一种微颗粒或生物细胞的群体捕获和迁移方法
【专利摘要】本发明公开一种微颗粒或生物细胞的群体捕获和迁移方法，其包括以下步骤：制备用于捕获微颗粒或生物细胞的捕获光纤，捕获光纤的中间部分为线径800nm～1.5μm，长度为200～400μm的无涂覆层的微纳光纤；将制备好的捕获光纤置于含有待捕获的微颗粒或生物细胞的悬浮液中；从捕获光纤的任意一端输入激光，实现微纳颗粒或生物细胞的群体捕获；上述激光的波段对水有吸收，而且对所要捕获的微颗粒或生物细胞透明。通过平行移动捕获光纤还可以实现对捕获颗粒或生物细胞的群体迁移。本发明借助逆向光泳原理，在低功率下就可以实现对微颗粒或生物细胞的群体捕获和迁移功能，具有结构紧凑、灵活快捷、成本低廉、无损伤的优点。
【专利说明】一种微颗粒或生物细胞的群体捕获和迁移方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微纳光子学领域，尤其涉及一种微颗粒或生物细胞的群体捕获和迁移方法。
【背景技术】
[0002]大量微颗粒或者生物细胞群体的同时捕获和迁移是一项至关重要的技术，在组装微纳米尺度有序结构、微流体控制、微小药物胶囊制备、病毒探测以及DNA复制等方面是最为关键的工序之一。目前为止，悬浮于液体中的微小物体通常是借助电场或温度梯度引起的泳动来进行有效的群体捕获的，即电泳捕获和热泳捕获。这两种颗粒捕获技术分别需要使用呈一定图形排列的电极或带有激光聚焦系统(作为热源)的加热腔，因此实验装置通常都需要占用较大体积，很难在狭小的空间内(例如血管和生物毛细管内)进行微小物体的群体捕获和操控。虽然通过借助光纤或者平板波导表面的倏逝场，微纳颗粒或生物细胞的捕获完全可以在微纳米尺度的狭小空间内实现。不过，由于同样是利用光场梯度力进行捕获，光纤或者平板波导表 面倏逝场所提供的捕获力幅度也很有限，仅能对少数微小物体进行捕获而无法同时操控大量的微颗粒及生物细胞。因此，要实现在微纳尺度的狭小空间内对大量微颗粒及生物细胞进行群体的捕获和迁移，必须采用一些新的方法或技术。
【发明内容】
[0003]针对现有技术的缺点，本发明结合微纳米光纤(波导)尺寸上的优势和液体中微颗粒的泳动效应引起的较大捕获力，首先提供一种结构紧凑、灵活快捷、成本低廉、无损伤的微颗粒或生物细胞的群体捕获方法。
[0004]本发明的又一目的是提供一种微颗粒或生物细胞的群体迁移方法，保证在狭小的空间内即可实现微小物体群体的操控。
[0005]为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0006]一种微颗粒或生物细胞的群体捕获方法，包括以下步骤:
[0007]S1:制备用于捕获微颗粒或生物细胞的捕获光纤，捕获光纤包括无涂覆层的微纳光纤及位于微纳光纤两端的无涂覆层的光纤锥，所述光纤锥尖端线径与维纳光纤的线径相同，其中无涂覆层的微纳光纤的线径为800nm~L 5 μ m,长度为200~400 μ m ；
[0008]S2:将制备好的捕获光纤悬置于载物台上，吸取含有待捕获的微颗粒或生物细胞的悬浮液滴到载物台上，悬浮液完全浸没微纳光纤及两端的光纤锥；
[0009]S3:从捕获光纤的任意一端输入激光，实现微纳颗粒或生物细胞的群体捕获；
[0010]上述激光的波段对水有吸收，而且对所要捕获的微颗粒或生物细胞透明。
[0011]从光纤一端输入激光，借助于微纳光纤泄露光场对水中微小物体产生的逆向光泳力，即可实现微纳颗粒或生物细胞的群体捕获；为了将液体中的逆向光泳原理引入到大量微颗粒或生物细胞的非接触、低损伤捕获和操控，因此激光波段要求对水有一定的吸收，而且对所要分离的微颗粒透明。[0012]其中光泳现象是指:当悬浮于液体环境中的微小物体受到一束光照射时，物体表面和内部不均匀分布的电磁能量通过物体本身及周围液体的吸收转化成物体表面的不均匀热分布，从而引起颗粒向着远离光源(正向光泳)或者接近光源(逆向光泳)的方向运动。在相同的入射光强度下，光泳力的大小通常要比光场梯度力大3至4个数量级，因此可以用来捕获和操控大量微颗粒或生物体群体。
