一種微納顆粒雙向傳輸和可控性定位的光學(xué)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種微納顆粒雙向傳輸和可控性定位的光學(xué)方法，包括：制備用于微納顆粒雙向傳輸和定位的傳輸定位光纖，傳輸定位光纖包括有微納光纖及位于微納光纖兩端的光纖錐，將傳輸定位光纖懸置于載物臺上，吸取含有微納顆粒的懸浮液滴到載物臺上，懸浮液完全浸沒微納光纖及兩端的光纖錐；傳輸定位光纖兩端分別連接激光光源，一端的激光光功率固定，一端的激光光功率可調(diào)，通過調(diào)節(jié)另一端激光的光功率實(shí)現(xiàn)微納顆粒的雙向傳輸和定位；兩端激光的波段相同，要求該波段的激光對液體環(huán)境及生物體不吸收或弱吸收；當(dāng)兩端的光功率不相同時(shí)，微納顆粒朝功率低的一側(cè)傳輸；當(dāng)兩端的功率相同時(shí)，微納顆粒可實(shí)現(xiàn)定位。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活快捷、成本低廉、無損傷的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種微納顆粒雙向傳輸和可控性定位的光學(xué)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微納光子學(xué)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種微納顆粒雙向傳輸和可控性定位的光學(xué)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自從20世紀(jì)80年代光鑷系統(tǒng)誕生之日起，光捕獲和光操控技術(shù)開始受到全世界學(xué)者的關(guān)注，并得到了迅速的發(fā)展。利用該技術(shù)可準(zhǔn)確捕獲和操控小至原子、納米微粒，大至生物大分子、細(xì)胞、細(xì)菌等的微小物體。
[0003]由于光捕獲和光操控具有精度高、非接觸、無損傷等特點(diǎn)而在生物、物理、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域引起廣泛的重視，并成為近20多年來微納光子學(xué)領(lǐng)域十分活躍的前言課題之一。傳統(tǒng)的光鑷基于高功率激光器和高數(shù)值孔徑透鏡組合，一般體積龐大，價(jià)格昂貴，且工作距離短、樣品移動自由度小，因此要操控深孔或毛細(xì)血管等狹窄位置中的顆粒難度較大，而較高的激光功率也存在著破壞部分樣品周圍環(huán)境的可能性。這些固有的缺點(diǎn)限制了傳統(tǒng)光鑷在微納技術(shù)尤其是微納光子學(xué)中的應(yīng)用。
[0004]近年來新興起的光纖光鑷技術(shù)較好地解決了這些問題。光纖光鑷是指利用光纖端面(熔拉成拋物線形狀或大錐角透鏡形狀等等)出射的聚焦激光束來實(shí)現(xiàn)對微顆粒的捕獲和操控。但是這種方法跟傳統(tǒng)光鑷相似，都需要將光束進(jìn)行聚焦，這使得光學(xué)梯度力的作用區(qū)域比較有限，當(dāng)光傳播較遠(yuǎn)時(shí)，光力迅速減弱，這時(shí)將不能對顆粒起作用。借助于介質(zhì)表面處的倏逝波可以克服以上不足。其中，垂直于介質(zhì)波導(dǎo)表面的倏逝波場存在較強(qiáng)的光學(xué)梯度，能夠?qū)⑽⑿∥矬w捕獲到波導(dǎo)表面；而沿著波導(dǎo)表面倏逝波傳輸方向的光散射力則推動其向前運(yùn)動。
[0005]目前，人們已經(jīng)利用平面波導(dǎo)器件、環(huán)形波導(dǎo)諧振器、基于等離激元的金屬波導(dǎo)器件等等成功實(shí)現(xiàn)對介質(zhì)顆粒、生物細(xì)胞、金屬顆粒等的捕獲和操控。但是這些波導(dǎo)結(jié)構(gòu)制作工藝復(fù)雜、且尺寸較大(需要襯底)，而且捕獲在波導(dǎo)表面的微顆粒在光散射力的作用下會持續(xù)傳輸，這也限制了一些其它的功能(譬如靶向傳輸、可控性定位、釋放等)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術(shù)所述的至少一種缺陷(不足)，提供一種微納顆粒雙向傳輸和可控性定位的光學(xué)方法，該方法具有成本低廉、無損傷環(huán)境的特點(diǎn)。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
