CN109387934A - 一种基于光泳效应的微纳光纤微粒收集器 - Google Patents
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Abstract
本专利涉及光操控技术领域，具体涉及一种基于光泳效应的微纳光纤微粒收集器。它包括衬底和光纤，光纤放置在衬底上，部分光纤置于含有待分离微粒的微粒悬浮液中，置于微粒悬浮液的部分光纤为无包层的微纳光纤，所述光纤的输入端连接激光器，所述待分离微粒为单分散聚苯乙烯微粒，所述微粒悬浮液还含有用于稀释的去离子水。旨在提高光纤收集效率，微纳光纤直接与衬底相接触，光纤结构处在衬底上，尤其是中间微纳部分处在衬底上，可控制光纤两侧大量的微粒，因此微纳光纤从纤芯辐射出大量的光强使得众多微粒在溶液中温度的变化下，产生负光泳现象从而聚集在光纤周围，达到收集微粒的目的。
Description
技术领域
本发明涉及光操控技术领域，具体涉及一种基于光泳效应的微纳光纤微粒收集器。
背景技术
自Ashkin和同事开创性工作以来，光学量子陷阱控制和光力操控微粒已成为生物学，物理学领域最重要的研究工具之一。使用锥形光纤（tapered fiber）或聚焦激光束的光学镊子已经被开发并广泛用于控制和驱动介电微粒等物体。类似的工作在Kawata和Sugiura提供的关于消逝场的微粒操纵上也有着更多的关注：由于平面光子器件周围消逝场的光梯度力的存在，微纳颗粒会被吸引到高强度的地方。消逝波传播沿着波导延伸长距离，并因此能够捕获大面积的微粒。没有衬底的亚波长光学导线，也在三维微粒操控当中具有更高的效率。以上两种光操控都是基于光力的作用，但在实验中研究者们发现：光可以散射并能被悬浮在流体背景中的微粒吸收，导致一个微粒体积中的热量分布不均匀，不均匀的热量分布会造成力量驱动微粒移动。这种现象被称为光泳。微粒具有对光源高吸收率的远离光源（正向光泳），同时低吸收率的微粒向着光源移动（负光泳）。光泳力通常比光梯度力大几个数量级，因此光电泳可以用于微粒的大规模和长距离操作。
现有技术中，将微纳光纤的拉锥部分弯成一个有长短径的环，将微粒聚集在环内，达到收集的目的。微纳光纤是研究微纳光子学现象和构建微纳光子器件的重要基石，是当前纳米光子学领域的研究热点之一。它具有极低的耦合损耗、粗糙度极低的波导表面、高折射率差的强限制光场、大百分比的消逝场、极轻的质量和灵活的色散特性等优点。这些特性使得微纳光纤在光纤光学、近场光学、非线性光学和量子光学等基础研究和微纳尺度的光传输、耦合、调制、谐振、放大和传感等器件方面都具有潜在的应用价值。但是制作环的过程冗杂且费时，当所有微粒收集在环中时，由于微粒没有靠近光纤，那很难达到清除微粒的目的。
发明内容
为解决上述技术问题，本专利提供一种基于光泳效应的微纳光纤微粒收集器，它能将需要收集的微粒集中在微纳光纤周围，从而达到收集微粒的目的。
该专利的技术方案如下：
一种基于光泳效应的微纳光纤微粒收集器，包括衬底和光纤，光纤放置在衬底上，部分光纤置于含有待分离微粒的微粒悬浮液中，置于微粒悬浮液的部分光纤为无包层的微纳光纤，所述光纤的输入端连接激光器，所述待分离微粒为单分散聚苯乙烯微粒，所述微粒悬浮液还含有用于稀释的去离子水。
