CN109225080B - 基于光镊的微球可控制备及操纵方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于光镊的微球可控制备及操纵方法，所采用的设备包括光镍系统、样品池和照明成像光路，包括下列的步骤：光镊系统初始化；制备能够析出微球的混合溶液：按照体积比，将1:3.5‑6的磷酸盐缓冲液和异丙醇混合均匀，并注入样品池；将样品池置于光镍系统的样品台上，借助高度汇聚的激光光斑局部加热磷酸盐缓冲液和异丙醇混合溶液作用，使得光斑附近的磷酸盐结晶析出，形成磷酸盐微球；利用照明成像光路观察制备的磷酸盐微球并通过调整激光光强、激光光束方向及激光照射时间控制并操纵磷酸盐结晶颗粒的粒径大小、制备速度及颗粒位置。

Description

基于光镊的微球可控制备及操纵方法
技术领域
本发明涉及一种应用光镊系统可控制备及操纵微球的方法。特别涉及利用高度汇聚的准直激光束所产生的三维光阱系统与颗粒结晶领域。
背景技术
光镊是利用高度汇聚的激光束所形成的三维势阱来稳定捕获位于焦点附近的微米量级粒子，具有纳米级别的空间分辨率、皮牛量级的力学分辨率以及非接触、无损伤的特点，被学者们广泛应用于细胞生物学、单分子生物学、物理学及胶体科学等领域，捕获及操控活体小鼠耳朵毛细血管中的细胞疏通血管堵塞、捕获聚苯乙烯/二氧化硅微球进而研究蛋白质解折叠/折叠动力学特性等。然而以上研究均是基于光镊的捕获及操控微米级别粒子，光镊强大的功能不应局限于此，因此利用光镊可控制备并操纵微粒的技术有待学者们探究。
利用光镊制备并操纵微粒的技术现已有很多成果与进展。TERUKI SUGIYAMA等人利用光镊捕获并聚集纳米粒子、聚合物、分子簇等形成微米至毫米级别物质，利用光镊研究甘氨酸在重水中的结晶等；Hagay Shpaisman等人利用光镊可控制备特定尺寸的球状及拉长形胶体粒子。
以上研究中的光镊汇聚光斑多数聚焦在液体及空气的分界面上，而对溶液内部进行聚焦进而制备微粒的研究少之又少；此外，以上的制备技术或者是单一溶液的过饱和状态下或者是正在进行化学反应的溶液体系，也就是说适用范围还不够广泛。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光镊的微球可控制备及操纵方法，操纵对象为两种溶液的混合液即非单一过饱和溶液、非化学反应溶液，混合的比例按照有利于溶液物质析出的原则设定，溶解物质在其中一种溶液中溶解，但不溶于或者微溶于另一种溶液。利用光镊照射配置好的两种溶液的混合液、光镊汇聚光斑在溶液中，光镊的聚焦光斑在混合液内部即非溶液与空气的分界面，借助高度汇聚的激光光斑局部加热混合溶液作用，使得该区域混合溶液对溶解物质的溶解度降低，从而使得溶解物质结晶析出，可以通过改变激光光强、激光光束方向及激光照射时间来可控制备并操纵微米尺度球形结构结晶颗粒。技术方案如下：
一种基于光镊的微球可控制备及操纵方法，所采用的设备包括光镊系统、样品池和照明成像光路，其特征在于，包括下列的步骤：
(1)光镊系统初始化，通过半波片、偏振分束棱镜、激光收集筒作用调整激光器功率使得入射光路的准直激光光束功率为1w，经物镜聚焦后形成聚焦光斑直径为1μm大小，用于稳定捕获结晶微粒；
(2)制备能够析出微球的混合溶液：按照体积比，将1:3.5-6的磷酸盐缓冲液和异丙醇混合均匀，并注入样品池；
(3)将样品池置于光镊系统的样品台上，借助高度汇聚的激光光斑局部加热磷酸盐缓冲液和异丙醇混合溶液作用，使得光斑附近的磷酸盐结晶析出，形成磷酸盐微球；
(4)利用照明成像光路观察制备的磷酸盐微球并通过调整激光光强、激光光束方向及激光照射时间控制并操纵磷酸盐结晶颗粒的粒径大小、制备速度及颗粒位置。
优选地，激光器生成的激光依次经过半波片、偏振分束棱镜和激光收集筒、压电驱动反射镜、二向色镜以及物镜后汇聚到样品池。所述的激光器为采用的激光器为1064nm波长连续波输出的二极管泵浦掺钕钒酸钇光纤耦合固态激光器。所述的物镜为数值孔径1.2，工作距离为0.28mm，放大倍率为63倍的水浸物镜。
相比于已有的利用光镊制备并操控微粒技术，本发明提出两种溶液的混合液如磷酸盐缓冲液与异丙醇有机溶剂混合液的新体系且体积比为1：4即混合的比例按照有利于溶解物质析出的原则设定，溶解物质在其中一种溶液中溶解，但不溶于或者微溶于另一种溶液；激光汇聚光斑在混合液中，借助高度汇聚的激光光斑局部加热混合溶液作用，使得光斑附近混合溶液对溶解物质的溶解度降低，从而使得溶解物质结晶析出并且在高度汇聚的光束光斑作用下，所制备的结晶微粒为球形。本发明采用的装置简单，操作方便，提高了光镊系统在微粒可控制备及操控领域的使用范围。
附图说明
图1是基于光镊的微球可控制备及操纵装置。
图中：1、1064nm激光器；2、半波片；3、偏振分束棱镜；4、激光收集筒；5、压电驱动反射镜；6、二向色镜；7、水浸物镜；8、三维位移台；9、样品池；10、780nm照明光源；11、透镜；12、CCD相机。
图2是基于光镊的可控制备并操纵微球拼成的字母“TJU”效果图。
图3为磷酸盐缓冲液和异丙醇体积比为1：4和1：6条件下的100s内微球生长形貌变化。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的基于光镊的微球可控制备及操纵方法及装置做出详细说明。
实验中制备微球所用到的两种溶液是磷酸盐缓冲液PBS(市售，PBS的PH为7.2-7.4，主要成分为磷酸二氢钾、磷酸氢二钠、氯化钠以及氯化钾)和异丙醇(市售，分子量为60.10，异丙醇含量不少于99.9％、水份0.01％)，当两种溶液的体积比为1：1时，无微球生成；当磷酸盐缓冲液和异丙醇有机溶剂的体积比为1：3、1：4、1：5、1：6、1：8时均会有微球生成，但是两种溶液不同体积比条件下的微球生长速率不同，当二者体积比为1：4时，微球生长最快。图3图分别为二者体积比为1：4和1：6条件下的100s内微球生长形貌变化。
本发明采用图1所示的实验装置作为光镊操控平台。该装置由1064nm波长连续波输出的二极管泵浦掺钕钒酸钇光纤耦合固态激光器、数值孔径为1.2，工作距离为0.28mm，放大倍率为63倍的水浸物镜、半波片、偏振分束棱镜、压电驱动反射镜、三维位移台、二向色镜所构成的光镊系统；18*18*0.17mm盖玻片和24*50*0.17mm载玻片构成的样品池；磷酸盐缓冲液和异丙醇有机溶剂用于实验中注入样品池；CCD相机与780nm照明光源、透镜、二向色镜构成照明成像光路。
1064nm线偏振高斯光束经高数值孔径物镜(NA＝1.2)聚焦，在样品台附近形成光阱。通过高度汇聚的激光束照射磷酸盐与异丙醇的混合液，激光产生的辐射热加速磷酸盐晶体析出，借助光阱力作用捕获并汇聚磷酸盐晶体颗粒形成球状微粒。通过780nm照明光源和CCD成像模块实时显示并记录保存微球状态。通过半波片、偏振分束棱镜、激光收集筒、压电驱动反射镜和三维位移台可控微球的大小及位置。本实施方式的具体操作步骤如下所述：
(1)光镊系统初始化，通过半波片2、偏振分束棱镜3、激光收集筒4作用调整激光器1功率使得入射光路的准直激光光束功率为1w，经高数值孔径物镜7聚焦后形成聚焦光斑直径为1μm大小，用于稳定捕获结晶微粒；
(2)制备样品池，将18*18*0.17mm大小的盖玻片和24*50*0.17mm大小的载玻片通过封口膜连接，置于电加热板上100度加热30秒，借助封口膜熔化作用使二者粘在一起形成样品池9结构；
(3)制备样品，将磷酸盐缓冲液与异丙醇有机溶剂以体积比1：4混合，注入样品池9中，用真空脂封住两端防止样品流出，置于样品台8上准备进行实验；
(4)借助高度汇聚的激光光斑局部加热磷酸盐缓冲液和异丙醇混合溶液作用，使得光斑附近混合溶液对溶解物质磷酸盐的溶解度降低，从而使得溶解物质磷酸盐结晶析出；借助光阱力作用将磷酸盐晶体捕获并汇聚于光阱中形成球形微粒；通过CCD12界面观察制备的磷酸盐微球并通过调整激光光强、激光光束方向及激光照射时间来可控并操纵磷酸盐结晶颗粒的粒径大小、制备速度及颗粒位置；借助照明光源10和CCD12记录、保存微球的变化。