一種微納顆粒雙向傳輸和可控性定位的光學(xué)方法，包括以下步驟:
步驟S1:制備用于微納顆粒雙向傳輸和可控性定位的傳輸定位光纖，所述傳輸定位光纖包括無涂覆層的微納光纖及位于微納光纖兩端的無涂覆層的光纖錐，所述光纖錐尖端線徑與維納光纖的線徑相同，所述微納光纖的線徑為800 nm?Ι.Ομπι，長度為200?400 μ m ；
步驟S2:將傳輸定位光纖懸置于載物臺上，并吸取含有微納顆粒的懸浮液滴到載物臺上，懸浮液完全浸沒微納光纖及兩端的光纖錐；
步驟S3:傳輸定位光纖兩端分別連接激光光源，一端的激光光功率固定，另一端的激光光功率可調(diào)，通過調(diào)節(jié)另一端激光的光功率實(shí)現(xiàn)微納顆粒的雙向傳輸和可控性定位；兩端激光的波段相同，且該波段的激光對液體環(huán)境及生物體不吸收或弱吸收；
當(dāng)兩端的光功率不相同時(shí)，微納顆粒朝功率低的一側(cè)傳輸；
當(dāng)兩端的功率相同時(shí)，實(shí)現(xiàn)微納顆粒的定位。
[0008]將上述制備好的傳輸定位光纖放懸置于載物臺后，采用顯微鏡來觀察微納顆粒的雙向傳輸和定位，通過調(diào)節(jié)一端激光的光功率的大小，借助于微納光纖表面倏逝波場產(chǎn)生的光學(xué)梯度力和散射力，實(shí)現(xiàn)微納顆粒的雙向傳輸和定位控制，微納顆粒的雙向傳輸是指微納顆粒朝著光功率低(光弱)的一側(cè)傳輸，在兩側(cè)光功率相等時(shí)微納顆?？蓪?shí)現(xiàn)定位控制。
[0009]上述微納光纖兩端的光纖錐一般不會是傳輸定位光纖兩端頭，考慮到微納光纖需要表面產(chǎn)生較強(qiáng)的倏逝波場但也要有較好的機(jī)械性能，在本發(fā)明中，微納光纖的拉制成線徑為800 nm~1.0 μ m(亞波長尺寸)，長度約為200~400 μ m。微納光纖的長度越長，傳輸和定位距離會更長，但是損耗會加大，微納光纖上的光功率會不均勻，當(dāng)兩邊輸入激光，會出現(xiàn)兩邊顆粒均向中心傳輸?shù)那樾巍?00-400um長度可以近似認(rèn)為光功率幾乎均勻分布，而且太長了光纖的機(jī)械性能會變很差。為了避免光泳或者熱效應(yīng)的產(chǎn)生，傳輸定位光纖兩端輸入的激光的波段對液體環(huán)境及生物體不吸收或弱吸收。
[0010]當(dāng)通光后，微納光纖周圍的微納顆粒能夠被微納光纖表面倏逝波場產(chǎn)生的光學(xué)梯度力(指向纖芯光強(qiáng)的方向 )捕獲到表面，進(jìn)而被光學(xué)散射力(沿著光傳播方向)推動并沿著光纖表面?zhèn)鬏?；?dāng)微納光纖兩側(cè)通光時(shí)，光學(xué)梯度力因方向相同疊加而獲得增強(qiáng)，而光學(xué)散射力因方向相反而部分抵消，所以捕獲在光纖表面微納顆粒的運(yùn)動行為可通過改變一側(cè)的光功率而控制。即，哪一側(cè)光功率更小時(shí)，微納顆粒就會向著這一側(cè)傳輸；兩邊光功率相等時(shí)，微納顆?？啥ㄎ辉谠?。
[0011]在一種優(yōu)選的方案中，所述傳輸定位光纖的制備過程為:剝?nèi)?biāo)準(zhǔn)單模光纖一段的涂覆層，對剝?nèi)ネ扛矊雍蟮墓饫w加熱至熔融，將熔融部分以3飛mm/s的速度拉制成包括線徑為700 ηπ .Ο μπι，長度為200-400 μ m的微納光纖及兩端的光纖錐。在此處，剝?nèi)ネ扛矊拥墓饫w是標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中除兩端的任一段。
[0012]在一種優(yōu)選的方案中，是通過光纖調(diào)節(jié)架拉制熔融部分。
[0013]在一種優(yōu)選的方案中，所述微納光纖的表面是光滑的。
[0014]在一種優(yōu)選的方案中，所述微顆粒懸浮液的制備是按照1:1000的體積比將顆粒粉末用去離子水稀釋后，再利用超聲機(jī)超聲的方法。
[0015]在一種優(yōu)選的方案中,所述載物臺為載玻片。