本专利是基于微纳光纤的光操控器件。激光器从光纤的一端输入激光，光纤中的一段是无包层的微纳光纤，纤芯和包层组成了最基本的光纤结构，光纤的传输原理就是在纤芯和包层之间形成全反射，去包层则使光纤中的激光散射出来。去包层的微纳光纤置于含有待分离微粒的微粒悬浮液中，基于光泳效应，光可以散射并能被悬浮在流体背景中的微粒吸收，导致一个微粒体积中的热量分布不均匀，不均匀的热量分布会造成力量驱动微粒移动。当微粒悬浮液中的微粒透明度高，对于辐射出的光强吸收小，透过率高，那么温度会集中在微粒的背光面，微粒内部出现温度差。由于微粒悬浮液中也会出现热泳效应，与背光面接触的液体温度也更高，产生温度梯度。两种温度的温度差，水分子撞击微粒的频率低于微粒背光面的撞击频率，导致微粒由液体的高温部分（远离光源）向液体的低温部分（接近光源）的方向运动，形成负光泳，并最后聚集在光纤周围。本专利所用的去包层光纤为微纳光纤，直径在在微米、纳米量级，辐射出的光强能够驱动微粒运动。在选择收集的微粒时，应该考虑其材质问题，以期取得更好的实验结果。本专利的微粒采用单分散聚苯乙烯微粒（PS），此微粒在激光下，光源吸收低，透过率高，透明度也较高，因此可以产生负光泳效应沿着不同轨迹运动，达到汇聚微粒的目的。稀释悬浮液使用的水需要满足能吸收激光的条件，本专利用于稀释的去离子水的红外吸收光谱能够与通常所用的激光光源波长相匹配，减去很多麻烦。去离子水也就是去除杂质离子的纯水，排除了其余杂质的影响，能够很好地减少干扰。本专利的一种基于光泳效应的微纳光纤微粒收集器包括微纳光纤、微纳颗粒溶液、激光光源三部分，旨在提高光纤收集效率，微纳光纤直接与衬底相接触，光纤结构处在衬底上，尤其是中间微纳部分处在衬底上，可控制光纤两侧大量的微粒，因此微纳光纤从纤芯辐射出大量的光强使得众多微粒在溶液中温度的变化下，产生负光泳现象从而聚集在光纤周围，达到收集微粒的目的。所述激光器向光纤输入的激光的波长范围为980nm至1480nm。在激光的波长范围为980nm至1480nm内，去离子水对该波段的激光吸收高、透过率小，因此能够在微粒悬浮液中引起较大的温度梯度，特别是在辐射出最多光强的地方即光纤最细的部位能够引起最大的温度梯度，使得大量的微粒在此聚集。
进一步地，所述激光器向光纤输入的激光的功率大于或等于300mv。在不同功率下微粒的运动可以证明当光功率越大，微粒运动的速度越快，到达光纤周围所用的时间也就越短。因此提高输出光功率就可提高微粒收集的效率。
进一步地，所述单分散聚苯乙烯微粒的直径范围为1μm 至100μm，随着科学技术发展，越来越多领域朝着微米纳米量级研究，使用微米纳米量级的微粒进行实验，首先是满足在小巧的玻片上可以放置大量的微粒来进行驱动，得到较好的实验结果；第二是微米纳米量级的微粒类同于生物细胞，也就说明这种光操控以后有望运用在生物细胞的操控与分离当中。
进一步地，所述光纤包括无包层的微纳光纤以及位于微纳光纤两端的无包层的光纤锥，所述光纤锥尖端直径与微纳光纤的直径相同。光纤是拉锥微纳光纤，光纤中间段去掉包层后，经过步进电机以及酒精灯的作用，使得光纤直径成比例减小，获得所需的直径大小并将光纤用紫外光胶固定在衬底上，衬底以外留以足够长度的包层光纤，为实验接通光源做好准备。
进一步地，所述微纳光纤的直径范围为6μm至10μm。如果微纳光纤直径过大，那么辐射出的光强就不足以驱动微粒运动，如果微纳光纤直径过小，那么激光很有可能都通不过光纤，更别提在溶液中驱动微粒运动。
