CN106706570B - 触点式在体光纤光谱探针及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种触点式在体光纤光谱探针及制作方法。包括同轴双通道光纤，所述同轴双通道光纤通过研磨在端面形成旋转对称反射光学结构，同轴双通道光纤的环形芯用于传输激发光，激发光传输至同轴双通道光纤的端面被旋转对称反射光学结构全反射，汇聚于光纤端面的中心处，形成一个微米尺度的激发光斑，激发光斑能与同轴双通道光纤端面触点处的物质相互作用产生荧光或拉曼信号光，所产生的后向荧光或拉曼信号光经由同轴的中间芯收集，传输回到光谱仪中分析。本发明具有尺寸小、空间分辨率高、实现触点处的物质局域荧光光谱和拉曼光谱的测量，特别适合于介入测量和活体组织的在体细胞及其内部物质的光谱测量。

Description

触点式在体光纤光谱探针及制作方法
技术领域
本发明涉及的是一种光纤光谱探针，本发明也涉及一种光纤光谱探针的制作方法。
背景技术
荧光光谱和拉曼散射光谱在生物医学上具有重要的应用，其光谱能够提供关于组织在分子水平组成部分的信息。研究表明，由于疾病的产生过程中伴随着组织细胞内的物质的化学变化，而荧光光谱和拉曼光谱学能够提供组织大多数化学组成的详细信息，因此细胞和组织的荧光光谱和拉曼光谱能提供给医师有价值的诊断信息。比如说，E B Hanlon等人报道了拉曼光谱学能用于血液监控中，能够对血液进行实时检测；它也可能被应用于无创或微创的活体组织的实时诊断中；它还能够用于检测像在冠状动脉疾病和老年痴呆症一样的不易由切片检查法诊断的疾病，或者用于像在乳腺癌这样的，由于很高的错误阳性筛选检测而导致的不必要的切片检查过程的疾病当中(Physics in medicine andbiology,2000,45(2):R1)。孟涛等人在2007年报道了利用组织的荧光光谱来区分鉴定直肠癌细胞和正常直肠细胞，但其采用的是组织切片的采样方法(光谱学与光谱分析,2007,27(6):1156-1160.)。
由于光能够通过光纤快速地传播、收集，而光纤又能合并于导管、内窥镜、插管和针头，因此光纤探针的研制和发展决定了拉曼光谱学能在活体中实时检测的应用情况。
为了精确地实现活体细胞、组织的荧光光谱或拉曼光谱诊断的准确性，使活体细胞、组织的光谱的研究提升到在体单细胞内部的分子水平的程度，在技术上必须解决的两个问题是：
(1)由于细胞的大小在微米尺度，因而光谱的激发光斑只有处于该微纳尺度区域，才能实现空间的高精度分辨；
(2)需要构造尺寸更加小巧、便于实现活体组织的在体介入光学探头结构，从而实现活体的在体细胞、组织的荧光光谱或拉曼光谱测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于实现无创或微创在体细胞组织的荧光光谱或拉曼光谱的激发和信息获取的触点式在体光纤光谱探针。本发明的目的还在于提供一种触点式在体光纤光谱探针的制作方法。
本发明的触点式在体光纤光谱探针包括同轴双通道光纤，所述同轴双通道光纤通过研磨在端面形成旋转对称反射光学结构，同轴双通道光纤的环形芯用于传输激发光，激发光传输至同轴双通道光纤的端面被旋转对称反射光学结构全反射，汇聚于光纤端面的中心处，形成一个微米尺度的激发光斑，激发光斑能与同轴双通道光纤端面触点处的物质相互作用产生荧光或拉曼信号光，所产生的后向荧光或拉曼信号光经由同轴的中间芯收集，传输回到光谱仪中分析。
本发明的触点式在体光纤光谱探针还可以包括：
1、同轴双通道光纤通过与普通的单模光纤熔融拉锥将激发光耦合至环形芯中。
2、所述同轴双通道光纤包括一个环形波导纤芯和一个圆形波导纤芯，圆形波导纤芯位于光纤中心，环形芯波导纤芯位于圆形波导纤芯外侧，两波导同轴分布。
