CN113327698B - 一种基于局部制冷效应的光镊装置及方法 - Google Patents
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- G—PHYSICS
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Abstract
本发明提供了一种基于局部制冷效应的光镊装置及方法，包括：激光器和样品操控模块；所述激光器用于产生制冷激光；所述样品操控模块用于放置待操控的目标样品和接收所述制冷激光，并通过所述制冷激光激发产生局部制冷效应，以及通过所述局部制冷效应实现所述目标样品的操控。本发明利用局部制冷效应将目标样品捕获至光致低温区域，不仅实现了大范围的高精度光学微纳操控，而且光致冷源的产生极大的降低了光热效应对生物粒子所带来的不利影响，可在温控方面对特定生物分子的生化活动进行调控，极大地拓展了光镊的结构功能与应用场景。
Description
技术领域
本发明属于微纳操控技术领域，尤其涉及的是一种基于局部制冷效应的光镊装置及方法。
背景技术
光镊(optical tweezers)是一种以激光的力学效应为基础的微纳操控技术，光镊可用于捕获、操控微纳尺度的小粒子，具有定位精确、非接触性、无损伤、高度选择性等优点，有利于对细胞、蛋白质甚至DNA等物质进行活体水平的研究，在生物学等领域具有重要的应用。除了操控微粒之外，光镊还有测量微小力，测量微粒之间的相互作用，纳米材料自组装制备，实时动态跟踪等丰富的应用，是光学与生物学、物理学、表面化学、纳米材料等领域交叉融合，共同发展的重要工具。然而，传统光镊装置存在捕获精度低、操控范围小、样品受光热效应容易变性乃至失活等问题。
因此，现有技术有待于进一步的改进。
发明内容
鉴于上述现有技术中的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于局部制冷效应的光镊装置及方法，克服传统光镊装置存在捕获精度低、操控范围小、样品受光热效应容易变性乃至失活等问题。
本发明所公开的第一实施例为一种基于局部制冷效应的光镊装置，其中，包括：激光器和样品操控模块；
所述激光器用于产生制冷激光；
所述样品操控模块用于放置待操控的目标样品和接收所述制冷激光，并通过所述制冷激光激发产生局部制冷效应，以及通过所述局部制冷效应实现所述目标样品的操控。
所述的基于局部制冷效应的光镊装置，其中，所述样品操控模块包括：制冷单元和与所述制冷单元连通的流通池；
所述流通池用于放置待操控的目标样品；
所述制冷单元用于接收所述制冷激光，并通过所述制冷激光激发产生局部制冷效应，以及通过所述局部制冷效应实现所述目标样品的操控。
所述的基于局部制冷效应的光镊装置，其中，所述制冷单元的厚度为50～500nm。
所述的基于局部制冷效应的光镊装置，其中，所述制冷单元的材质为氟锆酸盐玻璃、ZBLANP玻璃、ZBLAN玻璃和掺杂稀土元素的氟化物晶体半导体材料中的一种或多种。
所述的基于局部制冷效应的光镊装置，其中，所述制冷激光的波长为1000～1200nm。
所述的基于局部制冷效应的光镊装置，其中，所述光镊装置还包括：设置于所述激光器和所述样品操控模块之间的物镜；
所述物镜用于接收所述激光器产生的制冷激光，并将所述制冷激光汇聚至所述样品操控模块，以及采集被操控的所述目标样品的运动图像。
所述的基于局部制冷效应的光镊装置，其中，所述光镊装置还包括：感光器件；
所述感光器件用于收集所述物镜采集的所述运动图像，以监控所述目标样品的移动轨迹。
所述的基于局部制冷效应的光镊装置，其中，所述光镊装置还包括：设置于所述激光器和所述物镜之间的半透半反镜；
所述半透半反镜用于接收所述激光器产生的制冷激光，并将所述制冷激光透射至所述物镜，以及将所述物镜采集的所述运动图像反射至所述感光器件。
所述的基于局部制冷效应的光镊装置，其中，所述光镊装置还包括：设置于所述半透半反镜和所述感光器件之间的管镜；