进一步地，还包括连接有CCD相机的光学显微镜、计算机与光功率计，所述衬底放置在光学显微镜的载物台上，CCD相机连接计算机，光纤的输出端连接功率计。本专利不仅需要实现这些理论原理的装置，还需要观测装置来验证微粒收集的效果，观测装置包括有连接有CCD相机的光学显微镜、计算机与光功率计。将微纳光纤所被固定的衬底放在光学显微镜的载物台上，并置于显微镜正上方，CCD相机连接一台计算机，通过计算机程序在显示屏上呈现衬底上悬浮液的情况，截取视频，选取图像。光纤两端一端连接激光器，激光器提供连续不断的激光束，另一端连接至功率计，功率计记录激光通过光纤后的功率变化。
进一步地，所述衬底为透明的玻璃衬底。该衬底为玻璃材质，且透明，透明的玻璃衬底放在光学显微镜的载物台则可观察到光纤和微粒运动情况。
进一步地，所述玻璃衬底上方设置白光光源。为防止光线较暗，在玻片上方放置一白光光源，提供亮度。
与现有技术相比，本专利的有益效果为，微纳光纤直接与衬底相接触，光纤结构处在衬底上，尤其是中间微纳部分处在衬底上，可控制光纤两侧大量的微粒，因此微纳光纤从纤芯辐射出大量的光强使得众多微粒在溶液中温度的变化下，产生负光泳现象从而聚集在光纤周围，达到收集微粒的目的，提高光纤收集效率。与其余形状载体的光纤收集器相比，基于微纳光纤微纳颗粒光操控这种收集器件制作简单，可重复性高，能够直接运用在溶液微粒分离以及玻片收集微粒以及清洁，具有很高的实用价值。
附图说明
图1为本专利的微纳光纤微粒收集器俯视图。
图2为本专利的观测装置图。
图3（a）为采用CCD相机拍摄的利用微纳光纤上部对微粒进行收集前后的微粒扩散情况。
图3（b）为图3（a）中拍摄图像在计算机中的显示图像。
图4（a）为采用CCD相机拍摄的利用微纳光纤中部对微粒进行收集前后的微粒扩散情况。
图4（b）为图4（a）中拍摄图像在计算机中的显示图像。
图5（a）为采用CCD相机拍摄的利用微纳光纤下部对微粒进行收集前后的微粒扩散情况。
图5（b）为图5（a）中拍摄图像在计算机中的显示图像。
图中包括衬底1、光纤2、微纳光纤21、光纤锥22、包层光纤23；微粒悬浮液3、微粒31、去离子水32；激光4、对流5、CCD相机6、显微镜7、计算机8、光功率计9、白光光源10、激光器11。
具体实施方式
以下结合附图对本专利进行进一步说明。
一种基于光泳效应的微纳光纤微粒收集器，如图1所示，包括衬底1和光纤2，光纤2放置在衬底1上，并且纵跨衬底1。优选地，所述衬底1为玻璃衬底。光纤2包括有无包层的微纳光纤21、无包层的光纤锥22与包层光纤23。光纤2中间段去包层，去包层的光纤包括无包层的微纳光纤21与无包层的光纤锥22，其余的部分为包层光纤23，光纤锥22位于微纳光纤21两端，光纤锥22尖端直径与微纳光纤21的直径相同。所述无包层的微纳光纤置于含有待分离微粒31的微粒悬浮液3中，所述待分离微粒31为单分散聚苯乙烯微粒，所述微粒悬浮液3还含有用于稀释的去离子水32。所述光纤2的任意一端输入激光4，收集微粒悬浮液3中的微粒31，激光4是泵浦激光。
本专利是基于微纳光纤21的光操控器件。光纤2的一端输入激光4，光纤2中的一段是无包层的微纳光纤21，纤芯和包层组成了最基本的光纤结构，光纤2的传输原理就是在纤芯和包层之间形成全反射，去包层则使光纤2中的激光4散射出来。去包层的微纳光纤21置于含有待分离微粒31的微粒悬浮液3中，基于光泳效应，光可以散射并能被悬浮在流体背景中的微粒31吸收，导致一个微粒31体积中的热量分布不均匀，不均匀的热量分布会造成力量驱动微粒31移动。当微粒悬浮液3中的微粒31透明度高，对于辐射出的光强吸收小，透过率高，那么温度会集中在微粒31的背光面，微粒31内部出现温度差。由于微粒悬浮液3中也会出现热泳效应，与背光面接触的液体温度也更高，产生温度梯度。两种温度的温度差，水分子撞击微粒31的频率低于微粒31背光面的撞击频率，导致微粒31由液体的高温部分（远离光源）向液体的低温部分（接近光源）的方向运动，形成负光泳，并最后聚集在微纳光纤21周围，并在微粒31聚集过程中产生对流5，更加促使了微粒31的运动。
