CN115938634B - 一种基于毛细玻璃管装载的微粒转移悬浮方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于毛细玻璃管装载的微粒转移悬浮方法及装置。本发明在毛细管前端装载上微粒，利用线性位移台将毛细管固定并移动至势阱附近，利用细线将微粒推出毛细管，微粒被势阱力捕获并实现悬浮。本发明解决了直径在数十微米至数百微米范围的微粒无法通过喷雾法和振动脱附下落法实现转移悬浮的问题，转移悬浮成功率大于90%，避免了镊子夹持转移方法对微粒的损伤和势阱附近物体与镊子尖端产生空间干涉的问题。将装载微粒的毛细管前端置于光学显微镜下，可精确观测和筛选待悬浮的单个微粒的内部均匀性、面型和尺寸等参数。

Description

一种基于毛细玻璃管装载的微粒转移悬浮方法及装置

技术领域

本发明公开了一种基于毛细玻璃管装载的微粒转移悬浮方法及装置。

背景技术

悬浮振子系统采用特定方式形成的势阱来悬浮粒子，被束缚着的粒子在其中的运动可以视为简谐振子。通过将悬浮振子系统处于高度真空状态，使粒子与环境的耦合达到最小化，从而具有最小化热噪声、室温下冷却至基态、极高的品质因素等优势。根据产生束缚力的物体量不同，悬浮振子的势阱可以分为光势阱、电势阱、磁势阱及混合型势阱。

自1970年美国物理学家Ashkin开创了采用聚焦的激光悬浮玻璃粒子后，这种利用光束悬浮介质球的技术迅速发展，后被命名为光镊。光镊通过将光束高度聚焦形成一个中心势能低、四周势能高的光势阱，介质球靠近势阱时会受到梯度力和散射力而被稳定地捕获。光镊技术的快速发展，使得光势阱可悬浮的介质球大小可以从纳米到几十微米。磁势阱则是利用永磁体产生的磁场和重力相互作用为粒子创造了一个稳定的势阱。这类势阱要求被捕获的粒子具有抗磁性，根据被捕获粒子的抗磁性和永磁体产生的磁场强度，磁势阱的可悬浮粒子尺寸可以从纳米到百微米量级。电势阱则是通过对电极施加电压形成交变电场来束缚带电粒子，可用于悬浮纳米到几百微米尺度的粒子。

根据微粒的尺寸及特性的不同，悬浮振子系统在生物学和基础物理学等众多领域均有广泛地应用。在生物学方面，悬浮振子被用于捕捉和操纵病毒和细菌、诱导细胞产生应变等，成为了生物学的有利手段。在物理学面，可以实现极弱力、加速度、光动量等物理量的高灵敏度及分辨率的精密测量。其中，亚微米及微米尺度的悬浮振子具备局域化传感优势，悬浮微粒的尺寸越大，可以测得的加速度灵敏度越高，可以应用于惯性导航、重大资源勘探、地址灾害监等方面。

目前常用于悬浮振子的微粒悬浮技术包括振动脱附法、喷雾法和夹持法。振动脱附法依赖于压电陶瓷产生的振动使微粒克服与其他微粒或基板之间的范德华力后自由落体运动被势阱捕获，但随着微粒直径增大，吸附微粒的范德华力相对重力的比值减小，吸附强度降低而容易在转移过程甩丢微粒甚至于无法吸附微球，并且微粒进入势阱范围时的动能增大，最终使得悬浮成功率大大降低。喷雾法则是将带有微粒的悬浮液雾化后喷入势阱中，目前可用于喷雾法悬浮的最大微粒直径约为数微米，不适用于数十微米以上的微粒转移悬浮。另一方面，振动脱附法和喷雾法均无法实现单个特定微粒的起支，其他未悬浮成功的微粒会污染真空腔而影响系统的真空度，且无法确定捕获到的是单颗微粒还是集群，对结果的判定产生干扰。夹持法即采用镊子夹持微粒直接转移到势阱中心，一方面镊子的尖端会对微粒的表面光滑度产生损伤，另一方面，通常真空腔的空间范围有限，用于产生势阱的元件通常较为紧凑，镊子容易与其产生空间干涉或划伤元件。此外，随着微粒的尺寸不断增大，采用标称值而非微粒本身的尺寸对系统的影响结果也逐渐增大，因此对微粒进行定量测量是不可或缺的。

