CN114496335A - 一种微纳颗粒的全光分选方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微纳颗粒分离的技术领域，包括一种微纳颗粒的全光分选方法和装置。所述微纳颗粒的全光分选方法包括步骤：在所述液体的表面的上方使用线偏振高斯光束以倾斜角度θ照射所述微纳颗粒，以在所述液体的表面上形成椭圆形光斑，和，以形成对所述微纳颗粒的侧向光力，以使所述微纳颗粒沿所述椭圆形光斑的长轴运动至所述液体内的一平衡位置，并停止在所述平衡位置；所述倾斜角度θ为所述高斯光束与所述液体的表面的法线形成的角度；所述侧向光力平行于所述椭圆形光斑的长轴上。本发明提供一种新的微纳颗粒分选机制，完全通过光学组件完成分离，无需预先制作特殊的分离液或微纳结构，实现高精度的粒径分选，具有可观的应用前景。

Description

一种微纳颗粒的全光分选方法和装置

技术领域

本发明涉及微纳颗粒分离的技术领域，更具体地，涉及一种微纳颗粒的全光分选方法和装置。

背景技术

微纳物质如细胞、磁珠、硅球、聚苯乙烯颗粒等广泛应用于生物医药、物理化学领域作为载体或靶向目标，而然它们在大规模生产过程中通常包含不同形状和大小的分散混合物，需要进行后期粒径分选和分离处理。目前实现微米级甚至纳米级颗粒或细胞等微小物质的粒径分选方法主要有机械振动法、密度梯度离心法、透析法和磁分选法等，这些分离方式通常利用不同类型颗粒在尺寸、密度、电极化率和流体动力学特性等方面的特征实现分离。

机械振动法是利用不同规格的筛网实现粒径筛选，申请号为201710183939.X的专利公开了一种机械振动法实现荧光粉粒径分选方法，所述荧光粉粒径分选装置包括在竖直方向上相连的至少两级筛网，筛网的网面平行设置并连接有使筛网振动的振动机构，由上至下筛网的网孔孔径逐级减小。粒径范围较大的荧光粉在筛网的振动作用下，被逐级筛网筛分，从而将荧光粉按照粒径区分开来，最小能分选出的粒径范围为0.1～100μm。这种方法需要提前设计好筛网，一旦筛网固定就无法灵活调节需要分离的颗粒大小，且分离精度较低，分选出来的颗粒粒径相差较大。另一方面，密度梯度离心法是利用不同颗粒之间的沉降系数差，在离心力作用下，颗粒各自以一定速度沉降，在密度梯度不同区域上形成区带，但是需要预先制备介质梯度，介质的最大密度要小于所有样品颗粒的密度，且分离过程繁琐，成本高；透析法是利用不同规模透析膜实现粒径分选，但是受透析膜规格限制，其通常只能分选出粒径小的颗粒，对于微米级颗粒分选困难，此外透析膜价格昂贵，分选效率低，导致其应用受限。

光镊技术由于具有非接触、无损伤、操作精度高等优点近年来引起研究者广泛的研究兴趣并应用于生物化学、医药医学等领域实现微纳物质的捕获和操控，目前已经报道利用光力实现了微纳物质的粒径分选。2012年，MacDonald等人从理论和实验两方面研究了粒子通过全息光阱阵列的运动(Journal of Optics,2012,14(12):125501.)，他们选择适当的阱间分离，可以在正交方向上创建光学势通道，对于混合了两种不同粒径的悬浮粒子，可以在两个正交通道中对粒子进行分选，但该方案需要设计三维光学晶格，结构复杂，成本高。

发明内容

本发明旨在解决上述现有技术中的至少一种缺陷(不足)，提出了应用新的微纳颗粒分选机制的微纳颗粒的全光分选方法和装置，操作简单，无需预先制作特殊的分离液或辅助结构即可实现高精度的粒径分选。

本发明采取的技术方案包括：

一种微纳颗粒的全光分选方法，用于分离不同粒径的微纳颗粒，其特征在于，待分离的微纳颗粒可自由运动，悬浮于液体中并部分露出所述液体的表面；包括以下步骤：在所述液体的表面的上方使用高斯光束按第一条件、第二条件照射所述微纳颗粒，以使不同粒径的所述微纳颗粒运动至所述液体内不同的一平衡位置；所述第一条件为：所述高斯光束在所述液体的表面上形成一具有长轴和短轴的椭圆形光斑，所述长轴垂直于入射光的传播方向，且平行于液体的表面，所述微纳颗粒被短轴梯度力束缚在所述长轴上；所述第二条件为：所述高斯光束与所述液体的表面的法线形成的角度θ∈(0°，90°)，所述高斯光束为线偏振光，形成对所述微纳颗粒的侧向光力，所述侧向光力的方向平行于所述长轴。

