基於中空融嵌芯毛細管光纖的微小粒子運送裝置及方法

2023-12-03 22:45:36

專利名稱：基於中空融嵌芯毛細管光纖的微小粒子運送裝置及方法
技術領域：
本發明屬於光學技術領域，本發明涉及一種基於中空融嵌芯毛細管光纖的微小粒 子運送裝置。本發明也涉及一種基於中空融嵌芯毛細管光纖的微小粒子運送方法。
背景技術：
隨著平面光子結構在微流器件中應用，相比於自由空間系統，基於倏逝場光學捕 獲與傳輸的光學系統體現出更大的優越性。因為基於倏逝場光學捕獲與傳輸的光學系統的 操縱區域不會受到雷射光斑尺寸的限制，所以這種光學系統可應用於長距離驅動，而且僅 受限於系統的散射和吸收損耗。此外，隨著光刻刻蝕技術應用於平面光學器件的製造中，可 以同時在平面光學器件中形成大面積捕獲區域，從而增加了器件的集成度，減少了成本，使 器件朝著高密度低成本的方向發展。我們還可以利用高折射率材料控制光場能量的分布區 域的空間尺寸，使之遠小於自由空間光的波長，從而來實現納米微粒的捕獲與輸運。自 1992 年 S. Kawata 和 T. Sugiura (Opt. Lett. 17，772-774，1992)第一次證明了可 以用稜鏡產生的倏逝場對微粒進行操縱後，基於倏逝場的微粒操作得到了逐步的發展。人們利用光波導產生的倏逝波對多種微粒的操作進行了研究。Grujic等(Opt. Commun. 239，227-235，2004)對沿著銫離子交換法製作的波導運動的微粒進行了研究，使 小生物分子吸附在乳膠球上進而可以被光場操縱，並且用同樣的方法製作了 Y形分支結構 的波導，通過改變在多模主幹波導的光場分布來觀測分支結構對微粒的篩選效率(Optics Express. 13,1-7, 2005)ο Gaugiran 等(Opt. Express, vol. 13, pp. 6956 6963, Sep. 2005)用 氮化矽波導使2 μ m的玻璃球在20mW的輸出功率下產生了 15 μ m/s的推進速度，相比於銫 離子交換製作的波導，它的推進效率提高了 20倍。同時，他們對紅細胞和酵母細胞進行了 操縱，這是首次把這項技術應用於生物細胞的操作上，並成功的使紅細胞和酵母細胞的推 進速度達到1 μ m/s。此外，Yang等(Nature. Letters, Vol. 457，pp. 71-75，January. 2009)採用狹縫波 導對微小粒子的光操縱進行了研究。這種狹縫波導把電磁能量縮減到60nm的尺寸內，以此 來克服光的衍射問題。並用這種方法捕獲和傳輸了 75nm的電介質納米球和λ-DNA分子。 相比於傳統的點捕獲，這種方法可以看為是線捕獲，因此可以對延展的生物大分子進行直 接的操作。而 Sheu 等(OPTICS EXPRESS, Vol. 18，No. 6，pp. 5574-5579，2010)通過光纖錐 體產生的倏逝場對微粒進行操縱。他們把一根標準的125 μ m直徑的單模傳輸光纖拉成腰 直徑為50 μ m的錐形光纖，當通入960m雷射後，可以使10 μ m的微球產生6. 25 μ m/s的推 進速率。儘管上述的各種微小粒子的捕獲和輸運的方式具有一定的優點，但仍然存在一些 不足。例如，波導對微小粒子輸運的方式單一，操作不夠靈活等等。

發明內容
本發明的目的在於可以用於多種微小粒子運送，操作靈活的基於中空融嵌芯毛細管光纖的微小粒子運送裝置。本發明的目的還在於提供一種基於中空融嵌芯毛細管光纖的 微小粒子運送方法。本發明的目的是這樣實現的本發明的基於中空融嵌芯毛細管光纖的微小粒子運送裝置包括一段中空融嵌芯 毛細管光纖，所述中空融嵌芯毛細管光纖是可以使纖芯中的傳輸光以倏逝場的形式透射出 包層進入毛細管內的中空融嵌芯毛細管光纖，在中空融嵌芯毛細管光纖的中部一側開有一 個小孔，並且所述小孔與一個氣壓調整裝置相連接，在中空融嵌芯毛細管光纖一端焊接有 一段標準實心光纖，標準實心光纖與中空融嵌芯毛細管光纖通過焊接處拉制而成的錐體過 渡區連成一體。本發明的基於中空融嵌芯毛細管光纖的微小粒子運送裝置還可以包括1、所述的中空融嵌芯毛細管光纖纖芯中心距毛細管內壁的距離d滿足以下關係 (dtube+dcore)/2 ( d ( (dclad_dcore)/2，dtube 為毛細管內腔直徑，dclad 為包層直徑，dcore 為纖芯 直徑。