本发明专利技术涉及一种通过组合液芯波导内形成的专用光强图案并且稀释该波导的流体介质内流动的粒子（例如，细胞、血液、纳米粒子等）悬浮液从而对该波导内流动的流体介质中的粒子进行分选的装置。通过使用这种可控制限定于波导内的光所引入的光学力的专用光强图案以及控制液流（或多通道液流）所引入的流体动力，便可以实现粒子的分选。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种通过组合液芯波导内形成的专用光强图案并且稀释该波 导的流体介质内流动的粒子(例如，细胞、血液、纳米粒子等)悬浮液从而对 该波导内所流动的流体介质中的粒子进行分选的装置。通过使用这种可控制限 定于波导内的光所引入的光学力的专用光强图案以及控制液流(或多通道液 流)所引入的流体动力，便可以实现粒子的分选。
技术介绍
液芯光波导(也称为光导)已作为诊断用光检测器用于在液芯中的液态样 品中耦合荧光生成的光。尽管已通过空间光调制器(SLM)将本征模式成功入射到多模光纤中(参 照F. Dubois、 Ph. Emplit和0. Hugon， Optics Letters, Vol. 19 No. 7， 1994年4月1日)，但是所用光纤具有固态芯，所以只能用作光的导管。此外，尽管具有固态芯的光纤已与衍射光学元件一起使用以便按特定的本征模式进行入射，但是其目的仅仅只是研究其传播特征。然而，在上述实验中，未曾表明液芯波导有可能用于分选粒子/细胞。附图说明图1示出了根据本专利技术一实施方式用于分选粒子的液芯波导装置的示意图。图2示出了根据本专利技术用于分选粒子的液芯波导装置中所用的环形本征模式的另一实施方式的透视示意图。图3A示出了根据本专利技术使用空间光调制器将多个本征模式或时变本征模 式序列引入用于分选粒子的液芯波导装置中的另一实施方式的透视示意图。图3B示出了沿图3A的液芯波导的线B的横截面。 图3C示出了沿图3A的液芯波导的线C的横截面。图4A示出了根据本专利技术用于分选粒子的液芯波导装置的另一实施方式的 透视示意图，其中流体输入所控制的流体动力以及重力与该波导内的光学力组 合起来以选择性地将期望的粒子引入用于分选的出口收集区域。图4B示出了图4A的备选实施方式，其中电场或磁场可以与波导内的光学 力组合起来使用以帮助将粒子分选成不同的输出通道。图5示出了根据本专利技术用于分选粒子/细胞的装置的另一实施方式的示意 图，其中该装置被集成到离心机中。图6A示出了根据本专利技术另一实施方式入射贝赛耳光束本征模式的液芯波 导的示意图。图6B示出了与图6A的实施方式一起使用的旋转三棱镜的示意图。图6C示出了与图6A的实施方式一起使用的环形孔径的示意图。图6D示出了与图6A的实施方式一起使用的环形孔径的示意图。图7示出了现有技术的贝赛耳光束相互作用的示意图。图8示出了根据本专利技术用于分选粒子/细胞的装置中所用的波导的另一实施方式的示意图，其中示出了重复的贝赛耳光束。图9A示出了根据本专利技术用于分选粒子/细胞的装置的液芯波导的另一实施方式的示意图，其中包括位于侧面且被包括在流动芯片(flow chip)上的纳米多孔开口。图9B示出了图9A的备选实施方式的示意图，其中包括纳米多孔侧面被包 括在相似的流动芯片上的谐振腔。图10示出了根据本专利技术用于分选粒子/细胞的装置的液芯波导的另一实施 方式的示意图，其中示出了作为输入和输出界面的纳米多孔膜。图11示出了根据本专利技术用于分选粒子/细胞的装置的液芯波导的另一实施 方式的示意图，其中示出了具有子波长流体输入和输出的正方形而非圆柱形波导结构。图12A示出了根据本专利技术用于分选粒子/细胞的装置的液芯波导的另一实 施方式的示意图，其中仅示出了通过子波长开口 (纳米通道)被引入液芯波导 中的一部分流体。图12B示出了根据本专利技术用于分选粒子/细胞的装置的液芯波导的另一实施方式的示意图，其中示出了纳米多孔膜而非纳米通道。
技术实现思路