所述管镜用于接收所述半透半反镜反射的所述运动图像，并将所述运动图像汇聚至所述感光器件。
本发明所公开的第二实施例为一种上述所述的基于局部制冷效应的光镊装置的光镊方法，其中，包括：
通过激光器产生制冷激光；
通过所述制冷激光激发样品操控模块产生局部制冷效应，并通过所述局部制冷效应实现所述样品操控模块中放置的待操控的目标样品的操控。
有益效果，本发明提供了一种基于局部制冷效应的光镊装置及方法，利用局部制冷效应实现目标样品的微纳操控，温度场与光场的双重作用使样品捕获更为紧密，光能利用率高，捕获区域的温度下降更适宜于生物分子的捕获，使其保持活性，由于有自然对流的辅助，使其捕获范围远远超过了传统光镊，可在微米甚至厘米尺度将目标粒子俘获。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于局部制冷效应的光镊装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的局部制冷效应的微纳操控原理图；
图3是本发明实施例提供的热平衡时光制冷温度场截面图；
图4是本发明实施例提供的光制冷效应流通池温度随时间变化曲线图；
图5是本发明实施例提供的热平衡时光制冷流速场截面图；
图6是本发明实施例提供的光制冷效应流通池中流速随时间变化曲线图；
图7是本发明实施例提供的基于局部制冷效应的光镊方法的一个实施例流程图。
附图中各标记：1、激光器；2、样品操控模块；3、物镜；4、感光器件；5、半透半反镜；6、管镜；21、制冷单元；22、流通池。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
光镊(optical tweezers)是一种以激光的力学效应为基础的微纳操控技术，传统光镊的发展源于17世纪，1616年，开普勒(Johannes Kepler)提出了光压的概念，使人们第一次认识到光会有力作用在被入射的物体上，而这种作用力则被称为光压；1960年，激光问世，人类对光的辐射压力与力学效应进行深入的研究；1969年，Ashkin使用高数值孔径的物镜产生高会聚的非均匀光场，形成梯度力势阱，首次实现对介电微球的三维光学捕获，光镊由此诞生；2018年，诺贝尔物理学奖颁发给Ashkin来表彰他发明了光镊，而光镊技术也因此在国际上得到了更多的关注，吸引了更多科学研究者参与研究，进一步推动了人类对生命科学与微观世界的探索。
虽然光镊光场的基本理论基本完善，但传统光镊装置存在以下诸多缺点：(1)捕获精度低：高数值孔径的物镜受限于光的衍射极限的影响，限制着光镊精度无法进一步提高到纳米量级；(2)操控范围小：光镊的操控范围仅能局限于光斑附近，无法对样品更广范围的微粒产生直接作用，所以对于低浓度的微粒捕获效率很低；(3)热效应扰动：受光热效应的影响，会增大捕获微粒的布朗运动，且捕获一些对热敏感的生物样品时会使其变性乃至失活。
为了解决上述三个问题，近年来多种新型光镊技术不断被提出，例如基于金属纳米材料的表面等离激元光镊，可以突破衍射极限，将亚波长尺度的微粒捕获到纳米结构附近，提高捕获精度。此外，表面等离激元光镊因其在纳米尺度的光场局域性能，其架构易与其他相互作用力结合，可共同促进传统光镊性能的提高，例如热电光镊、光热镊等新型光镊，这些新型光镊是利用温度场梯度或电场梯度而生的自然对流力、马兰戈尼对流力、热泳力、介电泳力、电渗力等作用力对光镊进行辅助。然而，虽然新型光镊可以解决上述传统光镊的前两个问题，但是在众多的研究与发明中，对于第三个问题，由于多数额外作用力的引入都是在提高局域温度的条件下进行的，至今仍无法有效解决，而多数生物粒子在升温时会受到较大影响，严重限制了新型光镊在生物医学领域的应用范围。