本专利所用的那段光纤为微纳光纤21，微纳光纤21直径在在微米、纳米量级，辐射出的光强能够驱动微粒31运动。优选地，所述微纳光纤21的直径范围为6μm至10μm。如果微纳光纤21直径过大，那么辐射出的光强就不足以驱动微粒31运动，如果微纳光纤21直径过小，那么激光4很有可能都通不过光纤，更别提在溶液中驱动微粒运动。本专利的光纤还包括光纤锥22，所以本专利的光纤其实是一种拉锥微纳光纤。它的制作方法是光纤2中间段去掉包层后，经过步进电机以及酒精灯的作用，使得光纤2直径成比例减小，获得所需的直径大小并将光纤用紫外光胶固定在衬底1上，衬底1以外留以足够长度的包层光纤23，为接通光源做好准备。
在选择收集的微粒31时，应该考虑其材质问题，以期取得更好的实验结果。本专利的微粒31采用单分散聚苯乙烯微粒（PS），此微粒31在激光4下，光源吸收低，透过率高，透明度也较高，因此可以产生负光泳效应沿着不同轨迹运动，达到汇聚微粒31的目的。优选地，所述单分散聚苯乙烯微粒31的直径范围为1μm 至100μm，随着科学技术发展，越来越多领域朝着微米纳米量级研究，使用微米纳米量级的微粒31进行实验，首先是满足在小巧的玻片上可以放置大量的微粒31来进行驱动，得到较好的实验结果；第二是微米纳米量级的微粒31类同于生物细胞，也就说明这种光操控以后有望运用在生物细胞的操控与分离当中。
稀释悬浮液使用的水需要满足能吸收激光4的条件，本专利用于稀释的去离子水32的红外吸收光谱能够与通常所用的激光4光源波长相匹配，减去很多麻烦。另外，去离子水32也就是去除杂质离子的纯水，排除其余杂质的影响，能够很好地减少干扰。优选地，激光4的波长范围为980nm至1480nm，去离子水32对该波段的激光4吸收高、透过率小，因此能够在微粒悬浮液3中引起较大的温度梯度，特别是在辐射出最多光强的地方即光纤最细的部位能够引起最大的温度梯度，使得大量的微粒31在此聚集。
优选地，激光4的功率大于或等于300mv。在不同功率下微粒31的运动可以证明当光功率越大，微粒31运动的速度越快，到达光纤2周围所用的时间也就越短。因此提高输出光功率就可提高微粒31收集的效率。
本专利不仅需要实现这些理论原理的装置，还需要观测装置来验证微粒收集的效果。如图2所示，图2包括连接有CCD相机6的光学显微镜7、计算机8与光功率计9。将微纳光纤23所被固定的衬底1放在光学显微镜1的载物台上，并置于显微镜1正上方。衬底1为透明的玻璃衬底，该衬底为玻璃材质，且透明，透明的玻璃衬底放在光学显微镜的载物台则可观察到光纤和微粒运动情况。为防止光线较暗，在玻璃衬底上方放置一白光光源10，提供亮度。CCD相机6连接一台计算机8，通过计算机8程序在显示屏上呈现衬底1上悬浮液的情况，截取视频，选取图像。光纤两端一端连接激光器11，激光器11提供连续不断的激光4，另一端连接至功率计9，功率计9记录激光4通过光纤后的功率变化。