因此，研究一种有效提升大尺寸单颗微粒的起支成功率、更精准筛选及定量测量微粒参数的起支方式对探测精度的提升具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提出了一种基于毛细玻璃管装载的微粒转移悬浮方法及装置。

本发明实现其目的的技术方案如下：

一种基于毛细玻璃管装载的微粒转移悬浮方法，步骤如下：

1）在毛细玻璃管前端装载上微粒；

2）利用光学显微镜对微粒进行筛选及测量；

3）利用线性位移台将毛细玻璃管固定并移动靠近势阱；

4）利用细线将微粒推出毛细玻璃管；

5）微粒被势阱力捕获并实现悬浮。

步骤1）所述微粒最大尺寸在数十微米至数百微米，材质包括塑料、玻璃和晶体。

所述的毛细玻璃管的内径大于微粒最大尺寸，但不超过微粒最大尺寸的两倍。

所述的材质包括二氧化硅、聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯。

步骤2）所述的筛选包括整体外形筛选、表面及内部缺陷筛选；并用光学显微镜对微粒进行尺寸的标定。

步骤3）所述线性位移台的运动调节形式包括手动和电动两种，线性位移台的可运动轴数包括1轴到3轴，能捕获悬浮微粒的势阱的性质包括光辐射力阱、电场力阱和磁场力阱。

步骤4）所述细线包括于光纤、塑料线和铜线，推动细线的方式包括手指直接夹动、手动位移台驱动和电动位移台驱动三种。

步骤5）在微粒被推出毛细玻璃管后，微粒被指向地面的重力下落至势阱中然后被指向中心的势阱力捕获，或者直接被势阱力所捕获。

一种根据所述的方法利用毛细玻璃管装载将微粒转移至势阱中并实现悬浮的装置，包括盛装容器、毛细玻璃管、毛细玻璃管驱动位移台、细线、细线驱动位移台、势阱；微粒盛装容器中含有固态的微粒，毛细玻璃管的前端可伸入盛装容器用于装载单颗微粒，毛细玻璃管的尾端固定在毛细玻璃管驱动位移台上，细线串在毛细玻璃管中，细线的尾端固定在细线驱动位移台上；势阱用于捕获毛细玻璃管中掉落的微粒。

所述的装置，应用步骤包括：

将装载了微粒和细线的毛细玻璃管及其毛细玻璃管驱动位移台放置于光学显微镜下观察固态微粒的形态，对微粒的球形度、表面光滑度及内部缺陷进行筛选和尺寸测量；将微距相机聚焦在势阱产生的势阱中心，成像后实时传输至显示器；将装载筛选后微粒的整体装置转移，使毛细玻璃管的前端靠近势阱中心位置，再通过调节毛细玻璃管驱动位移台使毛细玻璃管的前端处于势阱中心位置；调节细线驱动位移台使细线将微粒推出毛细玻璃管掉落并被势阱捕获，在显示器上确认通过微距相机成像的微粒悬浮状态，从而完成微粒的转移及悬浮过程。

本发明的有益效果

本发明通过采用毛细玻璃管装载并悬浮微粒，提供了一种适用于大尺寸微粒的高成功率、无损伤性和可精确筛选尺寸等参数的方法及装置。

通过利用毛细玻璃管前端装载微粒，将毛细玻璃管固定在线性位移台上并控制移动至势阱附近，利用细线将微粒推出毛细玻璃管，微粒被势阱力捕获并实现悬浮。本发明解决了直径在数十微米至数百微米范围的微粒无法通过喷雾法和振动脱附法等经典起支方式实现转移悬浮的问题，避免了镊子夹持转移方法对微粒的损伤和势阱附近物体与镊子尖端产生空间干涉的问题，可以实现微粒转移悬浮成功率大于90%，最大程度避免了微粒对真空系统的污染。将装载微粒的毛细玻璃管前端置于光学显微镜下，可精确观测和筛选单个微粒的内部均匀性、表面级内部缺陷、面型、球形度，并利用光学显微镜的测量功能实现对微粒尺寸的定量精确测量。

