一種微顆粒或生物細胞的光學分離方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及微納光子學領域，尤其涉及一種微顆粒或生物細胞的光學分離方法和裝置，其分離方法包括以下步驟：制備用于分離微顆粒或生物細胞的分離光纖；將制備好的分離光纖置于含有待分離的微顆粒或生物細胞的液體中，分離光纖與液體接觸的部分為微納光纖；從分離光纖的任意一端輸入滿足以下條件的激光：水對該波段激光有吸收；微顆粒或生物細胞在該波段激光照射下透明；液體流經微納光纖時，不同尺寸的微顆粒或生物細胞將會被捕獲于下游的不同位置，從而實現空間上的分離。本發明借助的逆向光泳捕獲和分離原理，在低功率下就可以實現對微顆粒或生物細胞的分離功能，具有無損傷、快捷高效等優點。
【專利說明】一種微顆粒或生物細胞的光學分離方法和裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及微納光子學領域，尤其涉及一種微顆粒或生物細胞的光學分離方法和
>J-U ρ?α裝直。
【背景技術】
[0002]混合物中微顆粒或生物細胞的分離是一項非常有意義的工作，在樣品儲備、細胞培養、生物醫學和化學分析、以及進一步形成功能化集成芯片等方面具有巨大的應用前景。目前，微流中分離顆粒較為有效的物理方法通常是采用基于均勻電場的電泳技術、基于不均勻電場的介電泳技術、基于不均勻磁場的磁泳技術，以及基于聲波的聲泳技術。在這些方法中，不同尺寸的顆粒在力的作用下流向不同的通道，從而可以實現空間上的分離。盡管這些方法是有效的，但就所需的核心器件而言，電泳技術需要使用呈一定圖形排列的電極，磁泳技術需要使用永久性磁鐵，而聲泳技術則需要使用壓電陶瓷傳感器，因而，核心裝置通常需要占用較大體積，很難在狹小的空間內(微納尺寸，例如血管和生物毛細管內)進行微小物體的捕獲和分離。除了以上技術外，還有一種分離方法稱為光色譜法。它是一種光學分離技術，利用來自弱聚焦光束的光輻射壓力和流體給予的拖力之間的平衡，從而實現不同尺寸顆粒在不同平衡位置上的分離。這種光輻射壓力的大小只有幾個或數個飛牛或皮牛量級，作用范圍約幾個微米，因此很難在短時間內，對較大范圍內的微顆粒進行有效分離。而通過加大激光光強則存在著破壞、殺傷所操控生物體的潛在危險。
【發明內容】
[0003]針對現有技術的缺點，本發明的主要目的是提供一種結構緊湊、靈活快捷、成本低廉、無損傷的微顆粒或生物細胞的光學分離方法。
[0004]本發明的又一目的是提出一種微顆粒或生物細胞的光學分離裝置。
[0005]為實現上述目的，本發明的技術方案為:
[0006]一種微顆粒或生物細胞的光學分離方法，其包括以下步驟:
[0007]S1:制備用于分離微顆粒或生物細胞的分離光纖，所述分離光纖包括有無涂覆層的微納光纖，所述微納光纖的線徑為800nm~6 μ m、長度為200~400 μ m ；
[0008]S2:將制備好的分離光纖置于含有待分離的微顆粒或生物細胞的液體中，分離光纖與液體接觸的部分為微納光纖；
[0009]S3:從分離光纖的任意一端輸入激光，液體流經微納光纖時，不同尺寸的微顆粒或生物細胞被捕獲于下游的不同位置，從而實現微顆粒或生物細胞在空間上的分離；
[0010]上述激光的波段滿足以下條件:水對該波段激光有吸收；所需分離的微顆粒或生物細胞在該波段激光照射下透明。
[0011]從光纖一端輸入激光，將不同尺寸混合微顆粒懸浮液流經微納光纖時，借助于逆向光泳力和流體拖力之間的平衡，不同尺寸的微顆粒將會被捕獲于下游的不同位置，從而實現空間上的分離。為了使得微顆粒發生逆向光泳，其中輸入的激光的波段必須是對水有一定的吸收且對所要分離的微顆粒透明。
[0012]其中光泳現象是指:當懸浮于液體環境中的微小物體受到一束光照射時，物體表面和內部不均勻分布的電磁能量通過物體本身及周圍液體的吸收轉化成物體表面的不均勻熱分布，從而引起顆粒向著遠離光源(正向光泳)或者接近光源(逆向光泳)的方向運動。在相同的入射光強度下，光泳力的大小通常要比光場梯度力大3至4個數量級，因此可以用來捕獲和操控大量微顆粒或生物體群體。
[0013]在一種優選的方案中，在步驟SI中，所述分離光纖的制備過程為:剝去標準單模光纖一段的涂覆層，對剝去涂覆層后的光纖加熱至熔融，將熔融部分以2-5mm/s的速度拉制成線徑為800nm?6 μ m、長度為200?400 μ m的無涂覆層的微納光纖。
[0014]上面采用熔融法拉制微納光纖時，還會產生位于微納光纖兩端的無涂覆層的光纖錐，其中光纖錐尖端線徑與維納光纖的線徑相同。在此處，剝去涂覆層的光纖是標準單模光纖中除兩端的任一段。
[0015]在一種優選的方案中，在步驟S2中，分離光纖放置的方向與液體流向垂直。
[0016]在一種優選的方案中，在步驟S3中，所述液體流動的動力由微流泵提供。
[0017]在一種優選的方案中，在步驟S3中，所述激光采用1.55 μ m波段激光，通光功率小于 160mW。