3、所述旋转对称反射光学结构是先对同轴双通道光纤的光纤端进行研磨，形成旋转对称的锥台结构，然后对所述锥台结构进行弧面优化研磨，形成旋转对称弧形锥台结构。
本发明的触点式在体光纤光谱探针的制作方法为：
步骤一：锥体粗磨
将同轴双通道光纤放置于光纤端研磨台的光纤夹具上，调整同轴双通道光纤与研磨台的夹角，进行光纤端平面旋转对称锥台结构的研磨；
步骤二：锥体优化精磨
在步骤一粗磨的基础上，在研磨的同时调节光纤的俯仰角，对步骤一中粗磨的旋转对称锥台结构进行弧面优化，使其研磨至具有弧度的旋转对称弧面反射聚焦结构；
步骤三：锥体抛光
将研磨好的锥体进行抛光，放在超声清洗槽中清洗、烘干；
步骤四：通光检测
往同轴双通道光纤的环形芯中注光，在显微镜下观察聚焦光斑是否位于光纤的端面处。
本发明提供了一种针对在体细胞组织测量的触点式光纤光谱探针及其制作方法，用于实现无创或微创在体细胞组织的荧光光谱或拉曼光谱的激发和信息获取。
本发明的一种触点式的在体光纤光谱探针，用于对细胞组织进行介入式的接触点实现荧光光谱或者拉曼光谱的获取与测量，从而实现疾病的活体在体分析与诊断。
本发明使用了新型的同轴双波导光纤来制作适合活体组织介入的触点式光纤光谱探针。该光纤探针将激发光通道与探测光通道微缩集成在一根直径在125μm的同轴双波导光纤中，通过光纤端的圆形锥台加工技术，可以将来自环形光纤芯的激发光斑聚焦在微米尺度内，且聚焦光斑位于光纤的端面中心处，能够实现对光纤探头端面接触点处物质的检测的功能。
本发明通过光纤端锥体加工技术，极大地增强了光与单细胞物质相互作用的效率，可以使得激发光总功率得以降低，减少了由于激光的能流密度过高对活体组织的损伤和影响，在总功率尽可能低的激发光功率情况下，使有限的光能量高度聚焦在待测细胞的微纳区域。此外，由于所有的光学系统都集成在一根光纤中，达到了介入的光学探头尽可能的小巧和灵活的目的。
本发明能够获得微米尺度的强聚焦光斑，极大地增强了光与物质的相互作用，实现了在体实时活体细胞、组织的荧光光谱或拉曼光谱的精确测量。
本发明提供的触点式光纤探针具有尺寸小、空间分辨率高、实现触点处的物质局域荧光光谱和拉曼光谱的测量，特别适合于介入测量和活体组织的在体细胞及其内部物质的光谱测量。
附图说明
图1是触点式在体光纤光谱探针工作方式示意图。
图2a是同轴双通道光纤截面的结构示意图；图2b是同轴双通道光纤的折射率n随半径r分布示意图。
图3是触点式在体光纤光谱探针结构示意图
图4是探针弧面优化的方法示意图。
图5是优化后探针的聚焦光场分析计算结果示意图。
图6给出的是优化前的旋转对称锥台结构的聚焦光场的平均能量密度分布图(光纤探针沿轴向切片)。
图7为优化后的旋转对称弧面(R＝350μm)时，光纤端锥台聚焦光场的平均能量密度分布示意图(光纤探针沿轴向切片)。
图8是单模光纤与同轴双通道光纤拉锥耦合方式示意图。
图9是触点式光纤光谱探针的研磨过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作进一步描述。
结合图1、图2a、图2b和图3，本发明的触点式在体光纤光谱探针是通过对同轴双通道光纤1进行精细的端面研磨而制成。同轴双通道光纤1的环形芯1-1用于传输激发光1-4，激发光1-4传输至同轴双通道光纤1的纤端，被精细研磨而成的旋转对称弧形锥台1-3全反射，汇聚于光纤端面的中心处，形成一个微米尺度的激发光斑1-6；该激发光斑1-6能与光纤端面触点处的物质4充分相互作用，产生荧光或拉曼散射信号光1-5；后向散射荧光或拉曼信号光1-5经由同轴的中间芯1-2收集，传输回到光谱仪6中；同轴双通道光纤1通过与普通的单模光纤2熔融拉锥，实现将激发光1-4耦合至环形芯1-1中的目的。