[0016]在一種優(yōu)選的方案中，所述激光的波長為980 nm ;光功率為O~20 mW。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
1.本發(fā)明采用微納光纖實(shí)現(xiàn)微納顆粒雙向傳輸和定位的控制，明顯具有尺度上的優(yōu)勢，且該微納光纖制作簡單、快速，自由靈活、成本低廉，可避免現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備復(fù)雜、龐大等問題。
[0018]2.本發(fā)明采用的微納光纖可以集成到微納器件上對微納顆粒進(jìn)行雙向傳輸和可控性定位，具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)；
3.本發(fā)明借助微納光纖表面倏逝波捕獲和操控的原理，在低功率下就可以實(shí)現(xiàn)對微納顆粒的雙向傳輸和可控性定位，具有無接觸、無損傷、快捷高效等優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為試驗(yàn)裝置和制作流程示意圖。
[0020]圖2 (a)為試驗(yàn)納米顆粒(直徑為713.3 nm的聚苯乙烯(PS)顆粒)的掃描電子顯微鏡圖片。
[0021]圖2 (b)為微納光纖的掃描電子顯微鏡(SEM)圖片。
[0022]圖2 (c)為浸沒在顆粒懸浮液中的微納光纖光學(xué)顯微圖片。
[0023]圖3為CCD拍攝的PS納米顆粒雙向操控和可控性定位的光學(xué)顯微圖片。
[0024]圖4為PS納米顆粒的傳輸速度及其所受的光學(xué)散射力隨著兩側(cè)輸入功率差的變化關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制；
為了更好說明本實(shí)施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小，并不代表實(shí)際產(chǎn)品的尺
寸；
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，附圖中某些公知結(jié)構(gòu)及其說明可能省略是可以理解的。
[0026]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明。
[0027]—種對微納顆粒雙向傳輸和可控性定位的光學(xué)方法，包括以下步驟，如圖1:
(I)制備用于微納顆粒雙向傳輸和可控性定位的微納光纖，如圖1 (a)。將一根標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，在本實(shí)施例中，標(biāo)準(zhǔn)單模光纖是Corning SMF_28，Kg8.2 μ m，包層直徑125 μ m，連接頭類型為FC/PC ;剝?nèi)ブ虚g一段(約20 mm)涂覆層后平行放置于酒精燈上方外焰處，靜置30 s左右待光纖熔融后借助于兩邊的光纖調(diào)節(jié)架以:3-6 mm/s的速度將熔融部分拉制成線徑800 nm ^1.0 μ m，長度約200- 400 μ m的微納光纖。這里既要考慮到微納光纖表面需要產(chǎn)生較強(qiáng)的倏逝波場，同時(shí)也要考慮到要有較好的機(jī)械性能。
[0028](2)將制備好的微納光纖水平懸置于載玻片上，并整體置于顯微鏡載物臺上，如圖1(b)。這里使用的顯微鏡物鏡參數(shù)，包括放大倍數(shù)(MT)、數(shù)值孔徑(NA)及工作距離為(TO):X5 (NA = 0.10，WD = 19.0 mm), X20 (NA = 0.40, WD = 11.2 mm), X40 (NA =
0.50, WD = 10.0 mm), X50 (NA = 0.75, WD = 1.5 mm), and XlOO (NA = 0.73, WD =1.0 mm)。圖1 (b)中，l_980nm激光器1、2_光隔離器、3-光纖、4-懸浮液、5-微納顆粒、6-光纖調(diào)節(jié)架、7-載玻片、8-載物臺、9-物鏡、10-計(jì)算機(jī)、I l-980nm激光器I1、12-顯微鏡。
[0029](3)使用吸管吸取少量微納顆粒懸浮液體滴到載玻片上，使液滴完全浸沒微納光纖及其兩端的光纖錐部分。這里，微顆粒懸浮液的制備是采取先將顆粒粉末用去離子水稀釋后，其稀釋比為1:1000 ;再用超聲機(jī)超聲的方法得到。