[0018]在一種優選的方案中，拉制微納光纖的裝置為光纖調節架。
[0019]本發明還提供了一種微顆粒或生物細胞的光學分離裝置，包括固態載體和分離光纖，所述固態載體表面開設有相交的凹槽I和凹槽2,分離光纖放置于凹槽I,分離光纖包括有無涂覆層的微納光纖，所述微納光纖的線徑為800nm?6 μ m、長度為200?400 μ m,微納光纖與凹槽2相交。
[0020]在一種優選的方案中，所述固態載體為石英玻璃。
[0021]在一種優選的方案中，所述放置分離光纖的凹槽I為U型槽，其寬度為120?130 μ m,深度為 90 ?150 μ m。
[0022]在一種優選的方案中，所述凹槽2的寬度為400?600 μ m，深度為90?150 μ m。
[0023]與現有技術相比，本發明具有如下優點:
[0024]1.本發明采用的分離光纖制作簡單、快速，且自由靈活、成本低廉，避免現有技術設備復雜、龐大等問題。
[0025]2.本發明采用的分離光纖可以集成到微納器件上對微納顆粒或生物細胞進行分離，具有結構緊湊、成本低廉等優點；
[0026]3.本發明借助的逆向光泳捕獲和分離原理，在低功率下就可以實現對微顆粒或生物細胞的分離功能，具有無損傷、快捷高效等優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1為試驗裝置和制作流程示意圖。
[0028]圖2為微納光纖的掃描電子顯微鏡(SEM)圖片。
[0029]圖3為混合顆粒懸浮液的光學顯微圖片。(a)5/10ym聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)顆粒；(b) 2.08/5.65 μ m 二氧化硅(SiO2)顆粒；(c) 2.08 μ mSi02顆粒和酵母細胞。
[0030]圖4為借助于微納光纖分離微顆粒的光學顯微圖片。【具體實施方式】
[0031]附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制；
[0032]為了更好說明本實施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小，并不代表實際產品的尺寸；
[0033]對于本領域技術人員來說，附圖中某些公知結構及其說明可能省略是可以理解的。
[0034]下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案做進一步的說明。
[0035]一種微顆粒或生物細胞的光學分離方法，包括以下三個步驟，如圖l(a-c):
[0036]S1:制備用于分離微顆粒或生物細胞的分離光纖，將一根標準單模光纖，在本實施例中，標準單模光纖是CorningSMF-28，芯徑8.2 μ m，包層直徑125 μ m,連接頭類型為FC/PC ;剝去中間中間約20mm的一段的涂覆層后平行放置于酒精燈上方外焰處，靜置30s左右待光纖熔融后借助于兩邊的光纖調節架以2-5mm/s的速度將熔融部分拉制成線徑為800nm?6 μ m,長度約為200?400 μ m的無涂覆層的微納光纖和位于其兩端無涂覆層的光纖錐，其中光纖錐的尖端線徑與微納光纖的線徑相等。
[0037]S2:在石英玻璃上通過激光刻寫技術制備U型槽和微流通道，將制備好的分離光纖水平放置于與微流通道垂直的U型槽中，分離光纖與微流通道相交處為微納光纖。其中，微流通道和放置分離光纖的U型槽也可以采用其它方法制備；放置分離光纖的U型槽尺寸為:寬度125 μ m，深度120 μ m ;微流通道與U型槽垂直，尺寸為:寬度500 μ m，深度120 μ m。
[0038]S3:從分離光纖一端輸入1.55 μ m的激光，使用微流泵將不同尺寸的混合微顆粒懸浮液泵入微流通道中，當混合微顆粒懸浮液流經微納光纖時，借助于逆向光泳力和流體拖力之間的平衡，不同尺寸的微顆粒將會被捕獲于下游的不同位置，從而實現空間上的分離。其中，選擇1.55 μ m為通光波段符合逆向光泳發生的條件，一個是水對該波段激光有吸收，其次是所需分離的微顆粒或生物細胞在該波段激光照射下透明。
[0039]為了說明通過本發明步驟SI所制得的微納光纖的良好性能，掃描電子顯微鏡(SEM)可用于表征它的形貌。舉例說明，圖2展不了一條線徑為1.2μηι的微納光纖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，這對后續的捕獲和分離微顆粒實驗非常關鍵。
[0040]本發明以分離5/10 μ mPMMA 顆粒、2.08/5.65 μ mSi02 顆粒、2.08 μ mSi02 顆粒和酵母細胞為例來說明，其光學顯微圖片詳見圖3所示。
