基于多光纤光镊的纳米粒子输送器制造技术

本发明专利技术提供的是基于多光纤光镊的纳米粒子输送器。其特征是：它由单芯光纤、处在同一平面内的多根单芯光纤、微球透镜以及微纳颗粒组成。本发明专利技术基于多根单芯光纤产生的自由传输光束实现对微球透镜捕获的同时，通过改变通入的光功率实现了其在捕获位置附近横向可控移动。又利用垂直于平面的光纤中通入的光束经过微球透镜后形成的强汇聚光束实现对微纳颗粒的三维捕获，由于特制微粒在特定光波段产生的Fano共振和表面等离子体共振现象，使得微纳颗粒主要表现出金属特性而被弹射出去，最终通过改变捕获微球透镜所用光纤中的光功率以及捕获微纳颗粒所用光纤中的光波波长就可以实现对微纳颗粒的精准捕获与弹射。装置主要用于对微纳颗粒的推进输运。

【技术实现步骤摘要】
基于多光纤光镊的纳米粒子输送器(一)
本专利技术涉及的是基于多光纤光镊的纳米粒子输送器，主要用于生物分子、生物细胞、药物颗粒、纳米团簇、胶体颗粒、介质颗粒等微纳颗粒的光操纵及推进输运，属于光纤
(二)
技术介绍
光镊作为一种研究微观世界科学现象的工具，由美国贝尔实验室的Ashkin及其同事于1986年首次提出[OpticsLetters,18(5):288-290,1986]。光镊技术使用激光束来实现对尺度在微米、纳米量级的微粒进行非机械接触式的捕获和操作，对微粒不会产生机械损伤，因而几乎不影响粒子的周围生物环境。加之生物微粒本身对光具有良好的穿透性，使得光镊技术特别适用于生物微粒的活体或在体操作。同时，光镊还可以通过标定后用于测量微观粒子系统产生的微小力或位移。对光镊技术进行分析与研究，可将其应用于微流控制，胶体、流体力学和非平衡热动力学等研究领域。对光镊技术进行分析与研究，更重要的是，可以发展生物分子操作的工具，有利于促进生物化学、生物物理学领域等需要单独操纵或研究单一分子的研究领域的大力发展。光纤光镊克服了传统光镊的缺点，并以其结构简单、价格便宜、传输光路柔性强及捕获范围大等优点越来越受到了人们的广泛重视。光纤光镊系统是利用经处理的光纤端面出射的激光束来实现对粒子的微操控。与基于显微镜的光镊系统相比，光纤形成的光阱操纵灵活，被捕获的生物样品可以自由移动。微操纵系统简单适用，光纤可以深入到样品池中形成光阱，大大提高了光阱捕获范围。2003年加拿大的R.S.Taylor等人(美国专利，Methodandeviceformanipulatingmicroscopicquantitiesofmateraial，US6,941,033B2，2005)利用腐蚀和镀膜的方法，制作了一种金属化中空光纤探针，巧妙地利用针尖的静电引力与光散射力达到平衡，捕获和操纵了浸没在水中的玻璃微粒，实现了粒子的三维捕获。这种结构的光纤光镊，加工过程中需要进行多次腐蚀，步骤复杂，加工时间长，成品率低；加工过程需要使用氢氟酸等有毒物质，对加工环境要求高。有研究者提出系列报道[中国专利CN102147500A，CN101950049A，CN101907742A，CN101893736A，CN101881858A]，提出基于多芯光纤的单光镊技术，这些单光纤光镊技术虽然能够解决单光纤光镊在捕获粒子的基础上更进一步操作粒子的功能，但是始终没有解决微粒横向位移可调的单光纤光镊。此后，又陆续出现苑立波等人提出的基于环形多芯光纤的光镊，公开号为CN101236275；和集成于单根光纤的多光镊，公开号为CN101251620等新型光镊，这些新型光镊多能实现对微粒进行捕获、空间定位、使其空间旋转等功能，它们都面临着如何控制多光束光阱力的问题，在分析单根多芯光纤汇聚在纤端光场时较为复杂，因此对微粒的操控精度大大下降，由于多芯光纤复杂的纤芯结构，使光源注入与多个纤芯之间的光功率分配控制十分困难。