Claims (4)

1.一种基于光镊的微球可控制备及操纵方法，所采用的设备包括光镊系统、样品池和照明成像光路，其特征在于，包括下列的步骤：
(1)光镊系统初始化，通过半波片、偏振分束棱镜、激光收集筒作用调整激光器功率使得入射光路的准直激光光束功率为1W，经物镜聚焦后形成聚焦光斑直径为μm大小，用于稳定捕获结晶微粒；
(2)制备能够析出微球的混合溶液：按照体积比，将1:3.5-6的磷酸盐缓冲液和异丙醇混合均匀，并注入样品池；
(3)将样品池置于光镊系统的样品台上，借助高度汇聚的激光光斑局部加热磷酸盐缓冲液和异丙醇混合溶液作用，使得光斑附近的磷酸盐结晶析出，形成磷酸盐微球；
(4)利用照明成像光路观察制备的磷酸盐微球并通过调整激光光强、激光光束方向及激光照射时间控制并操纵磷酸盐结晶颗粒的粒径大小、制备速度及颗粒位置。
2.根据权利要求1所述的微球可控制备及操纵方法，其特征在于，激光器生成的激光依次经过半波片、偏振分束棱镜和激光收集筒、压电驱动反射镜、二向色镜以及物镜后汇聚到样品池。
3.根据权利要求1所述的微球可控制备及操纵方法，其特征在于，所述的激光器为采用的激光器为1064nm波长连续波输出的二极管泵浦掺钕钒酸钇光纤耦合固态激光器。
4.根据权利要求1所述的微球可控制备及操纵方法，其特征在于，所述的物镜为数值孔径1.2，工作距离为0.28mm，放大倍率为63倍的水浸物镜。
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