[0041]圖4(a)顯示了 5/10 μ mPMMA顆粒的分離效果圖。在1.2 μ m的微納光纖中注入波長為1.55 μ m,功率為120mW的激光，當5/10 μ mPMMA顆粒懸浮液以8 μ m/s的速度流經微納光纖時，兩種微顆粒被捕獲在距離微納光纖分別為61 μ Hi(Cl1)和105ym(d2)的位置處,從而實現空間上的有效分離。圖4(b)顯示了 2.08/5.65 μ HiSiO2顆粒的分離效果圖。在4.2 μ m的微納光纖中注入波長為1.55 μ m,功率為150mW的激光，當2.08/5.65 μ mSi02顆粒懸浮液以8ym/s的速度流經微納光纖時，兩種微顆粒被捕獲在距離微納光纖分別為IlSym(Cl1)和158ym(d2)的位置處，從而實現了空間上的有效分離。圖4(c)顯示了 2.08ymSi02顆粒和酵母細胞的分離效果圖。在5.8μπι的微納光纖中注入波長為1.55 μ m，功率為160mW的激光，當2.08 μ HiSiO2顆粒和酵母細胞混合懸浮液以8 μ m/s的速度流經微納光纖時，兩種微顆粒被捕獲在距離微納光纖分別為HAym(Cl1)和194ym(d2)的位置處，從而實現了空間上的有效分離。
[0042]本發明能夠實現在微納尺度狹小空間內對大量微顆粒或生物細胞進行空間上的分離，這對微納光子學的進一步發展十分有利。
[0043]相同或相似的標號對應相同或相似的部件；
[0044]附圖中描述位置關系的用語僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制；
[0045]顯然，本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而并非是對本發明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎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施方式予以窮舉。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明權利要求的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種微顆粒或生物細胞的光學分離方法，其特征在于，包括以下步驟: S1:制備用于分離微顆粒或生物細胞的分離光纖，所述分離光纖包括有無涂覆層的微納光纖，所述微納光纖的線徑為800nm?6 μ m、長度200?400 μ m ; S2:將制備好的分離光纖置于含有待分離的微顆粒或生物細胞的液體中，分離光纖與液體接觸的部分為微納光纖； S3:從分離光纖的任意一端輸入激光，液體流經微納光纖時，不同尺寸的微顆粒或生物細胞被捕獲于下游的不同位置，從而實現微顆粒或生物細胞在空間上的分離； 上述激光的波段滿足以下條件:水對該波段激光有吸收；所需分離的微顆粒或生物細胞在該波段激光照射下透明。
2.根據權利要求1所述的微顆粒或生物細胞的光學分離方法，其特征在于，在步驟SI中，所述分離光纖的制備過程為:剝去標準單模光纖一段的涂覆層，對剝去涂覆層后的光纖加熱至熔融，將熔融部分以2?5mm/s的速度拉制成線徑為800nm?6 μ m、長度為200?400 μ m的無涂覆層的微納光纖。
3.根據權利要求1所述的微顆粒或生物細胞的光學分離方法，其特征在于，在步驟S2中，分離光纖放置的方向與液體流向垂直。
4.根據權利要求1所述的微顆粒或生物細胞的光學分離方法，其特征在于，在步驟S3中，所述液體流動的動力由微流泵提供。
5.根據權利要求1所述的微顆粒或生物細胞的光學分離方法，其特征在于，在步驟S3中，所述激光采用1.55 μ m波段激光，通光功率小于160mW。
6.根據權利要求2所述的微顆粒或生物細胞的光學分離方法，其特征在于，拉制微納光纖的裝置為光纖調節架。
7.一種微顆粒或生物細胞的光學分離裝置，其特征在于，包括固態載體和分離光纖，所述固態載體表面開設有相交的凹槽I和凹槽2,分離光纖放置于凹槽I,分離光纖包括有無涂覆層的微納光纖，所述微納光纖的線徑為800nm?6 μ m、長度為200?400 μ m,微納光纖與凹槽2相交。
8.根據權利要求7所述的微顆粒或生物細胞的光學分離裝置，其特征在于，所述固態載體為石英玻璃。
9.根據權利要求7所述的微顆粒或生物細胞的光學分離裝置，其特征在于，所述放置分離光纖的凹槽I為U型槽，其寬度為120?130 μ m,深度為90?150 μ m。
10.根據權利要求7所述的微顆粒或生物細胞的光學分離裝置，其特征在于，所述凹槽2的寬度為400?600 μ m,深度為90?150 μ m。
【文檔編號】C12N5/00GK103990379SQ201410256519
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年6月10日 優先權日:2014年6月10日
【發明者】李寶軍, 雷宏香 申請人:中山大學