基于负光泳效应，按照此实验设备所进行的实验图如图所示，由于CCD相机6拍下的图片以及视频皆以pixel（像素）为单位，且实验所用的CCD相机6分辨率为1280×1024。但当实验中要进行速度距离等计算的时候，则都应该换算成长度单位。因此就需要对十倍镜下（所用显微镜7为10X，可观测到溶液中大部分微粒运动）的CCD相机6成像有一个标准。本实验用定标玻片放置在载物台，然后在电脑软件中截图，通过测量工具来计算1um为多少个pixel。通过不同的标尺设定，可得到结果为：1um=2.13pixels。
在一个实施例中使用微纳光纤21，微纳光纤21的中部最细，激光器11向光纤1输入的激光4的功率为310mw。如图3（a）、图3（b）所示，微纳光纤21上部的微粒向靠近微纳光纤21的方向移动，并且运动轨迹是向下即是向着微纳光纤21的中部。如图4（a）、图4（b）所示，微纳光纤21中部的微粒向靠近微纳光纤21的方向移动。如图5（a）、图5（b）所示，微纳光纤21上部的微粒向靠近微纳光纤21的方向移动，并且运动轨迹是向上即是向着微纳光纤21的中部。光纤最细的部位能够辐射出最多光强，引起最大的温度梯度，使得大量的微粒31在此聚集，图中大量的微粒31朝着较冷区域也就是微纳光纤21最细的部分移动，产生负光泳效应，达到收集微粒31的目的，并在微粒31聚集过程中产生对流，更加促使了微粒31的运动。
本专利的微纳光纤21直接与衬底1相接触，光纤结构处在衬底1上，尤其是中间微纳部分处在衬底1上，可控制光纤2两侧大量的微粒，因此微纳光纤21从纤芯辐射出大量的光强使得众多微粒31在溶液中温度的变化下，产生负光泳现象从而聚集在光纤1周围，达到收集微粒31的目的，提高光纤2收集效率。与其余形状载体的光纤收集器相比，基于微纳光纤微纳颗粒光操控这种收集器件制作简单，可重复性高，能够直接运用在溶液微粒分离以及玻片收集微粒以及清洁，具有很高的实用价值。
Claims (8)
1.一种基于光泳效应的微纳光纤微粒收集器，包括衬底和光纤，光纤放置在衬底上，部分光纤置于含有待分离微粒的微粒悬浮液中，置于微粒悬浮液的部分光纤为无包层的微纳光纤，所述光纤的输入端连接激光器，其特征在于，所述待分离微粒为单分散聚苯乙烯微粒，所述微粒悬浮液还含有用于稀释的去离子水，所述激光器向光纤输入的激光的波长范围为980nm至1480nm。
2.根据权利要求1所述的一种基于光泳效应的微纳光纤微粒收集器，其特征在于，所述激光器向光纤输入的激光的功率大于或等于300mv。
3.根据权利要求2所述的一种基于光泳效应的微纳光纤微粒收集器，其特征在于，所述单分散聚苯乙烯微粒的直径范围为1μm 至100μm。
4.根据权利要求3所述的一种基于光泳效应的微纳光纤微粒收集器，其特征在于，所述光纤包括无包层的微纳光纤以及位于微纳光纤两端的无包层的光纤锥，所述光纤锥尖端直径与微纳光纤的直径相同。
5.根据权利要求4所述的一种基于光泳效应的微纳光纤微粒收集器，其特征在于，所述微纳光纤的直径范围为6μm至10μm。
6.根据权利要求1至5所述的任意一种基于光泳效应的微纳光纤微粒收集器，其特征在于，还包括连接有CCD相机的光学显微镜、计算机与光功率计，所述衬底放置在光学显微镜的载物台上，CCD相机连接计算机，光纤的输出端连接功率计。
7.根据权利要求6所述的一种基于光泳效应的微纳光纤微粒收集器，其特征在于，所述衬底为透明的玻璃衬底。
8.根据权利要求7所述的一种基于光泳效应的微纳光纤微粒收集器，其特征在于，所述玻璃衬底上方设置白光光源。
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