针对第一条件，圆形高斯光束经整形组件整形为椭圆形光斑，并经光引导体入射到液体表面，待分离的微纳颗粒处在光斑内，受到光场对其的梯度力(又称偶极子力)。梯度力源于光场的横向梯度，其方向指向光场的中心，其大小与微纳颗粒处在光场的位置、微纳颗粒的粒径和折射率相关，对于一种粒径和折射率不变的微纳颗粒，作靠近光场的中心的运动时，受到的梯度力先增大后减小。通过调节整形组件，使液体表面的椭圆形光斑长轴垂直于入射光的传播方向，且平行于液面。

针对第二条件，高斯光束倾斜地入射至液体的表面，与液体的表面的法线形成的角度为角度θ，角度θ不为0°或90°，高斯光束的入射角度用角度θ进行表征。高斯光束为线偏振光，当悬浮的微纳颗粒位于光斑内时，在液体的气液界面处将产生不对称散射，对微纳颗粒形成了侧向光力。侧向光力不同于光梯度力和光散射力，它源于光在传播过程中的系统对称性破缺，气液界面的折射率不均为系统对称性破缺的其一情形，其他情形包括散射体的几何形态破缺，或光场不对称等，是系统不对称散射产生的光力在侧向的分量。本发明中，侧向定义为垂直于入射光的传播方向，对应高斯光束的传播方向，且平行于液体的表面，在满足第一条件的情况下，侧向光力平行于椭圆形光斑长轴方向。侧向光力的大小与微纳颗粒的粒径、折射率和高斯光束的入射角度、偏振角度、光功率相关。

同时，高斯光束对微纳颗粒还具有散射力(又称辐射压力)，散射力源于高斯光束在散射过程中遵守电磁动量守恒，对微纳颗粒施加沿传播方向的力。

在本发明中，微纳颗粒被设置为：悬浮于液体表面，部分露出液体的表面，并可在液体中自由运动，使用高斯光束按第一条件、第二条件照射微纳颗粒，限定高斯光束形成的光斑为椭圆形，对应椭圆形光斑的光场分布、微纳颗粒处于椭圆形光斑的长轴上的位置、角度θ，悬浮的微纳颗粒受力情况满足：1)所述长轴垂直于入射光的传播方向，散射力不具有在所述长轴方向上的分量；2)在平行于所述短轴的方向上，梯度力的分量与散射力分量相抵消，短轴梯度力将微纳颗粒束缚在所述长轴上；3)侧向光力处在所述长轴方向上。因此，微纳颗粒因在所述长轴的方向上受力不平衡，而沿着所述长轴运动，直至抵达所述长轴方向上的某一位置，侧向光力与梯度力的矢量和的大小相同，方向相反，该位置即为平衡位置，而对于在照射高斯光束前已处于平衡位置的微纳颗粒，因受力平衡而维持不动。当高斯光束的入射角度、光功率、和偏振角度固定后，不同粒径或不同折射率的微纳颗粒的平衡位置不同，以此实现粒径分离。

进一步，在所述液体的表面的上方使用高斯光束按第一条件、第二条件照射所述微纳颗粒，包括步骤：将由激光出射组件出射的高斯光束通过整形为椭圆形，并通过调整光引导体的倾斜角度将所述高斯光束引导至所述微纳颗粒，以使所述高斯光束与所述液体的表面的法线形成的角度θ∈(0°，90°)，即高斯光束的入射角度为θ。

