一种精准操控纳米颗粒和生物分子的纳米光镊装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种精准操控纳米颗粒和生物分子的纳米光镊装置及方法，装置包括显微镜，显微镜的载物台上设置有微流通道，微流通道由盖玻片和载玻片组成，微流通道内设置有两根光纤，两根光纤外部均套有玻璃毛细管，玻璃毛细管被固定在可调的光纤调节架上，其中一根光纤的另一端连接有Y型的光纤耦合器，Y型的光纤耦合器的另外两臂分别连接带通滤波器和光纤激光器，带通滤波器的另一端连接光电探测器，另一根光纤的另一端连接有激光器。方法具体步骤如下：步骤1：制备用于精准操控的抛物线形光纤尖端；步骤2：将微透镜固定在光纤尖端；步骤3：利用步骤2中组装好的微透镜来捕获和操控荧光纳米颗粒；步骤4：捕获和操控DNA分子。

【技术实现步骤摘要】
一种精准操控纳米颗粒和生物分子的纳米光镊装置及方法
本专利技术属于纳米光镊
，涉及一种精准操控纳米颗粒和生物分子的纳米光镊装置方法。
技术介绍
传统光镊是一种远场光镊技术，它利用一个高数值孔径的物镜，将自由空间的激光束汇聚后，产生一个光学势阱，可无接触、无损害地捕获和操控微小粒子，是研究物理科学、细胞生物学以及分子生物学强有力的工具。近些年来，由于近场光镊技术能突破衍射极限，越来越受到国际上的关注。现有的近场光镊技术包括等离激元光镊、狭缝波导以及光子晶体谐振腔等。这些近场光镊技术基于纳米天线，纳米波导以及光子晶体等纳米结构，利用谐振波或者倏逝波将光场局域在近场区域，从而突破衍射极限，能操控纳米量级的粒子。传统光镊所用的激光束存在衍射极限，当用于捕获直径小于一百纳米的物体(比如瑞利粒子和生物分子)时，捕获的强度和精度都很低。另外，由于传统光镊需要高数值孔径的物镜和自由空间的光学系统，导致整个装置比较庞大，不够集成化和微型化。现有的近场光镊技术都基于纳米天线、纳米波导和光子晶体等纳米结构，需要复杂的纳米制造工艺。而且，这些纳米结构大都固定在特定的基板上，只能在二维平面内操控纳米颗粒或生物分子，但在三维精准、无损操控上仍面临巨大挑战。
技术实现思路
为实现上述目的，本专利技术提供一种精准操控纳米颗粒和生物分子的纳米光镊装置及方法，解决了现有技术中存在的传统光镊捕获的强度和精度都很低的问题。本专利技术所采用的技术方案是，一种精准操控纳米颗粒和生物分子的纳米光镊装置，包括显微镜，所述显微镜的载物台上设置有微流通道，所述微流通道由盖玻片和载玻片组成，所述微流通道内设置有两根光纤，两根所述光纤外部均套有玻璃毛细管，所述玻璃毛细管被固定在可调的光纤调节架上，其中一根所述光纤的另一端连接有Y型的光纤耦合器，所述Y型的光纤耦合器的另外两臂分别连接带通滤波器和光纤激光器，所述带通滤波器的另一端连接光电探测器，另一根所述光纤的另一端连接有激光器。所述显微镜的顶部设置有电荷耦合元件，所述显微镜的载物台上方设置有物镜。本专利技术还公开了一种精准操控纳米颗粒和生物分子的纳米光镊方法，具体步骤如下：步骤1：制备用于精准操控的抛物线形光纤尖端；步骤2：将微透镜固定在光纤尖端；步骤3：利用步骤2中组装好的微透镜来捕获和操控荧光纳米颗粒；步骤4：捕获和操控DNA分子。所述步骤1中光纤尖端的具体的制备方法如下：步骤1.1：用光纤剥线钳剥去光纤中间的涂覆层得到一段长为1～2厘米、直径为100～125微米的裸光纤；步骤1.2：将步骤1.1制得的裸光纤套进一个内径为0.9～1.0毫米，长度为100～150毫米的玻璃毛细管中；步骤1.3：把裸露的光纤水平放置于酒精灯上方的外焰处，在500～550度的条件下，静置28～38秒待光纤达到熔点后，以2毫米每秒的速度将熔融的部分拉细，当拉细的部分在1.6～1.8毫米的长度内直径从120～130微米减少到8～10微米时，把拉制的速度提高到10～15毫米每秒，快速将光纤拉断；步骤1.4：把拉断后的光纤放置到显微镜下观察，可见光纤探针的尖端呈抛物线形，即得抛物线形光纤尖端。