[0030](4)光纖兩端分別連接980 nm激光光源,打開激光器,保持微納光纖右端光功率不變Od2 = 10 mW)，改變左端光功率(Λ = O~20 mW)，借助于微納光纖表面倏逝波場產(chǎn)生的光學(xué)梯度力和散射力，即可實(shí)現(xiàn)微納顆粒的雙向傳輸(朝著光弱的一側(cè)傳輸)和可控性定位(兩側(cè)光功率相等時(shí))。這里，采用波長為980 nm的激光光源，其原因在于該波段對于液體環(huán)境及生物體都是弱吸收的，避免光泳或者熱效應(yīng)的產(chǎn)生；當(dāng)通光后，微納光纖周圍的微納顆粒能夠被光纖表面倏逝波場產(chǎn)生的光學(xué)梯度力(指向纖芯光強(qiáng)的方向)捕獲到表面，進(jìn)而被光學(xué)散射力(沿著光傳播方向)推動并沿著光纖表面?zhèn)鬏敚划?dāng)微納光纖兩側(cè)通光時(shí)，光學(xué)梯度力因方向相同疊加而獲得增強(qiáng)，而光學(xué)散射力因方向相反而部分抵消，所以捕獲在光纖表面微納顆粒的運(yùn)動行為可通過改變一側(cè)的光功率而控制，如圖1 (C)。 [0031] 實(shí)施例1
以傳輸和定位713.3 nm的聚苯乙烯(PS)顆粒為例來說明，其掃描電子顯微鏡(SEM)圖片詳見圖2 (a)所示。為了說明通過本實(shí)施例步驟(1)所制得的微納光纖的良好性能，SEM可用于表征它的形貌。舉例說明，圖2 (b)展示了一條線徑為910 nm的納米光纖SEM圖片，說明熔融拉伸法制得的微納光纖表面光滑，線徑均勻，這對后續(xù)的傳輸和定位微納顆粒實(shí)驗(yàn)非常關(guān)鍵。圖2 (c)展示了 910 nm光纖浸沒在713.3 nm PS顆粒懸浮液中的光學(xué)顯微圖片。
[0032]圖3顯示了 CXD連續(xù)拍攝的在不同輸入功率下的顆粒傳輸和定位的光學(xué)顯微圖片，保持右端光功率Λ = 10 mW不變。實(shí)驗(yàn)記錄的初始時(shí)刻，? = O=乃=10 mff,被捕獲于微納光纖表面的PS顆粒靜止并定位在相應(yīng)的位置；只要兩邊光功率不變，顆粒將持續(xù)這種狀態(tài)，如? = 2 S。從? = 2 s到? = 6 s，將左端光功率由Λ = 10 mff提高到P1 = 15 mW，所有定位在微納光纖表面的PS顆粒開始朝著功率小的一端(右端)傳輸。圖3中分別列舉了 ? = 6、10、14 s時(shí)向光纖右端傳輸?shù)墓鈱W(xué)顯微圖片，從中可以看出顆粒傳輸?shù)乃俣仁潜容^穩(wěn)定的。如標(biāo)注Α、B的顆粒，從? = 6 s到14 S，向右傳輸?shù)木嚯x分別為44μ m和43 μ m，估計(jì)的平均傳輸速度為5.4 μ m/s。t = 14 s到17 s持續(xù)這樣的狀態(tài)不變。從? = 17 s到? = 20 s,將左端光功率重新調(diào)回Z71 = 10 mW,發(fā)現(xiàn)向右端傳輸?shù)念w粒開始減速直到停止在微納光纖的表面，即再次實(shí)現(xiàn)了定位功能，如? = 20 s和? = 22 s所示。從? = 22 s到? = 26 s，將左端光功率Λ = 10 mff減小到Λ = 5 mW，所有定位在微納光纖表面的PS顆粒開始運(yùn)動，并朝著另一端(左端)傳輸。圖中列舉了 ? = 26,30,34 s時(shí)向左端傳輸?shù)墓鈱W(xué)顯微圖片。從? = 26 s到34 S，標(biāo)注C、D的顆粒，向左傳輸?shù)木嚯x分別為15 μπι和26 μ m,估計(jì)的平均傳輸速度為2.6 μπι/s。