进一步，所述激光出射组件的偏振消光比大于或等于20dB，输出光功率为0～5W；所述高斯光束为p偏振光，波长在400nm～700nm之间。

进一步，所述椭圆形光斑长轴的长度在200μm～500μm之间，短轴的长度在15μm～50μm之间。

进一步，所述微纳颗粒为圆对称的形状，或，所述微纳颗粒经过预处理后为圆对称的形状。

进一步，所述微纳颗粒的直径范围为100nm～100μm，或，所述微纳颗粒经过预处理后直径范围为100nm～100μm。

基于相同的发明构思，本发明采取的技术方案还包括：

一种微纳物质颗粒的全光分选装置，用于分离不同粒径的微纳颗粒，其包括：样品台，设有用于放置待分离的微纳颗粒的液体；所述微纳颗粒在所述液体中可自由运动，悬浮于所述液体中并部分露出所述液体的表面；光学模块，在所述液体的表面的上方使用高斯光束按第一条件、第二条件照射所述微纳颗粒，以使所述微纳颗粒运动至所述液体内的一平衡位置后停止，和/或，以使所述微纳颗粒运动保持在所述液体内的一平衡位置；所述第一条件为：所述高斯光束在所述液体的表面上形成一具有长轴和短轴的椭圆形光斑，所述长轴垂直于入射光的传播方向，且平行于液面，所述微纳颗粒被短轴梯度力束缚在所述长轴上；所述第二条件为：所述高斯光束与所述液体的表面的法线形成的角度θ∈(0°，90°)，所述高斯光束为线偏振光，形成对所述微纳颗粒的侧向光力，所述侧向光力的方向平行于所述长轴。

进一步，所述光学模块包括：激光出射组件；整形组件，用于将由所述激光出射组件出射的高斯光束整形为椭圆形；偏振调节组件，用于调节由所述激光出射组件出射的高斯光束的偏振方向，以改变侧向光力的大小和方向；光引导体，用于将经过所述整形组件和所述偏振调节组件处理的高斯光束引导至所述微纳颗粒，以使引导至所述微纳颗粒的高斯光束与所述液体的表面的法线形成的角度θ∈(0°，90°)。

进一步，所述激光出射组件的偏振消光比大于或等于20dB，输出光功率为0～5W，其出射的高斯光束为p偏振光，波长在400nm～700nm之间。

进一步，还包括：成像模块，用于将所述微纳颗粒和/或所述微纳颗粒的运动过程形成影像。

与现有技术相比，本发明使用新的微纳颗粒分选机制，完全通过光学组件完成不同粒径的微纳颗粒分离，无需预先制作特殊的分离液或微纳结构，具有高精度和操作简单的优点。

附图说明

图1为本发明实施例1的微纳颗粒的全光分选方法的流程图。

图2为本发明实施例1的微纳颗粒的全光分选装置的示意图。

图3为本发明实施例1的微纳颗粒的全光分选方法的原理图。

图4为本发明实施例1的不同线偏振角度和入射角度下侧向光力的变化图。

图5为本发明实施例1的成像模块的影像图。

标号说明：样品台1、激光出射组件2、偏振调节组件3、整形组件4、光引导体5；成像模块6；微纳颗粒7。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1所示，本实施例提供的一种微纳颗粒的全光分选方法，用于分离不同粒径的微纳颗粒，依次包括以下步骤：

S0、预处理待分离的微纳颗粒，使微纳颗粒可自由运动地悬浮于液体中，并部分露出液体的表面；

S1、将由激光出射组件出射的高斯光束通过整形组件整形为椭圆形；

S2、通过调整光引导体的倾斜角度将高斯光束引导至微纳颗粒，并使高斯光束满足第一条件和第二条件；

S3、保持高斯光束的照射直至微纳颗粒停止运动。

其中，第一条件具体为：高斯光束在液体的表面上形成一具有长轴和短轴的椭圆形光斑，所述长轴垂直于入射光的传播方向，且平行于液面，微纳颗粒被短轴梯度力束缚在长轴上。第二条件具体为：高斯光束与液体的表面的法线形成的角度θ∈(0°，90°)，高斯光束为线偏振光，形成对悬浮微纳颗粒的侧向光力，侧向光力的方向平行于长轴，所述侧向为垂直于入射光的传播方向，且平行于液面的方向。

高斯光束以一定角度斜入射到微纳颗粒上产生光力，并在平行于长轴的方向上有力的分量，当偏振角不变的情况下，该分量随着入射角增大而增大，该分量即为侧向光力。具体地，侧向光力产生的关键是微纳颗粒半浮于水面，即让微纳颗粒所处周围环境的折射率不一样，当颗粒完全置于空气或水中或其他折射率环境中，侧向散射场是对称的，不存在侧向光力，此时微纳颗粒仅受梯度力的作用。

本实施例还提供一种微纳物质颗粒的全光分选装置，用以实现上述微纳颗粒的全光分选方法。如图2所示，该微纳物质颗粒的全光分选装置包括样品台1、激光出射组件2、偏振调节组件3、整形组件4、光引导体5和成像模块6。

为了清晰表达各方向，本实施例使用如图2所示的三维坐标系进行描述：x轴、y轴和z轴两两垂直，其中，x轴与y轴构成的平面平行于液体的表面，高斯光束在液体的表面的投影处于x轴上，使用角度θ表征入射角度，入射角度θ为高斯光束与+z方向的夹角，线偏振角度α为高斯光束的偏振方向E与+y方向的夹角。