所述步骤2中固定的条件：微透镜的尺寸与光纤尖端的直径相匹配；固定的方法：微透镜与光纤探针通过静电吸引原理进行固定；固定后的状态：微透镜与光纤会稳定地粘附在一起，且光纤尖端的轴线与微透镜中心的偏差会一直保持在250nm以内。所述步骤3中捕获和操控荧光纳米颗粒的具体步骤如下：步骤3.1：将制备好的光纤尖端-微透镜组合结构用光纤调节架将其伸入微流通道中，并整体置于显微镜载物台上；步骤3.2：用微型移液器吸取平均直径为85～90纳米荧光纳米颗粒悬浮液注入微流通道中，使液滴完全浸没光纤尖端和微透镜；步骤3.3：光纤的另一端经过一个光纤耦合器后与一台808纳米激光器相连；步骤3.4：在显微镜下观察单个的荧光纳米颗粒被光子纳米喷射捕获引起后散射光信号的变化。所述步骤4中捕获和操控DNA分子的具体步骤如下：步骤4.1：用一只微型移液器将微流通道中的荧光纳米颗粒悬浮液吸出，用另外一只微型移液器往微流通道中滴加DNA分子悬浮液；步骤4.2：将另一根光纤通过光纤调节架伸入微流通道，与步骤3中所用的抛物线光纤尖端水平相对；步骤4.3：把功率为100～200微瓦，波长为450～600纳米的激光通入此光纤中，从侧向照射悬浮液中的DNA分子；步骤4.4：在显微镜下观察DNA分子绿色的散射光。步骤4.5：往抛物线光纤尖端中通入808纳米的激光，经过微透镜的汇聚后产生光子纳米喷射，DNA分子被捕获在光子纳米喷射中。所述DNA分子为3.4千碱基对的质粒DNA分子，具体的制备方法是：用质粒小量提取试剂盒从大肠杆菌菌种DH5α中提取出质粒DNA分子，然后保存在DNA洗脱液中，所述洗脱液含有10毫摩尔的三羟甲基氨基甲烷盐酸盐，pH值为8.5。本专利技术的有益效果是：1.此纳米光镊利用光子纳米喷射效应，把光汇聚在微透镜的近场，突破了传统光镊的衍射极限，能精准操控直径小于一百纳米物体；2.此光操控的方法仅仅需要一根微型的光纤和一个微透镜，不需要高数值孔径的物镜和自由空间的光学系统，能够集成化和微型化，而且避免了复杂的纳米结构和漫长的纳米制造过程；3.本装置不需要固定在特定的基板上，而且光纤能够灵活地移动，因此能在三个维度上精准地操控目标。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术一种精准操控纳米颗粒和生物分子的纳米光镊装置及方法的装置结构图。图2是本专利技术一种精准操控纳米颗粒和生物分子的纳米光镊装置及方法的捕获和操控荧光纳米颗粒的过程图；其中a1为微透镜没有粘附在光纤尖端时的示意图；a2为微透镜靠近并最终粘附在光纤尖端时的示意图；b1为在0-12～5秒时捕获纳米颗粒的示意图；b2为在12.5～51.5秒时捕获纳米颗粒的示意图；b3为在51.5～64.7秒时捕获纳米颗粒的示意图；c为散射信号在时域上的分布图；d为纳米颗粒三维精准移动的轨迹图；图3是本专利技术一种精准操控纳米颗粒和生物分子的纳米光镊装置及方法的捕获和操控DNA分子的过程图；其中a为捕获和操控DNA分子过程的代表图；b为捕获和操控DNA分子过程的代表图；c为捕获和操控DNA分子过程的代表图；d为DNA分子受到激光的辐照后的散射光图；e为DNA分子的平均捕获时间随着功率的变化曲线图；f为DNA分子的后散射信号图；图中，1.光纤耦合器，2.带通滤波器，3.