本专利技术涉及一种通过组合液芯波导内形成的专用光强图案并且稀释该波 导的流体介质内流动的粒子(例如，细胞、血液、纳米粒子等)悬浮液从而对 该波导内流动的流体介质中的粒子进行分选的装置。通过使用这种可控制限定 于波导内的光所引入的光学力的专用光强图案以及控制液流(或多通道液流) 所引入的流体动力，便可以实现粒子的分选。在本专利技术中，应该注意的是，光场中的光子携带着动量，这可以通过折射 率失配而被转移到表面。因此，采用高数值孔径显微镜物镜将其紧密聚焦的光 线就可以俘获微观粒子/细胞(其折射率大于周围介质)。该聚焦光斑起着光学 陷阱的作用。在光学陷阱中，有两类力作用于粒子上。散射力顺着光束推动粒 子(光子动量转移到粒子)，梯度力是光强在粒子上的梯度的函数并且使粒子 被吸引到净梯度力为零的陷阱中心。高数值孔径物镜允许施加高梯度力，从而 抵消因散射力顺着光束推动粒子而不俘获它们的竞争趋势。粒子上的俘获力取 决于光强分布、偏振、波长、粒子的折射率、粒子周围液态介质的折射率、粒 子的形状。由此，具有不同折射率和/或形状的粒子将感觉到不同量的光学力。本专利技术利用这一原理基于施于不同粒子上的不同光学力来分选不同粒子。 例如，在存在流体流动的情况下，光学俘获的粒子将感觉到额外的流体动力阻力；当多种类别的粒子被俘获在同一光学陷阱中时，该阻力可能足以使一类粒 子移开而其它类粒子不动。在上述光学俘获几何结构中，朝着焦点会聚并形成光学陷阱的光接下来发 散，并且不再用于形成另一个俘获图案。本专利技术包括能够通过延长结构对粒子 施加光学力的器件，该延长结构被设计成沿其长度保持光强图案。这种延长结构或流管将被填充一种具有粒子稀释浓度的液体。使用内反射表面或者使用一 种允许光在流管内进行全内反射(即液芯光波导的定义)的材料使入射到流管 中的光始终限制在流管内。因为流管的横截面尺寸通常比光的波长大得多，所 以该流管支持沿流管长度具有恒定分布的光的多种本征模式或图案(即，流管 具有液芯光波导的作用)。例如，在具有圆柱几何结构的流管中，可以支持由贝赛耳函数定义的多个 本征模式。本专利技术允许将任意光图案(包括任意本征模式)入射到流管(液芯 光波导)中。将本征模式入射到流管中的益处是沿流管长度方向保持着光的横 截面图案，从而允许重新利用该光，使之能够对许多沿流管长度方向的粒子施 加光学力。在本专利技术中，计算机控制的空间光调制器或静态衍射光学元件被用于对激 光光源的波前的不同部分施加相位延迟以便在液芯波导中产生期望的光图案 (即本征模式、贝赛耳光束等)。在根据本专利技术的一个实施方式中，用于分选粒子/细胞的装置包括液芯波 导，来自光源(比如激光器)的光通过耦合光学器件被引导至该液芯波导中。耦合光学器件包括计算机控制的衍射光学元件(DOE)，比如空间光调制器 (SLM)，这种衍射光学元件将"专用的光强图案"引导至液芯波导中。该液芯 波导包括外表部分以及具有内表面的中心中空部分。稀释的粒子/细胞悬浮液是 通过液体输入区域而输入的，并且被输入到该波导的中空部分中。在流过该波 导的整个长度并且经受所产生的专用光强图案之后，流过中空部分的溶液流出 到收集区域，在收集区域处该溶液被分成多个组成部分。涂层可以被设置在中 空部分的内表面上，并且可以由能进行内全反射的反射材料制成使之产生功能 波导，它可以支持"专用光强图案"或被入射到该波导中的多个本征模式。在备选实施方式中，波导的外表部分可以由其折射率比流过中空部分的溶 液要低的材料制成，这将获得相同的结果。本专利技术的另一实施方式包括圆柱形波导中的环形本征模式(即贝赛耳函 数)。如果本征模式是贝赛耳函数，则光输入将是贝赛耳光束。当从储槽输入 带有待分选的粒子/细胞的溶液时，具有更高折射率的粒子将择优地被吸本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种液芯波导，包括： 发射光束的激光器； 流动结构，溶液流过该流动结构，且光束被引入该流动结构； 设置在所述流动结构内表面上的涂层，所述涂层的折射率小于流过所述流动结构的溶液的折射率。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：D穆斯，E坦纳，J普里瓦，O阿卡克里，
申请(专利权)人：阿尔利克斯公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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