在微粒输运的相关专利研究中，目前的相关报道[中国专利CN101950049B,CN101907742B,CN101893736B,CN101881858B]，提出的实现微粒输送的方法虽然实际可行，但是对微粒的操控精度不够高，很多装置实际操作起来很难达到纳米级别，而且对微粒的捕获不够灵活准确，可调节性不够。此外，报道中提出的多芯光纤或者环形芯拉制成本较高，不易购买。因此采用多根单芯光纤更利于多光纤光镊技术的推广。基于此，本专利提出了一种基于多光纤光镊的纳米粒子输送器，把多芯光纤中周围纤芯解放出来，都换做单芯光纤，形成多根单芯光纤形成的多光纤光镊系统，通过改变通入同一平面内的单芯光纤的通光功率，在捕获粒子的同时还能实现其在捕获位置附近横向可控移动。不仅简化了对汇聚光场的分析过程，而且捕获的透镜实现了对垂直于此平面光纤中光束的强汇聚，大大提高了操控精度。最终利用“光手”功能对微球透镜位置在二维平面内的精准操控，实现对后方微纳颗粒的捕获以及定向推进输送。(三)
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种利用多根单芯光纤组成的多光纤光镊实现对多微纳颗粒的操控，并实现对微纳颗粒定向推进输送的输送器。本专利技术的目的是这样实现的：该基于多光纤光镊的纳米粒子输送器是由单芯光纤、处在同一平面内的多根单芯光纤、微球透镜以及微纳颗粒组成。所述器件中功率变化的捕获光波3输入到处于同一平面内的多根单芯光纤的纤芯中，然后在多根单芯光纤的纤端输出多个自由传输光束，并稳定地三维捕获住微球透镜。当注入的光功率大小相等时，根据光纤光镊的基本原理，微球透镜会被俘获在光纤连线的中心。反之，通过外部控制处于同一平面的每根单芯光纤传输捕获光波的功率时，从而对多个自由传输光束的干涉光场分布实施调控，实现对微球透镜的捕获点的空间位置的调节，最终实现微球透镜在平面内的二维扫描移动。而当向中央纤芯101中注入光波7后，该光波会从光纤端面出射并被微球透镜汇聚形成强聚焦光束，该光束能够精准地俘获微纳颗粒。当向中央纤芯通入光波8时，从光纤端面出射的光波同样会被微球透镜汇聚形成强聚焦光束，若该光波会引起微纳颗粒发生Fano共振或表面等离子体共振，则微纳颗粒会在光波8强辐射压力的作用下脱离光波7的束缚并弹射出去。通过微球透镜的二维移动可实现对强聚焦光束的传输路径的改变，这样微纳颗粒就会沿着传输路径被定向弹射到设定区域中。通过对光波3、7和8的控制就可实现对微纳颗粒捕获点和弹射输运路径的调节与控制。下面将详细阐述基于多光纤光镊的粒子光操纵器件的微粒定向推进输运的原理。利用输入输出模块以及光功率控制模块对捕获微球透镜的光纤进行通光，利用输入输出模块对光功率控制模块的控制，实现对各个光纤光功率大小的控制，当纤芯处于同一光功率时，各个光纤纤端发出的光束汇聚在光纤连线的交点上，产生第一个光阱位置。微球透镜在光阱力的作用下被俘获在焦点处。当通入各个光纤纤芯的光功率不一致时，在纤端汇聚时焦点会发生对应的移动，微球透镜又再一次的被拉回束缚在焦点处，通过主观的控制通入各个纤芯中光功率的大小，就可以实现微球透镜在二维平面内的光俘获与操纵。通过几何光学的学习，我们了解到当给球透镜通光时，透镜会对光束进行两次折射然后汇聚在焦点处，当对透镜进行垂直光束方向进行移动时，光束汇聚的焦点会对应发生改变。对于我们设计的器件来说，垂直于平面的光纤的光束通过可操控的微球透镜之后，由于尺寸在微米级别的微球透镜对光束的两次折射，会形成强汇聚焦点，即产生第二个光阱位置。汇聚光场足以控制纳米级别的粒子，当我们对透镜进行可操控的移动之后，强聚焦点位置捕获的纳米粒子也可以实现精准的俘获与操控。采用特殊结构的微纳颗粒，例如纯的介质材料、生物材料或其他透明材料中的一种。可选的，材质也可以是透明材料和非透明材料混合或层叠材料。该种结构的粒子处于光波长变化的光场中时，会具有Fano共振和表面等离子体共振的现象。法诺共振(Fanoresonance)是一种会产生非对称线形的散射共振现象。