结合图2a、图2b和图3，这种触点式光纤光谱探针使用的同轴双通道光纤1包括一个环形波导纤芯1-1和一个圆形波导纤芯1-2，圆形波导纤芯1-2位于光纤中心，环形芯波导纤芯1-1位于圆形波导纤芯外侧，两波导同轴分布。其中环形芯通道1-1用于传输激发光1-4，中间芯1-2用于收集并传输后向散射的荧光或者拉曼信号光1-5。
这种触点式在体光纤光谱探针，其光纤端面具有旋转对称反射光学结构1-3。该结构是先对同轴双通道光纤的光纤端精细研磨，形成旋转对称的锥台结构，然后对该锥台结构进行弧面优化研磨，形成旋转对称弧形锥台结构。该弧形锥台结构能够对环形芯1-1中传输的激发光1-4进行全反射，并恰能汇聚于光纤端面的中心处，聚焦的光斑1-6在微米尺度。
这种触点式光纤探针是通过同轴双通道光1纤与标准单模光纤2进行熔融拉锥，从而实现了将激发光1-4耦合至环形芯1-1中的目的。
这种触点式在体光纤光谱探针的制作方法为：
步骤一：锥体粗磨。将同轴双通道光纤1放置于光纤端研磨台9的光纤夹具10上，调整同轴双通道光纤1与研磨台9的夹角，进行光纤端平面旋转对称锥台结构的研磨。
步骤二：锥体优化精磨。在步骤一粗磨的基础上，在研磨的同时调节光纤的俯仰角，对步骤一中粗磨的旋转对称锥台结构进行弧面优化，使其研磨至具有最佳弧度的旋转对称弧面反射聚焦结构1-3。
步骤三：锥体抛光。将研磨好的锥体进行抛光，放在超声清洗槽中清洗、烘干。
步骤四：通光检测。往同轴双通道光纤1的环形芯1-1中注光，在显微镜下观察聚焦光斑1-6是否位于光纤的端面处。
本发明提供了一种触点式在体光纤光谱探针，该触点式光纤光谱探针可以合并于内窥镜，针头、导管等医疗器械内，可方便地实现在体细胞、组织的荧光光谱和拉曼光谱的测量。图1中所示的是将该探针从鼻腔通道插入，用于老年痴呆症等疾病的检测。其工作原理如图1所示，单模光纤2将激发光从激光器5引出，通过三端口环形器8后将激发光1-4传输至单模光纤2，经过同轴双通道光纤1熔融拉锥区3，单模光纤2内的激发光1-4被耦合进同轴双通道光纤1的环形芯1-1内传输。激发光1-4与探针端面触点接触处的细胞4作用，产生的后向散射荧光或者拉曼光信号1-5由同轴双通道光纤1的中间芯1-2收集并传输，信号光1-5经过拉锥区3传输回到单模光纤2中，再经由三端口耦合器8、滤波器7，将信号光1-5传输至光谱仪6中进行分析。其中滤波器7用于滤除传输回来的激发光成分。
如图3所示，该触点式光纤在体光谱探针是通过对上述的同轴双通道光纤1进行精细锥角研磨，形成一个旋转对称的弧形锥台1-3。该旋转对称弧形锥台将会使得环形芯1-1中传输的激发光1-4全反射并恰好汇聚于同轴双波导通道光纤1的端面中心处，汇聚的激发光斑1-6的尺寸仅在微米尺度，且其能量密度较高，能够实现对触点处的细胞进行高分辨率的荧光光谱或者拉曼光谱测量，从分子水平上来判断细胞是出于正常还是病变状态。
该触点式光纤光谱探针的旋转对称弧形锥台结构的设计方法如下：如图4所示，先将同轴双波导通道光纤研磨成旋转对称锥台结构，该结构恰能将环形芯1-1中传输的激发光全反射汇聚于光纤端面处。要想满足该汇聚光路条件，需满足
其中rm为环形芯中间圆的半径，α为旋转对称锥台的底角(α≤arcsin(n2/n1)＜90°，n2为被测物质环境11折射率、n1为同轴双波导通道光纤的环形芯折射率)，d为锥台上底面半径。为了使得汇聚光斑更小，能量更集中，本发明采用在旋转对称锥台的基础上进行弧形优化，形成旋转对称弧形锥台结构。如图4所示，在探针的轴剖面中，环形芯中间处的直线与锥台母线相交于一点，过该点做锥台母线的切圆，切圆半径为R，再以该切圆的轮廓为基准，进行旋转对称弧形锥台结构的研磨制作。