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于局部制冷效应的光镊装置，如图1所示，本发明的光镊装置包括：激光器1和样品操控模块2；所述激光器1用于产生制冷激光；所述样品操控模块2用于放置待操控的目标样品和接收所述制冷激光，并通过所述制冷激光激发产生局部制冷效应，以及通过所述局部制冷效应实现所述目标样品的操控。具体微纳操控过程中，将待操控的目标样品放置于样品操控模块2中，并将激光器1产生的制冷激光照射到样品操控模块2上，在制冷激光激发下，样品操控模块2产生局部制冷效应，利用局部制冷效应将目标样品捕获至光致低温区域，不仅实现了大范围的高精度光学微纳操控，而且光致冷源的产生也极大的降低了光热效应对生物粒子所带来的不利影响。此外，光制冷源的产生还可在温控方面，对特定生物分子的生化活动进行调控，极大地拓展了光镊的结构功能与应用场景，对相关生物医学的应用与科研探索提供了一个新的工具。
在一具体实现方式中，如图1所示，所述样品操控模块2包括：制冷单元21和与所述制冷单元21连通的流通池22。所述流通池22用于放置待操控的目标样品；所述制冷单元21用于接收所述制冷激光产生局部制冷效应，以实现所述流通池22中的目标样品的操控。当需要对目标样品进行微纳操控时，使目标样品由流通池22的一端流入，经过制冷单元21后由流通池22的另一端流出(如图1箭头所示)，与此同时，制冷单元21在制冷激光的激发下产生局部制冷效应，通过局部制冷效应实现目标样品的微纳操控。
如图2所示，为局部制冷效应的微纳操控原理图，制冷单元21在制冷激光11的激发下可以产生局域降温效果以及温度梯度场，而温度场的存在会引起流通池22中两种主要的热动力学效应，一个是自然对流(Convection)，另一个是热泳(Thermophoresis)，自然对流是由于流体密度差引起的浮力变化导致的流体的环形运动，而液体的内部温度梯度可产生密度差，从而引起特定环路的液体流动。在自然对流下，流体会对其中的颗粒或生物分子产生相互作用，这种热对流力遵循斯托克斯公式(Stokes’law)：FD＝6πηRv，其中，η是溶液的粘度系数，R是悬浮微粒的半径，v是微粒与流体之间的相对速度。自然对流如图2中箭头13所示的方向，在温度梯度作用下形成流体环路，把悬浮分散在溶液的微粒12向激光汇聚中心聚集又推走。而当微粒12被推到光斑附近时，分子感受到的光场梯度力和热泳力又起了主导作用，热泳描述了温度梯度引起的粒子位移，在温度场中的热泳力会受到沿温度梯度方向的作用力，通常由公式：表示，其中，vT是溶液中微颗粒或生物大分子的驱动速度，/>是温度梯度，ST是热泳系数(Soret coefficient),D是布朗运动扩散系数。大多数生物分子在PH中性时通常带负表面电荷，此时其ST的符号为正值，即热泳方向从温度高的位置指向温度低的位置，如图2中箭头14所示，生物分子在被对流环路驱动到中心附近时，又受到热泳力的影响，被反向推到温度相对较低的方向，并在热对流力作用下聚焦在激光的汇聚区域(流速相对较低的停滞区域，如图3所示)。而另一方面，与传统光镊相似，光场力的梯度力作用又使得微粒或者生物分子更为紧密的俘获于光斑汇聚处。移动光斑，被束缚的颗粒即可随之移动，从而实现光控制冷镊子，即“光冷镊”。此种光冷镊除了可以实现传统光镊的功能以外还具有如下诸多优势：(1)温度场与光场的双重作用使捕获更为紧密，光能利用率高；(2)捕获区域的温度下降更适宜于生物分子的捕获，使其保持活性；(3)由于有自然对流的辅助，使其捕获范围远远超过了传统光镊，可在微米甚至厘米尺度将目标粒子俘获。
在一具体实现方式中，所述制冷单元21的材质为氟锆酸盐玻璃、ZBLANP玻璃、ZBLAN玻璃和掺杂稀土元素的氟化物晶体半导体材料中的一种或多种，这些材料在光激发下均可产生较强的反斯托克斯荧光效应，使其原子间的振动动能减小，从而减小周围的温度，实现激光制冷的效果。例如掺Yb3+的氟化钇晶体(Yb3+:YLF)最低可以冷却到93K。
在一具体实现方式中，由于制冷单元21的厚度对热场的分布有影响，所述制冷单元21的厚度为50～500nm。所述激光器1产生的制冷激光的波长与制冷单元的材料相关，所述制冷激光的波长为1000～1200nm。