背景和共振散射之间的干涉产生一种本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于多光纤光镊的纳米粒子输送器。其特征是：它由单芯光纤1、处在同一平面内的多根单芯光纤2、微球透镜5以及微纳颗粒10组成。单芯光纤1由中央纤芯101、包层102组成，多根单芯光纤2由纤芯201、包层202组成。所述器件中功率变化的捕获光波3输入到处于同一平面内的多根单芯光纤2的纤芯201中，然后在多根单芯光纤2的纤端输出多个自由传输光束4，并稳定地三维捕获住微球透镜5。当注入的光功率大小相等时，根据光纤光镊的基本原理，微球透镜5会被俘获在光纤连线的中心。反之，通过外部控制处于同一平面的每根单芯光纤传输捕获光波3的功率时，从而对多个自由传输光束4的干涉光场分布实施调控，实现对微球透镜5的捕获点的空间位置的调节，最终实现微球透镜5在平面内的二维扫描移动6。而当向中央纤芯101中注入光波7后，该光波会从光纤端面出射并被微球透镜5汇聚形成强聚焦光束9，该光束能够精准地俘获微纳颗粒10。当向中央纤芯通入光波8时，从光纤端面出射的光波同样会被微球透镜5汇聚形成强聚焦光束9，若该光波会引起微纳颗粒10发生Fano共振或表面等离子体共振，则微纳颗粒10会在光波8强辐射压力的作用下脱离光波7的束缚并弹射出去。通过微球透镜5的二维移动6可实现对强聚焦光束9的传输路径11的改变，这样微纳颗粒10就会沿着传输路径11被定向弹射到设定区域12中。通过对光波3、7和8的控制就可实现对微纳颗粒10捕获点和弹射输运路径的调节与控制。/n...

【技术特征摘要】
1.基于多光纤光镊的纳米粒子输送器。其特征是：它由单芯光纤1、处在同一平面内的多根单芯光纤2、微球透镜5以及微纳颗粒10组成。单芯光纤1由中央纤芯101、包层102组成，多根单芯光纤2由纤芯201、包层202组成。所述器件中功率变化的捕获光波3输入到处于同一平面内的多根单芯光纤2的纤芯201中，然后在多根单芯光纤2的纤端输出多个自由传输光束4，并稳定地三维捕获住微球透镜5。当注入的光功率大小相等时，根据光纤光镊的基本原理，微球透镜5会被俘获在光纤连线的中心。反之，通过外部控制处于同一平面的每根单芯光纤传输捕获光波3的功率时，从而对多个自由传输光束4的干涉光场分布实施调控，实现对微球透镜5的捕获点的空间位置的调节，最终实现微球透镜5在平面内的二维扫描移动6。而当向中央纤芯101中注入光波7后，该光波会从光纤端面出射并被微球透镜5汇聚形成强聚焦光束9，该光束能够精准地俘获微纳颗粒10。当向中央纤芯通入光波8时，从光纤端面出射的光波同样会被微球透镜5汇聚形成强聚焦光束9，若该光波会引起微纳颗粒10发生Fano共振或表面等离子体共振，则微纳颗粒10会在光波8强辐射压力的作用下脱离光波7的束缚并弹射出去。通过微球透镜5的二维移动6可实现对强聚焦光束9的传输路径11的改变，这样微纳颗粒10就会沿着传输路径11被定向弹射到设定区域12中。通过对光波3、7和8的控制就可实现对微纳颗粒10捕获点和弹射输运路径的调节与控制。


2.根据权利要求1所述的基于多光纤光镊的纳米粒子输送器。圆锥台纤端的目的是更好的靠近捕获的微粒并进行捕获，其圆锥台纤端制备方法如下：第一种方法：用光纤夹具固定住单芯光纤，然后把纤端放置于研磨盘上，光纤夹具与光纤研磨盘都能绕各自的中轴自转，通过控制光纤与研磨盘盘面法线的夹角来制备具有不同张开角的圆锥台纤端。第二种方法：把光纤放置于光纤拉锥机上，拉制成合适的锥长并在拉锥区域合适位置切割，形成具有弧形锥面的圆锥台纤端。为了更好的捕获微粒...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓洪昌，王瑞，苑立波，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西;45