2、所述的中空融嵌芯毛細管光纖纖芯為單芯或多芯，多芯數目大於或等於2。3、所述的中空融嵌芯毛細管光纖橫截面纖芯的形狀是圓形、橢圓形、拱形、矩形 或其他多邊形的一種。4、所述的中空融嵌芯毛細管光纖纖芯中的傳輸模式的特徵是單模或多模。5、所述的多芯中空融嵌芯毛細管光纖的纖芯幾何分布特徵是圓形分布、三角形 分布、四邊形分布或其它多邊形分布的一種。本發明的基於中空融嵌芯毛細管光纖的微小粒子運送方法為在中空融嵌芯毛細 管光纖中，利用毛細管內的微負壓的吸附作用存儲一定量的微小粒子，向中空融嵌芯毛細 管光纖纖芯通入光後，纖芯中的傳輸光以倏逝場的形式透射出包層進入毛細管內腔內，這 部分透射出的倏逝場作用於先前存儲的微小粒子，產生光學力，所述光學力的矢量從光功 率最小值指向光功率最大值、並且分解為指向光纖纖芯中心的梯度力和沿著光傳播方向的 光輻射壓力，這兩個力就是微小粒子受到的捕獲力和推進力，微小粒子在這兩個力的作用 下，沿著緊靠纖芯一側的毛細管內壁運動，實現中空融嵌芯毛細管光纖對微小粒子的運送。 改變輸入光的光強和通光時間，可以改變作用於微小粒子的倏逝場的強度和存在時間，從而 實現對運送微小粒子的數量的控制；由於微粒的大小不一樣對應的運送速率也不同，因此， 運送不同微粒時，存在先後順序，可以通過毛細管的微正壓在不同時間輸出不同的微粒。本發明的中空融嵌芯毛細管光纖中，毛細管為微小粒子提供了一個存儲場所，一 方面可以通過毛細管內的微負壓吸附作用存取微小粒子，另一方面可以通過微正壓把運送 的微小粒子從毛細管中輸出。可以用於生物分子、生物細胞、納米糰簇、膠體顆粒、介質顆粒 等微小顆粒的篩選、轉移、運送、檢測等等。與現有技術相比，本發明的優點為1、可用毛細管存儲和輸出微小粒子，在不同時間可以控制微小粒子的輸出類型。2、調節通光時間或輸入光強，可控制微小粒子的運送數量。3、整個裝置結構微小，可以對裝置進行任意角度的旋轉或長距離平移，操作性強。


圖1是單芯中空融嵌芯毛細管光纖的微小粒子運送裝置示意圖2是單芯中空融嵌芯毛細管光纖的微小粒子運送裝置的橫截面示意圖；圖3是三芯結構的中空融嵌芯毛細管光纖的微小粒子運送裝置示意圖；圖4是三芯結構的中空融嵌芯毛細管光纖的微小粒子運送裝置的橫截面示意圖；圖5 (a)纖芯分布為圓形的中空融嵌芯毛細管光纖，圖5(b)纖芯分布為任意多邊 形的中空融嵌芯毛細管光纖；圖6是光源尾纖與單芯中空融嵌芯毛細管光纖的焊接示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述結合圖1-圖2，本發明第一種實施方式具有單芯中空融嵌芯毛細管光纖(包含光 纖纖芯1、包層2、中空毛細管3和直通中空毛細管的小孔4)，因為中空融嵌芯毛細管光纖的 特殊結構，纖芯中的傳輸光5以倏逝波的形式透射出包層並作用在微小粒子6上，這部分透 射進入毛細管內的倏逝場7對微小粒子6產生捕獲力8和輻射壓力9，使之沿著緊靠纖芯一 側的毛細管內壁運動，實現了單芯中空融嵌芯毛細管光纖對微小粒子的運送。結合圖3-圖4，本發明第二種實施方式具有三芯結構的中空融嵌芯毛細管光纖。 這種實施方式的每個纖芯都可以形成一個獨立的微小粒子運送器，因此，如果在每個纖芯 中的傳輸光功率相同的情況下，這種實施方式相當於同時用三個單芯的中空融嵌芯毛細管 光纖進行微小粒子運送。第二種實施方式可以擴展到纖芯幾何分布為圓形分布、三角形分布、四邊形分布 或其它多邊形分布的中空融嵌芯毛細管光纖，如圖5。纖芯的大小和纖芯離毛細管內壁的距 離的差異，直接影響了透射進入毛細管內腔內的倏逝場，因此，中空融嵌芯毛細管光纖不同 的纖芯分布，其微小粒子的運送情況也不相同，可形成不同功能的微小粒子運送器。