下面结合分析计算结果对本发明的设计进行进一步的说明。通过comsol光学仿真软件对本探针建立了理论模型，其环形芯中的输入光场的平均能量密度满足高斯分布。图5是优化后所得到的光场的计算结果示意图，可以看出优化后的旋转对称弧形锥台结构对环形芯1-1内传输的激发光1-4进行了汇聚，且汇聚光斑1-6恰能位于光纤端面的中心处，满足设计要求。图6是采取锥台底角α＝70°时，光场的平均能量密度分布图，图7是在α＝70°的基础上进行弧面优化后的平均能量分布图，优化圆弧的半径R＝350μm。通过这两种情况的对比，可以看出优化后的聚焦光斑1-6尺寸更小，汇聚的光能量更集中，这对实现在体细胞的荧光光谱或拉曼光谱的激发是十分有利的。
图8所示的是标准单模光纤和同轴双通道光纤的拉锥耦合示意图。先将单模光纤2与同轴双波导通道光纤1焊接，然后再在显微镜下进行拉锥，实现单模光纤2中传输的激发光1-4到环形芯1-1中的耦合。
该触点式光纤光谱探针的制作方法如下(如图9所示)：
步骤一：锥体粗磨。将同轴双波导通道光纤1尾端剥去涂覆层并进行端面切割，在将其放置于光纤夹具10上，调整同轴双波导通道光纤1与研磨台9的夹角为α，进行光纤端平面旋转对称锥台结构的研磨。
步骤二：锥体优化精磨。在步骤一粗磨的基础上，在研磨的同时调节光纤的俯仰角，对步骤一中粗磨的旋转对称锥台结构进行弧面优化，使其研磨至具有最佳弧度的旋转对称弧面反射聚焦结构1-3。
步骤三：锥体抛光。将研磨好的锥体进行抛光，放在超声清洗槽中清洗、烘干。
步骤四：通光检测。往同轴双通道光纤的环形芯中注光，在显微镜下观察聚焦光斑1-6是否位于光纤的端面处。这样便制得了所述的触点式在体光纤光谱探针。

Claims (6)

1.一种触点式在体光纤光谱探针，包括同轴双通道光纤，其特征是：所述同轴双通道光纤通过研磨在端面形成旋转对称反射光学结构，同轴双通道光纤的环形芯用于传输激发光，激发光传输至同轴双通道光纤的端面被旋转对称反射光学结构全反射，汇聚于光纤端面的中心处，形成一个微米尺度的激发光斑，激发光斑能与同轴双通道光纤端面触点处的物质相互作用产生荧光或拉曼信号光，所产生的后向荧光或拉曼信号光经由同轴的中间芯收集，传输回到光谱仪中分析，所述旋转对称反射光学结构为对称锥台结构，锥台满足
其中rm为环形芯中间圆的半径，α为旋转对称锥台的底角，d为锥台上底面半径。
2.根据权利要求1所述的触点式在体光纤光谱探针，其特征是：同轴双通道光纤通过与普通的单模光纤熔融拉锥将激发光耦合至环形芯中。
3.根据权利要求1或2所述的触点式在体光纤光谱探针，其特征是：所述同轴双通道光纤包括一个环形波导纤芯和一个圆形波导纤芯，圆形波导纤芯位于光纤中心，环形芯波导纤芯位于圆形波导纤芯外侧，两波导同轴分布。
4.根据权利要求1或2所述的触点式在体光纤光谱探针，其特征是：所述旋转对称反射光学结构是先对同轴双通道光纤的光纤端进行研磨，形成旋转对称的锥台结构，然后对所述锥台结构进行弧面优化研磨，形成旋转对称弧形锥台结构。
5.根据权利要求3所述的触点式在体光纤光谱探针，其特征是：所述旋转对称反射光学结构是先对同轴双通道光纤的光纤端进行研磨，形成旋转对称的锥台结构，然后对所述锥台结构进行弧面优化研磨，形成旋转对称弧形锥台结构。
6.一种触点式在体光纤光谱探针的制作方法，其特征是：
步骤一：锥体粗磨
将同轴双通道光纤放置于光纤端研磨台的光纤夹具(10)上，调整同轴双通道光纤与研磨台的夹角，进行光纤端平面旋转对称锥台结构的研磨，使锥台满足
其中rm为环形芯中间圆的半径，α为旋转对称锥台的底角，d为锥台上底面半径；
步骤二：锥体优化精磨
在步骤一粗磨的基础上，在研磨的同时调节光纤的俯仰角，对步骤一中粗磨的旋转对称锥台结构进行弧面优化，使其研磨至具有弧度的旋转对称弧面反射聚焦结构；
步骤三：锥体抛光
将研磨好的锥体进行抛光，放在超声清洗槽中清洗、烘干；
步骤四：通光检测
往同轴双通道光纤的环形芯中注光，在显微镜下观察聚焦光斑是否位于光纤的端面处。
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