CN112525884B - 一种超微量拉曼光谱检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超微量拉曼光谱检测装置，结合光纤光镊和拉曼光谱的超微量探测装置，通过光镊可以实现俘获单细胞量级的物质，如细胞等，并且将其移动放入光镊下方的拉曼检测光纤探头的V型凹槽中，高效利用待测物质，提高拉曼散射光的收集效率，获得精确的拉曼光谱。
Description
技术领域
本发明属于精准医疗科研实验器材领域，具体涉及一种超微量拉曼光谱检测装置。
背景技术
目前，光纤光镊技术在生物医学上的进展相当迅速，尤其在微米以及纳米量级的分子捕获和移动方面，对单细胞医学有很大的帮助；目前的拉曼光谱技术在宏观上可以做到获得物质的“指纹图谱”，但是在微纳尺度上，获得单细胞量级物质的精确拉曼光谱，做到样品物质与激发光充分相互作用还需要继续探究。因此，很有必要结合光纤光镊和拉曼光谱来实现超微量取样检测以及超高灵敏度拉曼光谱的获得。
现有技术(专利CN106645088B)通过利用中间芯反向传输并收集拉曼散射光，收集效率低，并且对于检测细胞没有很好的取样手段。
现有技术(专利CN106770167A)结合光纤光镊技术，使得激发光束汇聚于微米尺度，既具有俘获粒子的能力，也可以与物质相互作用产生拉曼散射光，但是物质距离中间芯的距离较之上一发明更远，杂乱的拉曼散射光被中间芯收集的效率更低。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种超微量拉曼光谱检测装置，通过设计空间超分辨检测光路和超高灵敏度的探测装置，解决微米及纳米量级细胞或分子的取样和拉曼光谱精确测定的问题。
一种超微量拉曼光谱检测装置，其特征在于：包括
光镊单元，所述光镊单元包括第一光纤、第一激光器，利用所述第一激光器发出进入第一光纤的环形芯的光束在所述第一光纤的下纤端汇聚形成光镊用于捕获细胞；
操控单元，所述操控单元包括具有第一自由度的第一机械臂、具有第二自由度的第二机械臂以及观察装置，所述第二机械臂与所述第一光纤相连接，以此来控制所述光镊在第一自由度和第二自由度上移动；所述观察装置用于放大操作画面，实现对细胞操控的可视化；
取样单元，所述取样单元包括载物台、培养皿，所述培养皿设置在所述载物台上，所述培养皿底部设置有开口；
拉曼检测单元，所述拉曼检测单元包括第二光纤、第二激光器、第二光谱仪，所述第二光纤的上纤端穿过所述载物台的开口处，连接到培养皿内，并与培养皿粘合固定在一起，在所述第二光纤的上纤端中间设置有V型凹槽，所述V型凹槽用于放置所述光镊捕获的细胞，并且在V型凹槽口的周围设置有反射结构，所述第二光纤包括中间芯和位于中间芯周围的环形芯，其中所述中间芯正对所述V型槽，用于向V型槽提供激发光，所述环形芯正对所述反射结构，用于接收从该反射结构反射的信号光；
检测时，以光镊单元将所述取样单元内设置的细胞溶液中的一个细胞样品捕获至所述V型槽中，所述第二激光器发出的激光激发该细胞得到拉曼散射光，由反射结构将发散出来的拉曼散射光反射进入所述第二光纤的环形芯传输到第二光谱仪上，进行分析检测。
所述光镊单元还包括第一光谱仪，所述第一光纤还包括中间芯，中间芯用于传输光束，同时收集后向拉曼散射光，并传输至第一光谱仪，用于预实验调整参数；同时，第一光纤还连接着所述第三激光器，利用所述第三激光器发出的激光经过第一光纤的中间芯，在第一光纤的凹槽内的透镜汇聚，在超分辨的条件下细胞进行荧光照明。
所述第二激光器发出的激光作为拉曼激发光，用于激发第二光纤V型凹槽中的细胞，此波长下的激发光可以保证荧光信号与拉曼信号相差较远，在滤波的过程中不会将拉曼信号滤除，这样传输至第二光谱仪的拉曼散射光不含有激发光成分。
所述观察装置包括摄像头、显示器，在载物台的一侧固定有一摄像头，摄像头与显示器相连接，在显示器上可实时观察细胞的位置以及第二光纤的纤端的位置，这样便可在微操系统的控制下将细胞移入第二光纤的上纤端的V型凹槽内。