附图说明

图1为本发明所述的方法的一种流程示意图。

图2为具体实施方式中步骤1）中的装置的一种结构示意图。

图3为具体实施方式中步骤2）中的装置的一种结构示意图。

图4为具体实施方式中步骤3）、4）的装置的一种结构示意图。

图5为光学显微镜观测微粒面型及尺寸测量结果。

图6为由CCD拍摄的利用毛细玻璃管转移微粒并于磁场力阱中悬浮实验结果图。

图中，盛装容器1、微粒2、毛细玻璃管3、毛细玻璃管驱动位移台4、细线5、细线驱动位移台6、光学显微镜7、势阱8、微距相机9、显示器10。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步阐述。

一种将微粒转移至势阱中并实现悬浮的方法及装置，所述方法的流程示意图如图1所示，步骤如下：

1）装置的结构示意图如图2所示，包括盛装容器1、毛细玻璃管3、毛细玻璃管驱动位移台4、细线5、细线驱动位移台6。将毛细玻璃管3固定在线性位移台4上，并水平伸入盛装容器1中使毛细玻璃管前端装载上单个微粒2；

2）装置的结构示意图如图3所示，利用光学显微镜7对微粒2进行内部均匀性、球形度及缺陷的筛选，并对微粒2进行尺寸测量；

3）装置的结构示意图如图4所示，利用毛细玻璃管驱动位移台4移动毛细玻璃管3至势阱中心，利用微距相机9观察毛细玻璃管3的前端位置与势阱8的相对位置；

4）利用细线驱动位移平台6移动细线5，将微粒2推出毛细玻璃管3端口；

5）利用微距相机9观测微粒2被势阱力捕获并实现悬浮；可在电脑显示器10进行实时观察。

如图2所示，将毛细玻璃管3水平固定在毛细玻璃管驱动位移台4上，毛细玻璃管的后端伸入细线5，细线的后端固定在细线驱动位移台6上。将装有较多微粒的盛装容器1呈水平状态放置，将毛细玻璃管3的前端伸入盛装容器1内部，使微粒2自然滑进毛细玻璃管3内部，避免因外力造成微粒2损伤。检查毛细玻璃管3内部微粒数量，用细线5推出多余的微粒，确保毛细玻璃管3内部保留单颗微粒。

如图3所示，将起支装置置于光学显微镜7下，调节光学显微镜7将成像面移动至微粒2表面，表现为微粒表面成像最清晰，观测微粒的面型及其表面光滑度；调节光学显微镜使微粒中部成像最为清晰，表现为外圈轮廓边界明确，此时采用光学显微镜的测量功能对微粒的尺寸进行测量。在调节光学显微镜成像面位置时，实时对微粒内部结构及其均匀性进行观测。完成一个方向上的观察与测量后，采用细线驱动位移台6推动细线5使微粒2在毛细玻璃管内部轻微滚动，至少重复3次以上步骤，实现对微粒不同面的观察及测量。

如图4 所示，连接微距相机9和显示屏10，将微距相机9的拍摄画面实时传输至电脑显示屏10。调节相机焦距使其成像面位于势阱中心。通过观测微距相机拍摄画面，移动装载了微粒和细线的毛细玻璃管3及其驱动器至势阱8附近，调节毛细玻璃管位移台4使毛细玻璃管前端面位于势阱8中心，调节细线驱动位移台6或手持细线使细线移动，轻轻推动微粒直至脱离毛细玻璃管端口。

如图4所示，根据毛细玻璃管与势阱的相对位置不同，微粒与势阱存在一定的距离。当毛细玻璃管端口位置高于势阱最低点时，微粒会受到重力作用下落至势阱中然后被指向势阱中心的势阱力捕获，当毛细玻璃管端口位置恰好在势阱最低点时，微球从毛细玻璃管端口脱离时直接被势阱力所捕获。但毛细玻璃管位置低于势阱的最低点时，微粒从毛细玻璃管端口脱离后受到重力作用直接下落而无法被势阱捕获。