在一具体实现方式中，继续参照图1所示，所述光镊装置还包括：设置于所述激光器1和所述样品操控模块2之间的物镜3；所述物镜3用于接收所述激光器1产生的制冷激光，并将所述制冷激光汇聚至所述样品操控模块2，以及采集被操控的所述目标样品的运动图像。具体微纳操控过程中，激光器1产生的制冷激光由物镜3汇聚到样品操控模块2，激发样品操控模块2产生局部制冷效应。同时，样品操控模块2操控目标样品过程中，通过物镜3采集被操控的目标样品的运动图像。
在一具体实现方式中，所述光镊装置还包括：感光器件4，所述感光器件4为互补性氧化金属半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)感光器件，所述感光器件4用于收集所述物镜3采集的所述运动图像，以监控所述目标样品的移动轨迹。具体微纳操控过程中，物镜3采集的被操控的目标样品的运动图像经感光器件4收集，可以实时监控制冷单元21上表面被光冷镊操控的目标样品的移动轨迹。
在一具体实现方式中，所述光镊装置还包括：设置于所述激光器1和所述物镜3之间的半透半反镜5；所述半透半反镜5用于接收所述激光器1产生的制冷激光，并将所述制冷激光透射至所述物镜3，以及将所述物镜3采集的所述运动图像反射至所述感光器件4。具体微纳操控过程中，激光器1产生的制冷激光经半透半反镜5透射至物镜3，并通过物镜3汇聚至样品操控模块2；同时，物镜3采集的运动图像经半透半反镜5反射到感光器件4上。
在一具体实现方式中，所述光镊装置还包括：设置于所述半透半反镜5和所述感光器件4之间的管镜6；所述管镜6用于接收所述半透半反镜5反射的运动图像，并将所述物镜3采集的所述运动图像聚焦到所述感光器件4。具体微纳操控过程中，半透半反镜5反射的所述运动图像，经管镜6汇聚至所述感光器件4上进行收集。
此外，为进一步研究光冷镊的特性，发明人进行了光制冷的物理场模拟仿真，计算了产生冷源时温度场分布与流速场分布，发明人利用层流模型与流体传热模型进行物理场有限元仿真分析。由于制冷材料温度场分布与光斑的光强分布相同，发明人设置了高斯分布的冷源场，其功率密度(单位：W/m2)为：
其中，p_laser为激光器功率，本实验中设置为60mW，r_spot为模拟激光光斑半径，本实验中设置为1.5μm，t_laser为激光器的工作时间，A为修正系数(经验参数，避免液体温度过低)，本实验设置为0.0085，toff为激光器停止工作时刻。仿真结果表明制冷效应激发产生的温度场与光斑相同为轴对称分布，所以取半个流速与温度场截面作为结果展示，如图3所示，由于光制冷效应，在室温状态(293K)下在制冷中心(0，0)产生最冷点，温度随径向增加而升高至室温，如图4所示，温度响应在微秒量级，并在9s内达到热平衡。
此外，温度所致的流速场分布如图5所示，在冷源产生时，在对称轴附近(x＝0)首先产生向下的对流，可在大范围内将溶液中的微粒推向最冷点附近，而后由于热泳力的作用将微粒俘获于制冷材料的最冷点处，如图6所示，此种对流可在9s内达到平衡状态。
模拟结果表明，冷镊的温度场与流速场的响应时长能达到微纳秒级，光斑附近迅速形成温度梯度场，温度梯度随远离光斑而减小，溶液中的自然对流与热泳在光冷镊起主导作用，可将溶液中的微粒或者生物分子捕获并富集到温度最低的光斑附近，实现基于光制冷温度场调控的光镊。此种微纳操控技术可名为“光冷镊”、“光冷操控”、“制冷操控”、或“冷镊”等(包括但不限于)，其特点是适用于多种粒子的操控与富集，包括细胞、细菌、DNA、RNA、蛋白分子、纳米金属颗粒、塑料微粒等等(包括但不限于)。其冷源产生方式应包括(但不限于)：激光制冷(光冷镊)，半导体材料制冷，电制冷等其他局部制冷方式。
在一具体实现方式中，本发明还提供一种上述所述基于局部制冷效应的光镊装置相对应的基于局部制冷效应的光镊方法，如图7所示，所述方法包括如下步骤：
S1、通过激光器产生制冷激光；