實施例1 1、耦合連接取一段單芯中空融嵌芯毛細管光纖，將一端的光纖塗覆層祛除、切 割，然後與帶光源尾纖的單模光纖10對準、焊接；在圖6所示的焊點11處進行加熱至軟化 狀態，然後進行拉錐，並進行光功率監測，直到耦合到單芯中空融嵌芯毛細管光纖的光功率 達到最大為止；2、封裝保護將內徑大於標準光纖或單芯中空融嵌芯毛細管單芯光纖的石英管調 至圖1所示的錐體耦合區12處，然後在石英管兩端用(X)2雷射器加熱焊接密封，或者用環 氧樹脂封裝固化，然後進行二次塗覆完成整體保護；3、小孔加工在單芯中空融嵌芯毛細管光纖的中部，採用波長為157nm的深紫外 雷射器或飛秒雷射器在毛細管側壁加工一個小孔4，小孔4與一個微壓力調製裝置相連接。 這就完成了如圖1所示的單芯中空融嵌芯毛細管光纖的微小粒子運送裝置。4、微粒運送如圖1所示，通入雷射13，毛細管內儲存的微小粒子6會被運送。實施例2 第一種實施方式中單芯中空融嵌芯光纖也可以用纖芯幾何分布為圓形分布、三角 形分布、四邊形分布或其它多邊形分布的中空融嵌芯毛細管光纖替代，如圖3、圖4和圖5。
權利要求
1.一種基於中空融嵌芯毛細管光纖的微小粒子運送裝置，其特徵是包括一段中空融 嵌芯毛細管光纖，所述中空融嵌芯毛細管光纖是可以使纖芯中的傳輸光以倏逝場的形式透 射出包層進入毛細管內的中空融嵌芯毛細管光纖，在中空融嵌芯毛細管光纖的中部一側開 有一個小孔，並且所述小孔與一個氣壓調整裝置相連接，在中空融嵌芯毛細管光纖一端焊 接有一段標準實心光纖，標準實心光纖與中空融嵌芯毛細管光纖通過焊接處拉制而成的錐 體過渡區連成一體。
2.根據權利要求1所述的基於中空融嵌芯毛細管光纖的微小粒子運送裝置，其特徵 是所述的中空融嵌芯毛細管光纖纖芯中心距毛細管內壁的距離d滿足以下關係(dtube+d。 ore)/2彡d彡(dclad-dcore)/2, dtube為毛細管內腔直徑，dclad為包層直徑，dcore為纖芯直徑。
3.根據權利要求2所述的基於中空融嵌芯毛細管光纖的微小粒子運送裝置，其特徵 是所述的中空融嵌芯毛細管光纖纖芯為單芯或多芯，多芯數目大於或等於2。
4.根據權利要求3所述的基於中空融嵌芯毛細管光纖的微小粒子運送裝置，其特徵 是所述的中空融嵌芯毛細管光纖橫截面纖芯的形狀是圓形、橢圓形、拱形、矩形或其他多 邊形的一種。
5.根據權利要求4所述的基於中空融嵌芯毛細管光纖的微小粒子運送裝置，其特徵 是所述的中空融嵌芯毛細管光纖纖芯中的傳輸模式是單模或多模。
6.根據權利要求1所述的基於中空融嵌芯毛細管光纖的微小粒子運送裝置，其特徵 是所述的多芯中空融嵌芯毛細管光纖的纖芯幾何分布是圓形分布、三角形分布、四邊形分 布或其它多邊形分布的一種。
7.一種基於中空融嵌芯毛細管光纖的微小粒子運送方法，其特徵是在中空融嵌芯毛 細管光纖中，利用毛細管內的微負壓的吸附作用存儲一定量的微小粒子，向中空融嵌芯毛 細管光纖纖芯通入光後，纖芯中的傳輸光以倏逝場的形式透射出包層進入毛細管內腔內， 這部分透射出的倏逝場作用於先前存儲的微小粒子，產生光學力，所述光學力的矢量從光 功率最小值指向光功率最大值、並且分解為指向光纖纖芯中心的梯度力和沿著光傳播方向 的光輻射壓力，這兩個力就是微小粒子受到的捕獲力和推進力，微小粒子在這兩個力的作 用下，沿著緊靠纖芯一側的毛細管內壁運動，實現中空融嵌芯毛細管光纖對微小粒子的運 送。
8.根據權利要求7所述的基於中空融嵌芯毛細管光纖的微小粒子運送方法，其特徵 是通過改變輸入光的光強和通光時間，改變作用於微小粒子的倏逝場的強度和存在時間， 控制運送微小粒子的數量。
全文摘要
本發明提供的是一種基於中空融嵌芯毛細管光纖的微小粒子運送裝置及方法。包括一段中空融嵌芯毛細管光纖，所述中空融嵌芯毛細管光纖是可以使纖芯中的傳輸光以倏逝場的形式透射出包層進入毛細管內的中空融嵌芯毛細管光纖，在中空融嵌芯毛細管光纖的中部一側開有一個小孔，並且所述小孔與一個氣壓調整裝置相連接，在中空融嵌芯毛細管光纖一端焊接有一段標準實心光纖，標準實心光纖與中空融嵌芯毛細管光纖通過焊接處拉制而成的錐體過渡區連成一體。本發明可以用於生物分子、生物細胞、納米糰簇、膠體顆粒、介質顆粒等微小顆粒的篩選、轉移、運送、檢測等等。
文檔編號G02B6/26GK102147502SQ201110047640
公開日2011年8月10日 申請日期2011年2月28日 優先權日2011年2月28日
發明者戴強, 田鳳軍, 苑立波, 鄧洪昌 申請人:哈爾濱工程大學