[0013]在一种优选方案中，在步骤SI中，所述捕获光纤的制备过程为:剥去标准单模光纤一段的涂覆层，对剥去涂覆层后的光纤加热至熔融，将熔融部分以3-5mm/s的速度拉制成线径为800nm~1.5 μ m,长度为200~400 μ m的无涂覆层的微纳光纤及位于微纳光纤两端的无涂覆层的光纤锥在一种优选方案中，拉制微纳光纤的装置为光纤调节架。在此处，剥去涂覆层的光纤是标准单模光纤中除两端的任一段。
[0014]在一种优选方案中，在步骤S2中，微颗粒悬浮液的制备是按照1:1000的体积比将颗粒粉末用去离子水稀释后，再利用超声机超声的方法进行超声处理；生物细胞悬浮液是用移液管从培养液中提取少量液体滴入去离子水中静置得到。
[0015]在一种优选方案中，在步骤S2中，捕获光纤通过五维光纤调节架悬置于载物台上，捕获光纤两端分别固定在两个五维光纤调节架上。
[0016]在一种优选方案中，所述步骤S2中载物台为载玻片或毛细管。
[0017]在一种优选方案中，将捕获光纤置于毛细管内的方法是:先将标准单模光纤伸入毛细管内，然后用热熔拉法将毛细管外的一段单模光纤拉制成微纳光纤，最后再将毛细管水平移动至拉制好的微纳光纤处将其包裹。
[0018]在一种优选方案中，在步骤S3中，所述激光的波段为1.55 μ m,通光功率为80~200mW。
[0019]一种微颗粒或生物细胞的群体迁移方法，包括以下步骤:
[0020]I)制备用于捕获微颗粒或生物细胞的捕获光纤，捕获光纤包括无涂覆层的微纳光纤及位于微纳光纤两端的无涂覆层的光纤锥，所述光纤锥尖端线径与维纳光纤的线径相同，其中无涂覆层的微纳光纤的线径为800nm~L 5 μ m,长度为200~400 μ m ；
[0021]2)将制备好的捕获光纤悬置于载物台上，吸取含有待捕获的微颗粒或生物细胞的悬浮液滴到载物台上，悬浮液完全浸没微纳光纤及两端的光纤锥；
[0022]3)从捕获光纤的任意一端输入激光，实现微纳颗粒或生物细胞的群体捕获；移动微纳光纤，实现微颗粒或生物细胞随微纳光纤迁移；
[0023]上述激光的波段对水有吸收，而且对所要捕获的微颗粒或生物细胞透明。
[0024]与现有技术相比，本发明的有益效果为:首先，本发明采用的微纳光纤具有明显尺度上的优势，且制作简单、快速，自由灵活、成本低廉，可避免现有技术设备复杂、庞大等问题；其次，本发明采用的微纳光纤可以集成到微纳器件上对微纳颗粒或生物细胞进行群体捕获和迁移，具有结构紧凑、成本低廉等优点；最后，本发明借助逆向光泳原理，在低功率下就可以实现对微颗粒或生物细胞的群体捕获和迁移功能，具有无接触、无损伤、快捷高效等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0025] 图1是本发明制作微纳光纤和试验装置示意图。[0026]图2是微颗粒或生物细胞逆向光泳运动示意图。
[0027]图3是采用CCD拍摄的利用微纳光纤对SiO2颗粒进行群体捕获和停止捕获后的扩散情况。
[0028]图4是采用CCD拍摄的利用微纳光纤对大肠杆菌进行群体捕获和停止捕获后的扩散情况。
[0029]图5是采用CCD拍摄的利用微纳光纤对培养液中鸽子血红细胞或鸡血红细胞进行群体捕获的情况。
[0030]图6是采用CXD拍摄的利用微纳光纤对已捕获的SiO2颗粒(直径2.08 μ m)群体进行迁移的情况。
[0031]图7的直径2.08 μ m的SiO2颗粒在毛细管内的群体捕获和迁移。
【具体实施方式】
[0032]附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0033]为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸； [0034]对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0035]下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