所述第一光纤的制作方法如下：
步骤一，取一同轴双波导光纤和单模光纤，分别侧抛并耦合，使得单模光纤中传输的光束进入同轴双波导光纤的环形芯中；
步骤二，将同轴双波导光纤的一端放置到光纤端研磨台的夹具上，进行光纤端平面旋转对称反射聚焦结构的研磨抛光和弧面优化，其锥面底角设置为69°；
步骤三，使用飞秒激光器在第一光纤的纤端刻蚀一个直径为10μm×10μm×10μm的第一凹槽，并嵌入一个折射率为1.5微球透镜，并用折射率为1.4的胶水粘合固化。
单模光纤中的光束进入环形芯，经过纤端的锥台结构的反射，在距离光纤端面一定距离处汇聚形成光镊捕获细胞分子。
所述第二光纤的制作方法如下：
步骤一，首先取一根同轴双波导光纤，也进行光纤端平面旋转对称结构锥台的研磨，将锥台的底角粗磨至α角度，其中15°≤α≤45°；
步骤二，进行细磨抛光，抛光的弧面半径可根据情况选择(弧面半径R≥50μm)，将磨好的同轴双波导光纤放入镀膜机中，使研磨好的锥台侧面镀上一层反射金属膜；
步骤三，用飞秒激光器将磨好的同轴双波导光纤的锥台的中间芯处刻蚀一个旋转对称的V型凹槽，其深度为10μm，主要是为了匹配光镊夹取物质，方便光镊把物质放入和取出V型凹槽，其锥角要大于光镊俘获光束交叉汇聚的夹角。
同轴双波导光纤的中间芯用于激发光的传输，与处于V型凹槽内的物质作用后产生拉曼散射光向外无规则散射，但因为V型凹槽宽度较小，大部分散射光可以散射到反射结构上，经过反射进入大芯径的环形芯传输到第二光谱仪进行分析。
与现有技术相比，本发明的益处有：
1、微纳量级分子的获取和移动更加便利；
2、本装置的拉满散射光收集效率高效；
3、光镊系统与拉曼光谱系统的完美结合。
附图说明
图1为一种超微量拉曼光谱检测装置示意图；
图2为第一光纤下纤端示意图；
图3为第二光纤与载物台局部示意图；
图4为第二光纤上纤端工作原理示意图；
其中，F1：第一光纤，F2：第二光纤，L1：第一激光器，L2：第二激光器，L3：第三激光器，C：培养皿，B：观察装置，A：载物台，S1：第一光谱仪，S2：第二光谱仪，M：第一机械臂，N：第二机械臂。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
如图1所示一种超微量拉曼光谱检测装置，包括：
光镊单元，包括第一光纤F1、第一激光器L1，利用第一激光器L1发出进入第一光纤F1的环形芯的光束在第一光纤F1的下纤端汇聚形成光镊用于捕获细胞；
操控单元，包括具有第一自由度的第一机械臂M、具有第二自由度的第二机械臂N以及观察装置B第二机械臂N与第一光纤F1相连接，以此来控制光镊在第一自由度和第二自由度上移动；所述观察装置用于放大操作画面，实现对细胞操控的可视化；
取样单元，包括载物台A、培养皿C所述培养皿C置在所述载物台上所述培养皿C部设置有开口；
拉曼检测单元，包括第二光纤F2、第二激光器L2、第二光谱仪S2，第二光纤的上纤端穿过载物台A，穿过开口处与培养皿C连接，并与培养皿C粘合固定在一起，在第二光纤F2的上纤端中间设置有V型凹槽，所述V型凹槽用于放置光镊捕获的细胞，并且在V型凹槽口的周围设置有反射结构，第二光纤F2中间芯和位于中间芯周围的环形芯，其中所述中间芯正对V型槽，用于向V型槽提供激发光，环形芯正对反射结构，用于接收从该反射结构反射的信号光；
检测时，以光镊单元将取样单元内设置的细胞溶液中的一个细胞样品捕获至V型槽中，第二激光器L2的激光激发该细胞得到拉曼散射光，由反射结构将发散出来的拉曼散射光反射进入第二光纤F2形芯传输到第二光谱仪S2进行分析检测。
第二激光器L2发出波长为1064nm激光作为拉曼激发光激发V型凹槽中的细胞。此波长下通常荧光信号与拉曼信号相差较远，且拉曼信号本身为差值信号，在滤波的过程中不需考虑滤处激发光成分，只需考虑滤处少量荧光信号，这样可以确保足够的拉曼信号光传输至第二光谱仪S2中进行检测。
