切割出一切口，另一端开设一通孔，所述切口、通孔分别连通所述流道的两端；

工序三,将所述固体波导包层压紧在平整的PDMS板表面，将光纤通过所述切口插入所述流道内；

工序四,通过所述通孔向所述流道内灌注所述固体波导纤芯对应的紫外固化材料液，通过紫外线照射固化。