应用实施例一

下面给出一个具体的实施例对本发明的毛细玻璃管装载微粒转移至磁-重力阱中悬浮的方法予以说明。

在高真空的条件下，用悬浮振子将固态微粒进行悬浮可以实现高精度的加速度测量。系统采用光磁混合阱，其中磁场力阱用于捕获并悬浮微粒。光束用于微粒运动的激励与探测，通过采集微粒的散射光信号进行反演即可得到加速度信息。系统可探测加速度的灵敏度与微粒的直径的平方或环境气压的倒数成正比例关系。因此采用大直径的微粒或将真空腔内气压保持高真空状态，可以实现更高的加速度灵敏度探测。

由于磁势阱只能捕获具备抗磁性的微粒，且为透明光学均匀介质球。选取微粒材质为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），密度为1.19g/cm³，粒径范围为400±40um。毛细玻璃管采用具有高透光性质的高硼硅玻璃点样毛细管，内径为400um，外径为650um，长度为100mm。毛细玻璃管驱动位移台采用三轴可运动手动位移台。细线采用光纤，包层直径为250um，长度为260mm。细线位移驱动台采用单轴手动位移台。光学显微镜采用奥斯威工业显微镜，可实现2倍、5倍、10倍、20倍和50倍放大。图5为光学显微镜对微粒表面形态及尺寸的测量结果，该PMMA微粒球形度较好，表面较为光滑，直径为378.98 um。悬浮微粒的势阱采用四磁极结构的磁-重力势阱。四磁极结构由两个Sm-Co永磁体和四个坡莫合金磁极构成，两个磁极夹持一个永磁体构成一个磁极组。切割顶部磁极组的磁极形成一个尖端，打破磁场的上下对称性，使势阱呈向上弯曲态，形成一个三维势阱以稳定地捕获抗磁性粒子。

系统中微距相机采用微距相机CCD，相机工作距离为150mm。放置相机位置与起支方向同轴反向，调节相机焦距对准磁-重力阱的中心，调节合适光源及放大倍率使CCD清晰地拍摄到磁极的四个尖端。将CCD通过信号线输出到显示屏，观察CCD拍摄的实时成像画面。将装载了微粒的起支装置整体移动至真空腔外部，从侧面窗口伸入毛细玻璃管，粗调位置将毛细玻璃管端口位于磁阱附近位置。调节毛细玻璃管驱动位移台的三轴，使玻璃管的前端口位于上磁极组之间的中心位置，玻璃管底部位于下磁极组顶面。毛细玻璃管相对于磁阱平面的左右及上下位置可以在CCD画面中直接判断，其深度位置可以通过毛细玻璃管端口的成像清晰度进行判断，当毛细玻璃管端口成像最清晰时为最佳位置。此时调节光纤位移驱动器，缓慢地向前推动，直至微粒被推出毛细玻璃管端口。由于微粒受重力作用，离开毛细玻璃管后会向下掉落至磁势阱中心从而被捕获，实现微粒的悬浮。

图6为由CCD拍摄的利用毛细玻璃管转移微粒并于磁场力阱中悬浮实验结果图，图中2为悬浮的PMMA微粒，3为毛细玻璃管，8为四磁极组构成的磁场力势阱。

由于受重力影响，微粒重心并不位于上下磁极组的中心位置，但通过CCD的成像仍可以清晰地判读微粒地悬浮状态。

应用实施例二

下面给出一个具体的实施例对本发明的毛细玻璃管装载微粒的方法转移至光辐射力阱中悬浮予以说明。

势阱采用对射双光束悬浮结构，当微粒位于光束焦点处时，微粒受到两个方向完全相反的的光辐射力达到平衡实现微粒的悬浮。捕获光采用1064 nm单模激光器输出的连续光，势阱产生元件为两个非球面透镜。由于对射双光束系统悬浮的关键在于微粒所受光辐射力的平衡，因此两个非球面透镜的对准中心即为光辐射力阱的中心。待捕获的微粒选用标称直径为20um的二氧化硅微粒。毛细玻璃管采用具有高透光性质的高硼硅玻璃点样毛细管，内径为40um，外径为100um，长度为100mm。光纤采用直径为20um的裸纤。将光纤伸入毛细玻璃管的内部，并在毛细玻璃管的前端装载一颗待悬浮微粒，并将其放置于光学显微镜下进行筛选与尺寸测量，剔除不符合标准的微粒，重复以上步骤直至筛选出一颗表面光滑，球形度较高且无缺陷，测量直径为20nm的二氧化硅微粒。