其中第二光纤F2中的中间芯用于激发光束的传输，环形芯为大芯径，以便于更高效的收集拉曼散射光。
第一光纤F1的中间芯也可以用于收集后向拉曼散射光传输至第一光谱仪S1，但收集效率很低，可用于预实验调整参数，同时，第一光纤F1还连接着第三激光器L3，利用所述第三激光器L3发出的激光经过第一光纤F1的中间芯，在第一光纤F1的凹槽内的透镜汇聚，在超分辨的条件下细胞进行荧光照明，使光镊在载物台A上的操作都在可视化的情况下进行。
如图1所示观察装置B包括摄像头、显示器，在载物台的一侧固定有一摄像头，摄像头与显示器相连接，在显示器上可实时观察细胞的位置以及第二光纤F2的纤端的位置，这样便可在微操系统的控制下将细胞移入第二光纤F2的上纤端的V型凹槽内。
如图2所示第一光纤F1，其制作方法如下：
步骤一，取一同轴双波导光纤和单模光纤，分别侧抛并耦合，使得单模光纤中传输的光束进入同轴双波导光纤的环形芯中；
步骤二，将同轴双波导光纤的一端放置到光纤端研磨台的夹具上，进行光纤端平面旋转对称反射聚焦结构的研磨抛光和弧面优化，其锥面底角设置为69°；
步骤三，使用飞秒激光器在第一光纤F1的纤端刻蚀一个直径为10μm×10μm×10μm的第一凹槽，并嵌入一个折射率为1.5微球透镜，并用折射率为1.4的胶水粘合固化；
单模光纤中的光束进入环形芯，经过纤端锥台结构的反射，在距离光纤端面一定距离处汇聚形成光镊捕获细胞分子。
如图4所示第二光纤F2，其制作方法如下：
步骤一，首先取一根同轴双波导光纤，也进行光纤端平面旋转对称结构锥台的研磨，将锥台的底角粗磨至α角度，15°≤α≤45°；
步骤二，然后进行细磨抛光，抛光的弧面半径可根据情况选择(弧面半径R≥50μm)，将磨好的同轴双波导光纤放入镀膜机中，使研磨好的锥台侧面镀上一层反射金属膜；
步骤三，用飞秒激光器将磨好的同轴双波导光纤的锥台的中间芯处刻蚀一个旋转对称的V型凹槽，其深度为10μm，主要是为了匹配光镊夹取物质，方便光镊把物质放入和取出V型凹槽，其锥角要略微大于光镊俘获光束交叉汇聚的夹角。
同轴双波导光纤的中间芯用于激发光的传输，与处于V型凹槽内的物质作用后产生拉曼散射光向外无规则散射，但因为V型凹槽宽度较小，大部分散射光可以散射到反射结构上，经过反射进入大芯径的环形芯传输到第二光谱仪S2进行分析。
此发明可定量研究细胞与药物分子相互作用或抗原与抗体相互作用后的成分变化，可实现精确用药以及探测相互作用后的生物化学变化。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。
Claims (10)
1.一种超微量拉曼光谱检测装置，其特征在于：包括
光镊单元，所述光镊单元包括第一光纤、第一激光器，利用所述第一激光器发出进入第一光纤的环形芯的光束在所述第一光纤的下纤端汇聚形成光镊用于捕获细胞；
操控单元，所述操控单元包括具有第一自由度的第一机械臂、具有第二自由度的第二机械臂以及观察装置，所述第二机械臂与所述第一光纤相连接，以此来控制所述光镊在第一自由度和第二自由度上移动；所述观察装置用于放大操作画面，实现对细胞操控的可视化；
取样单元，所述取样单元包括载物台、培养皿，所述培养皿设置在所述载物台上，所述培养皿底部设置有开口；
拉曼检测单元，所述拉曼检测单元包括第二光纤、第二激光器、第二光谱仪，所述第二光纤的上纤端穿过所述载物台的开口处，连接到培养皿内，并与培养皿粘合固定在一起，在所述第二光纤的上纤端中间设置有V型凹槽，所述V型凹槽用于放置所述光镊捕获的细胞，并且在V型凹槽口的周围设置有反射结构，所述第二光纤包括中间芯和位于中间芯周围的环形芯，其中所述中间芯正对所述V型凹槽，用于向V型凹槽提供激发光，所述环形芯正对所述反射结构，用于接收从该反射结构反射的信号光；