[0033]為了進(jìn)一步調(diào)查輸入光功率對雙向傳輸和定位的影響，圖4顯不了不同的輸入光功率差(ΛΡ = P1 - /p下顆粒傳輸速度及受到的光學(xué)散射力大小。這里假設(shè)向右端傳輸?shù)姆较驗(yàn)檎较颉脑搱D可以看出，顆粒的傳輸速度隨著的增加幾乎是線性遞增的。當(dāng)= 0，即兩端光功率相等時(shí)，傳輸速度r = O μ m/s，即顆粒將停止在微納光纖的表面；當(dāng)> 0，即左端光功率大于右端時(shí)，顆粒的傳輸速度r > O μ m/s,即顆粒朝著功率小的一端(右端)傳輸；當(dāng)NP < O,即左端光功率小于右端時(shí),顆粒的傳輸速度r < O μ m/s，即顆粒朝著功率小的一端(左端)傳輸。由此，只要改變兩端光功率差即可實(shí)現(xiàn)微納顆粒雙向傳輸和可控性定位的功能。顆粒所受到的光學(xué)散射力可以通過斯托克斯定律來計(jì)算W=6 Tir V",其中r = 356.5 nm指顆粒半徑，η = 8.9 X 10 4 Pa.s指室溫下水的動態(tài)粘度)，如圖4所示?？梢钥闯觯糜趥鬏敽投ㄎ坏腜S顆粒所受到的光學(xué)散射力的大小接近皮牛(PN)量級，且隨著NP的增加同樣呈現(xiàn)遞增的趨勢。
[0034]本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)在微納尺度狹小空間內(nèi)對微納顆粒的雙向傳輸和可控性定位，這對微納光子學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展十分有利。
[0035]顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種微納顆粒雙向傳輸和可控性定位的光學(xué)方法，其特征在于，包括: 步驟S1:制備用于微納顆粒雙向傳輸和可控性定位的傳輸定位光纖，所述傳輸定位光纖包括無涂覆層的微納光纖及位于微納光纖兩端的無涂覆層的光纖錐，所述光纖錐尖端線徑與維納光纖的線徑相同，所述微納光纖的線徑為800 nm~Ι.Ομπι，長度為200~400 μ m ； 步驟S2:將傳輸定位光纖懸置于載物臺上，并吸取含有微納顆粒的懸浮液滴到載物臺上，懸浮液完全浸沒微納光纖及兩端的光纖錐； 步驟S3:傳輸定位光纖兩端分別連接激光光源，一端的激光光功率固定，另一端的激光光功率可調(diào)，通過調(diào)節(jié)另一端激光的光功率實(shí)現(xiàn)微納顆粒的雙向傳輸和可控性定位；兩端激光的波段相同，且該波段的激光對液體環(huán)境及生物體不吸收或弱吸收； 當(dāng)兩端的光功率不相同時(shí)，微納顆粒朝功率低的一側(cè)傳輸； 當(dāng)兩端的功率相同時(shí)，實(shí)現(xiàn)微納顆粒的定位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微納顆粒雙向傳輸和可控性定位的光學(xué)方法，其特征在于，所述傳輸定位光纖的制備過程為:剝?nèi)?biāo)準(zhǔn)單模光纖一段的涂覆層，對剝?nèi)ネ扛矊雍蟮墓饫w加熱至熔融，將熔融部分以3飛mm/s的速度拉制成包括線徑為800nm-1.0 μ m,長度為200~400 μ m的微納光纖及兩端的光纖錐。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微納顆粒雙向傳輸和可控性定位的光學(xué)方法，其特征在于，通過光纖調(diào)節(jié)架拉制熔融部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微納顆粒雙向傳輸和可控性定位的光學(xué)方法，其特征在于，所述微納光纖的表面是光滑的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微納顆粒雙向傳輸和可控性定位的光學(xué)方法，其特征在于，所述微顆粒懸浮液的制備是按照1:1000的體積比將顆粒粉末用去離子水稀釋后，再利用超聲機(jī)超聲的方法。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微納顆粒雙向傳輸和可控性定位的光學(xué)方法，其特征在于，所述載物臺為載玻片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微納顆粒雙向傳輸和可控性定位的光學(xué)方法，其特征在于，所述激光的波長為980 nm ;光功率為O~20 mW。
【文檔編號】C03B37/02GK103983808SQ201410255591
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年6月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月10日
【發(fā)明者】李寶軍, 雷宏香 申請人:中山大學(xué)