具体地，激光出射组件2出射高斯光束，高斯光束经过偏振调节组件3后到达整形组件4，整形组件4将高斯光束的光型由圆形转变为椭圆形，被转变光型的高斯光束被光引导体5引导，聚焦于样品台1上，在液体的表面形成椭圆形光斑，椭圆形光斑的长轴平行于y轴，并与高斯光束在光引导体5到样品台1的传播路径的方向垂直，即侧向光力在y方向。通过偏振调节组件3可控制高斯光束在液体的气液界面的偏振方向E，进而改变作用于微纳颗粒上的侧向光力的大小和方向。

图3为本实施例的微纳颗粒的全光分选方法的原理图，使用高斯光束按第一条件、第二条件照射微纳颗粒，微纳颗粒在y轴上只受到由高斯光束偏振引起的侧向光力和椭圆形光斑光场内的梯度力作用。如图3所示，灰色实线代表粒径为R1的微纳颗粒受到的梯度力，黑色实线代表粒径为R1的微纳颗粒受到的侧向光力，灰色虚线代表粒径为R2的微纳颗粒受到的梯度力，黑色虚线代表粒径为R2的微纳颗粒受到的侧向光力，R2大于R1。梯度力在椭圆形光斑中心(即y轴原点)两侧的方向相反，始终指向椭圆形光斑长轴的中心，且其大小与微纳颗粒的粒径成正比，并与微纳颗粒与椭圆形光斑中心的距离相关，靠近椭圆形光斑中心，梯度力先增大后减小。侧向光力的大小与高斯光束的光强正相关，且与偏振角度、微纳颗粒与液体的折射率差相关，其方向始终与y轴平行。当高斯光束的入射角度θ和偏振方向E固定时，R1和R2的微纳颗粒分别在椭圆形光斑不同的位置实现侧向光力与梯度力平衡，图2中的两个小球圆心位置即为R1和R2的微纳颗粒的平衡位置，不同微纳颗粒分别在其对应的平衡位置被稳定捕获，实现不同粒径微纳颗粒的分选。

优选地，本实施例的步骤S0的预处理具体为：首先用量程为10μL的移液枪取0.5μL十二烷溶液(纯度99％，折射率n＝1.421～1.423)稀释在1mL的正戊烷溶液(无水，纯度99％)中，使其体积比为1:2000。随后将混合液超声10分钟，使十二烷充分溶解于正戊烷。最后用量程为0.5μL的微量进样器取0.2μL样品，且迅速地释放到去离子水表面，戊烷迅速挥发，在水表面上形成十二烷油滴(直径d为2～20μm不等)。由于水和油是不溶混的，因此在水表面上的油滴可以长时间保持稳定。此外，在分选过程中将培养皿放置在玻璃罩中，以防止由于气流而引起的油滴过分运动。完成步骤S0后，使用上述微纳物质颗粒的全光分选装置执行步骤S1～S3。

图4为理论计算半径R＝5μm的十二烷油滴在不同线偏振角度α和入射角度θ下的侧向光力大小。可以看出当入射角度θ固定时，随着线偏振角度α由-90°旋转至+90°，微纳颗粒所受的侧向光力由-y方向变为+y方向，且在±45°时，侧向光力达到最大。而对于同一线偏振角度α，侧向光力会随着入射角度θ的增大而增大。因此，通过调节偏振调节组件3可以控制侧向光力的大小和方向。

利用成像模块6对上述微纳物质颗粒的全光分选方法进行可行性验证：在配置好十二烷油滴后，缓慢调节激光出射组件2的输出光功率至2W；通过成像模块6形成的影像观察十二烷油滴的分散情况和光斑聚焦情况；调节整形组件4与光引导体5使椭圆形光斑聚焦至最小，并使椭圆形光斑长轴处于y轴；通过调整偏振调节组件3使线偏振角度α在±45°切换。如图5所示，油滴在进入椭圆形光斑区域后被椭圆形光斑短轴梯度力捕获，使其仅能沿着长轴运动。当线偏振角度α＝45°时，侧向光力的方向为+y方向，油滴沿着+y方向运动142.63μm，在靠近椭圆形光斑末端的位置实现侧向光力和梯度力平衡，油滴被稳定捕获在该位置。当线偏振角度α＝-45°时，侧向光力的方向为-y方向，油滴从椭圆形光斑末端位置沿着+y方向运动，并在靠近椭圆形光斑中心的位置被稳定捕获。因此，通过调节高斯光束的偏振方向E可以实现油滴在椭圆形光斑不同平衡位置被稳定捕获，而对于不同直径的油滴，其稳定捕获位置不同，以此实现油滴的分选。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种微纳颗粒的全光分选方法，用于分离不同粒径的微纳颗粒，其特征在于，待分离的微纳颗粒可自由运动，悬浮于液体中并部分露出所述液体的表面；包括以下步骤：