检测时，以光镊单元将所述取样单元内设置的细胞溶液中的一个细胞样品捕获至所述V型凹槽中，所述第二激光器发出的激光激发该细胞得到拉曼散射光，由反射结构将发散出来的拉曼散射光反射进入所述第二光纤的环形芯传输到第二光谱仪上，进行分析检测；
其中，所述V型凹槽深度为10μm，其锥角要大于光镊俘获光束交叉汇聚的夹角。
2.如权利要求1所述的超微量拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述第二光纤的上纤端与培养皿底部齐平。
3.如权利要求1所述的超微量拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述第一光纤的下纤端设置有锥台结构，并且在其中刻蚀第一凹槽，并在第一凹槽中嵌入了一个透镜，由所述第一激光器发出进入所述第一光纤的环形芯的光束在透镜汇聚。
4.如权利要求1所述的超微量拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述光镊单元还包括第一光谱仪，所述第一光纤还包括中间芯，中间芯用于传输光束，同时收集后向拉曼散射光，并传输至第一光谱仪，用于预实验调整参数。
5.如权利要求1所述的超微量拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述光镊单元还包括第三激光器，所述第一光纤还连接着所述第三激光器，利用所述第三激光器发出的激光经过第一光纤的中间芯，在第一光纤的凹槽内的透镜汇聚，对细胞进行荧光照明。
6.如权利要求1所述的超微量拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述观察装置包括摄像头、显示器，在所述载物台的一侧固定有一摄像头，摄像头与显示器相连接，在显示器上可实时观察细胞的位置以及第二光纤的上纤端的位置，可在所述操控单元的控制下将细胞移入所述第二光纤的上纤端的V型凹槽内。
7.如权利要求1所述的超微量拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述第一光纤的制作方法如下：
步骤一，取一同轴双波导光纤和单模光纤，分别侧抛并耦合，使得单模光纤中传输的光束进入同轴双波导光纤的环形芯中；
步骤二，将同轴双波导光纤的一端放置到光纤端研磨台的夹具上，进行光纤端平面旋转对称反射聚焦结构的研磨抛光和弧面优化，其锥面底角设置为69°；
步骤三，使用飞秒激光器在第一光纤的纤端刻蚀一个直径为10μm×10μm×10μm的第一凹槽，并嵌入一个折射率为1.5微球透镜，并用折射率为1.4的胶水粘合固化。
8.如权利要求1所述的超微量拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述第二光纤的制作方法如下：
步骤一，首先取一根同轴双波导光纤，也进行光纤端平面旋转对称结构锥台的研磨，将锥台的底角粗磨至α角度，其中15°≤α≤45°；
步骤二，进行细磨抛光，抛光的弧面半径R≥50μm，将磨好的同轴双波导光纤放入镀膜机中，使研磨好的锥台侧面镀上一层反射金属膜；
步骤三，用飞秒激光器将磨好的同轴双波导光纤的锥台的中间芯处刻蚀一个旋转对称的V型凹槽。
9.如权利要求1所述的超微量拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述第二光纤的环形芯为大芯径，便于传输与收集拉曼散射光。
10.如权利要求1所述的超微量拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述第二激光器发出波长为1064nm激光作为拉曼激发光，用于激发样品的同时在收集拉曼散射光的过程中便于滤除。
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