S2、通过所述制冷激光激发样品操控模块产生局部制冷效应，并通过所述局部制冷效应实现所述样品操控模块中放置的待操控的目标样品的操控。
在一具体实施方式中，为了对待操控的目标样品进行微纳操控，首先将待操控的目标样品放置于样品操控模块，然后通过激光器产生制冷激光，并通过所述制冷激光激发样品操控模块产生局部制冷效应，最后通过所述局部制冷效应实现所述目标样品的操控。本实施例中利用局部制冷效应将目标样品捕获至光致低温区域，不仅实现了大范围的高精度光学微纳操控，而且光致冷源的产生极大的降低了热效应对生物粒子所带来的不利影响。此外，光致冷源的产生可在温控方面对特定生物分子的生化活动进行调控，极大地拓展光镊的结构功能与应用场景，对相关生物医学的应用与科研探索提供了新的工具。
综上所述，本发明提供了一种基于局部制冷效应的光镊装置及方法，包括：激光器和样品操控模块；所述激光器用于产生制冷激光；所述样品操控模块用于放置待操控的目标样品和接收所述制冷激光，并通过所述制冷激光激发产生局部制冷效应，以及通过所述局部制冷效应实现所述目标样品的操控。本发明利用局部制冷效应将目标样品捕获至光致低温区域，不仅实现了大范围的高精度光学微纳操控，而且光致冷源的产生极大的降低了光热效应对生物粒子所带来的不利影响，可在温控方面对特定生物分子的生化活动进行调控，极大地拓展了光镊的结构功能与应用场景。
应当理解的是，本发明的系统应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于局部制冷效应的光镊装置，其特征在于，包括：激光器和样品操控模块；
所述激光器用于产生制冷激光；
所述样品操控模块用于放置待操控的目标样品和接收所述制冷激光，并通过所述制冷激光激发产生局部制冷效应，以及通过所述局部制冷效应实现所述目标样品的操控；
所述样品操控模块包括：制冷单元和与所述制冷单元连通的流通池；
所述流通池用于放置待操控的目标样品；
所述制冷单元用于接收所述制冷激光，并通过所述制冷激光激发产生局部制冷效应，以及通过所述局部制冷效应实现所述目标样品的操控；
所述制冷单元的材质为氟锆酸盐玻璃、ZBLANP玻璃、ZBLAN玻璃和掺杂稀土元素的氟化物晶体半导体材料中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的基于局部制冷效应的光镊装置，其特征在于，所述制冷单元的厚度为50～500nm。
3.根据权利要求1所述的基于局部制冷效应的光镊装置，其特征在于，所述制冷激光的波长为1000～1200nm。
4.根据权利要求1所述的基于局部制冷效应的光镊装置，其特征在于，所述光镊装置还包括：设置于所述激光器和所述样品操控模块之间的物镜；
所述物镜用于接收所述激光器产生的制冷激光，并将所述制冷激光汇聚至所述样品操控模块，以及采集被操控的所述目标样品的运动图像。
5.根据权利要求4所述的基于局部制冷效应的光镊装置，其特征在于，所述光镊装置还包括：感光器件；
所述感光器件用于收集所述物镜采集的所述运动图像，以监控所述目标样品的移动轨迹。
6.根据权利要求5所述的基于局部制冷效应的光镊装置，其特征在于，所述光镊装置还包括：设置于所述激光器和所述物镜之间的半透半反镜；
所述半透半反镜用于接收所述激光器产生的制冷激光，并将所述制冷激光透射至所述物镜，以及将所述物镜采集的所述运动图像反射至所述感光器件。
7.根据权利要求6所述的基于局部制冷效应的光镊装置，其特征在于，所述光镊装置还包括：设置于所述半透半反镜和所述感光器件之间的管镜；
所述管镜用于接收所述半透半反镜反射的所述运动图像，并将所述运动图像汇聚至所述感光器件。
8.一种如权利要求1所述的基于局部制冷效应的光镊装置的光镊方法，其特征在于，包括：
通过激光器产生制冷激光；
通过所述制冷激光激发样品操控模块产生局部制冷效应，并通过所述局部制冷效应实现所述样品操控模块中放置的待操控的目标样品的操控。
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