光电探测器，4.激光器，5.光纤，6.光纤激光器，7.电荷耦合元件，8.显微镜，9.物镜，10.玻璃毛细管，11.微流通道，12.盖玻片，13.载玻片，14.光纤调节架，15.载物台。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。一种精准操本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种精准操控纳米颗粒和生物分子的纳米光镊装置，其特征在于，包括显微镜(8)，所述显微镜(8)的载物台(15)上设置有微流通道(11)，所述微流通道(11)由盖玻片(12)和载玻片(13)组成，所述微流通道(11)内设置有两根光纤(5)，两根所述光纤(5)外部均套有玻璃毛细管(10)，所述玻璃毛细管(10)被固定在可调的光纤调节架(14)上，其中一根所述光纤(5)的另一端连接有Y型的光纤耦合器(1)，所述Y型的光纤耦合器(1)的另外两臂分别连接带通滤波器(2)和光纤激光器(6)，所述带通滤波器(2)的另一端连接光电探测器(3)，另一根所述光纤(5)的另一端连接有激光器(4)。

【技术特征摘要】
1.一种精准操控纳米颗粒和生物分子的纳米光镊装置，其特征在于，包括显微镜(8)，所述显微镜(8)的载物台(15)上设置有微流通道(11)，所述微流通道(11)由盖玻片(12)和载玻片(13)组成，所述微流通道(11)内设置有两根光纤(5)，两根所述光纤(5)外部均套有玻璃毛细管(10)，所述玻璃毛细管(10)被固定在可调的光纤调节架(14)上，其中一根所述光纤(5)的另一端连接有Y型的光纤耦合器(1)，所述Y型的光纤耦合器(1)的另外两臂分别连接带通滤波器(2)和光纤激光器(6)，所述带通滤波器(2)的另一端连接光电探测器(3)，另一根所述光纤(5)的另一端连接有激光器(4)。2.根据权利要求1所述的一种精准操控纳米颗粒和生物分子的纳米光镊装置，其特征在于，所述显微镜(8)的顶部设置有电荷耦合元件(7)，所述显微镜(8)的载物台(15)上方设置有物镜(9)。3.一种精准操控纳米颗粒和生物分子的纳米光镊方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1：制备用于精准操控的抛物线形光纤尖端；步骤2：将微透镜固定在光纤尖端；步骤3：利用步骤2中组装好的微透镜来捕获和操控荧光纳米颗粒；步骤4：捕获和操控DNA分子。4.根据权利要求3所述的一种精准操控纳米颗粒和生物分子的纳米光镊方法，其特征在于，所述步骤1中光纤尖端的具体的制备方法如下：步骤1.1：用光纤剥线钳剥去光纤中间的涂覆层得到一段长为1～2厘米、直径为100～125微米的裸光纤；步骤1.2：将步骤1.1制得的裸光纤套进一个内径为0.9～1.0毫米，长度为100～150毫米的玻璃毛细管中；步骤1.3：把裸露的光纤水平放置于酒精灯上方的外焰处，在500～550度的条件下，静置28～38秒待光纤达到熔点后，以2毫米每秒的速度将熔融的部分拉细，当拉细的部分在1.6～1.8毫米的长度内直径从120～130微米减少到8～10微米时，把拉制的速度提高到10～15毫米每秒，快速将光纤拉断；步骤1.4：把拉断后的光纤放置到显微镜下观察，可见光纤探针的尖端呈抛物线形，即得抛物线形光纤尖端。5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宝军，张垚，李宇超，雷宏香，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：广东,44