在所述液体的表面的上方使用高斯光束按第一条件、第二条件照射所述微纳颗粒，以使不同粒径的所述微纳颗粒处于所述液体内不同的平衡位置；

所述第一条件为：

所述高斯光束在所述液体的表面上形成一具有长轴和短轴的椭圆形光斑，所述长轴垂直于入射光的传播方向，且平行于所述液体的表面，所述微纳颗粒被短轴梯度力束缚在所述长轴上；

所述第二条件为：

所述高斯光束与所述液体的表面的法线形成的角度θ∈(0°，90°)，所述高斯光束为线偏振光，形成对所述微纳颗粒的侧向光力，所述侧向光力的方向平行于所述长轴。

2.根据权利要求1所述的一种微纳物质颗粒的全光分选方法，其特征在于，在所述液体的表面的上方使用高斯光束按第一条件、第二条件照射所述微纳颗粒，包括步骤：

将由激光出射组件出射的高斯光束通过整形为椭圆形，并通过调整光引导体的倾斜角度将所述高斯光束引导至所述微纳颗粒，以使所述高斯光束与所述液体的表面的法线形成的角度θ∈(0°，90°)。

3.根据权利要求2所述的一种微纳物质颗粒的全光分选方法，其特征在于，

所述激光出射组件的偏振消光比大于或等于20dB，输出光功率为0～5W；

所述高斯光束为p偏振光，波长在400nm～700nm之间。

4.根据权利要求1所述的一种微纳物质颗粒的全光分选方法，其特征在于，

所述长轴的长度在200μm～500μm之间，所述短轴的长度在15μm～50μm之间。

5.根据权利要求1～4任一项所述的一种微纳物质颗粒的全光分选方法，其特征在于，

所述微纳颗粒在所述液体的表面上的投影为圆对称的形状，或，所述微纳颗粒经过预处理后在所述液体的表面上的投影被处理为圆对称的形状。

6.一种微纳物质颗粒的全光分选装置，用于分离不同粒径的微纳颗粒，其特征在于，包括：

样品台，设有用于放置待分离的微纳颗粒的液体；所述微纳颗粒在所述液体中可自由运动，悬浮于所述液体中并部分露出所述液体的表面；

光学模块，在所述液体的表面的上方使用高斯光束按第一条件、第二条件照射所述微纳颗粒，以使所述微纳颗粒运动至所述液体内的一平衡位置后停止，和/或，以使所述微纳颗粒运动保持在所述液体内的一平衡位置；

所述第一条件为：所述高斯光束在所述液体的表面上形成一具有长轴和短轴的椭圆形光斑，所述长轴垂直于入射光的传播方向，且平行于所述液体的表面，所述微纳颗粒被短轴梯度力束缚在所述长轴上；

所述第二条件为：所述高斯光束与所述液体的表面的法线形成的角度θ∈(0°，90°)，所述高斯光束为线偏振光，形成对所述微纳颗粒的侧向光力，所述侧向光力的方向平行于所述长轴。

7.根据权利要求6所述的一种微纳物质颗粒的全光分选装置，其特征在于，所述光学模块包括：

激光出射组件；

整形组件，用于将由所述激光出射组件出射的高斯光束整形为椭圆形；

偏振调节组件，用于调节由所述激光出射组件出射的高斯光束的偏振方向，以调节所述侧向光力的大小和方向；

光引导体，用于将经过所述整形组件和所述偏振调节组件处理的高斯光束引导至所述微纳颗粒，以使引导至所述微纳颗粒的高斯光束与所述液体的表面的法线形成的角度θ∈(0°，90°)。

8.根据权利要求7所述的一种微纳物质颗粒的全光分选装置，其特征在于，

所述激光出射组件的偏振消光比大于或等于20dB，输出光功率为0～5W，其出射的高斯光束为p偏振光，波长在400nm～700nm之间。

9.根据权利要求6～8任一项所述的一种微纳物质颗粒的全光分选装置，其特征在于，还包括：

成像模块，用于将所述微纳颗粒和/或所述微纳颗粒的运动过程形成影像。

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