对于光辐射力势阱，首先打开1064 nm捕获光激光器，使其在真空腔中形成稳定的捕获光场。将装载目标二氧化硅微粒的起支装置移动至势阱附近，使毛细玻璃管前端位于两个非球面透镜的焦点处。用双手夹持住光纤，轻轻推动使微粒从毛细玻璃管端口掉落。由于毛细玻璃管端口位于两个非球面的焦点处，二氧化硅微粒从端口脱离后直接被光辐射力阱捕获。当CCD画面中出现单个微粒时即悬浮成功。

最后所应说明的是，以上实施例和阐述仅用以说明本发明的技术方案而非进行限制。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，不脱离本发明技术方案公开的精神和范围的，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于毛细玻璃管装载的微粒转移悬浮方法，其特征在于，步骤如下：

1）在毛细玻璃管前端装载上微粒；

2）利用光学显微镜对微粒进行筛选及测量；

3）利用线性位移台将毛细玻璃管固定并移动靠近势阱；

4）利用细线将微粒推出毛细玻璃管；

5）微粒被势阱力捕获并实现悬浮。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1）所述微粒最大尺寸在数十微米至数百微米，材质包括塑料、玻璃和晶体。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的毛细玻璃管的内径大于微粒最大尺寸，但不超过微粒最大尺寸的两倍。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的材质包括二氧化硅、聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2）所述的筛选包括整体外形筛选、表面及内部缺陷筛选；并用光学显微镜对微粒进行尺寸的标定。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3）所述线性位移台的运动调节形式包括手动和电动两种，线性位移台的可运动轴数包括1轴到3轴，能捕获悬浮微粒的势阱的性质包括光辐射力阱、电场力阱和磁场力阱。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4）所述细线包括于光纤、塑料线和铜线，推动细线的方式包括手指直接夹动、手动位移台驱动和电动位移台驱动三种。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5）在微粒被推出毛细玻璃管后，微粒被指向地面的重力下落至势阱中然后被指向中心的势阱力捕获，或者直接被势阱力所捕获。

9.一种根据权利要求1-8任一项所述的方法利用毛细玻璃管装载将微粒转移至势阱中并实现悬浮的装置，其特征在于，包括盛装容器（1）、毛细玻璃管（3）、毛细玻璃管驱动位移台（4）、细线（5）、细线驱动位移台（6）、势阱（8）；微粒盛装容器（1）中含有固态的微粒（2），毛细玻璃管（3）的前端可伸入盛装容器（1）用于装载单颗微粒（2），毛细玻璃管（3）的尾端固定在毛细玻璃管驱动位移台（4）上，细线（5）串在毛细玻璃管（3）中，细线（5）的尾端固定在细线驱动位移台（6）上；势阱（8）用于捕获毛细玻璃管（3）中掉落的微粒（2）。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，应用步骤包括：

将装载了微粒（2）和细线（5）的毛细玻璃（3）管及其毛细玻璃管驱动位移台（4）放置于光学显微镜（7）下观察固态微粒（2）的形态，对微粒（2）的球形度、表面光滑度及内部缺陷进行筛选和尺寸测量；将微距相机（10）聚焦在势阱（8）产生的势阱中心，成像后实时传输至显示器（10）；将装载筛选后微粒的整体装置转移，使毛细玻璃管（3）的前端靠近势阱中心位置，再通过调节毛细玻璃管驱动位移台（4）使毛细玻璃管（3）的前端处于势阱中心位置；调节细线驱动位移台（6）使细线（5）将微粒（2）推出毛细玻璃管掉落并被势阱捕获，在显示器（10）上确认通过微距相机（10）成像的微粒悬浮状态，从而完成微粒的转移及悬浮过程。

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