[0036]一种对微颗粒或生物细胞的群体捕获和迁移方法，包括以下步骤，如图1:
[0037]1、将一根标准单模光纤(CorningSMF-28，芯径8.2μπι，包层直径125μπι，连接头类型FC/PC)剥去中间一小段(约20mm)涂覆层后平行放置于酒精灯上方外焰处，静置30s左右待光纤熔融后借助于两边的光纤调节架以3-5mm/s的速度拉制成微纳光纤。通过这种熔拉法拉制获得的微纳光纤及位于微纳光纤两端的光纤锥，其中微纳光纤的线径为800nm~1.5 μ m，长度约为200~400 μ m，光纤锥尖端的线径与微纳光纤的线径相等。
[0038]2、将制备好的微纳光纤水平悬置于载玻片上(或者毛细管、槽中)，并整体置于显微镜载物台上，光纤两端分别固定在两个五维光纤调节架上。其中，将微纳光纤置于毛细管内的方法是:先将普通单模光纤伸入毛细管内，然后用步骤I的热熔拉法将毛细管外的一段单模光纤拉制成微纳光纤，最后再将毛细管水平移动至拉制好的微纳光纤处将其包裹。
[0039]3、使用吸管吸取少量微颗粒或生物细胞悬浮液体滴到载玻片上，使液滴完全浸没微纳光纤及其两端的光纤锥部分。其中，微颗粒悬浮液是按照1:1000的体积比将颗粒粉末用去离子水稀释后，再利用超声机超声的方法制备获得的；生物细胞悬浮液是用移液管从培养液中提取少量液体滴入去离子水中静置约10分钟得到。
[0040]4、从光纤一端输入1.55 μ m的激光，借助于微纳光纤泄露光场对水中微小物体产生的逆向光泳力，即可实现微纳颗粒或生物细胞的群体捕获。这里，首次将液体中的逆向光泳原理引入到大量微颗粒或生物细胞的非接触、低损伤捕获和操控，因此通光波段要求对水有一定的吸收，而且对所要分离的微颗粒透明，可采用1.55 μ m波段激光光源，通光功率约 80 ~200mW。
[0041]5、通过两边光纤调节架平行移动微纳光纤还可以实现对捕获颗粒或生物细胞的群体迁移。[0042]实施例1
[0043]本实施例以2.08/3.14 μ HiSiO2介质颗粒、大肠杆菌、鸽子血红细胞、鸡血红细胞的群体捕获，以及2.08 μ HISiO2介质颗粒的群体迁移为例来说明。
[0044]如图1所示，首先完成微纳光纤的制备和实验装置的搭建工作。接有CCD的光学显微镜将图像传送至与之连接的计算机显示器上，用以样品的观察和精确定位。为了能够达到样品的稳定、精确控制，盛放样品的载玻片被固定在一个步进精度为50nm的手动载物台上。微纳光纤按照步骤I制备完成，其两端分别固定在两个五维光纤调节架上并悬置于载玻片上。SiO2颗粒悬浮液的制备是采取先将颗粒粉末采用去离子水稀释后用超声机超声的方法得到的，大肠杆菌悬浮液则是用移液管从培养液中提取少量菌液滴入去离子水中静置约10分钟后得到的。悬浮液制备完成后，用吸管吸取少量液体滴到载玻片上，使液滴完全浸没微纳光纤及其两端的光纤锥部分。光纤的一个尾端连接在输出波长为1.55 μ m的激光器上，激光器输出功率可在80mW至200mW之间调节；光纤另一尾端接入光功率计。图中，1-激光、2-载玻片、3-悬浮液、4-微颗粒、5-PC、6-CCD。
[0045]上述CXD显微镜物镜参数分别为:放大倍数(MT)、数值孔径(NA)及工作距离为(TO): X 5 (NA = 0.10，WD = 19.0mm)，X 20 (NA = 0.40, WD = 11.2mm), X 40 (NA = 0.50, WD=10.0mm)，X 50 (NA = 0.75, WD = 1.5mm)，andX 100 (NA = 0.73, WD = 1.0mm)。
[0046]首先用直径为910nm、长度为205 μ m的光纤来对悬浮于水中、直径为3.14μπι的SiO2颗粒进行捕获，实验结果如图3所示。在关闭1.55 μ m激光器、无功率输入该光纤的情况下，即通光时间tm = Os，SiO2颗粒均匀地分散在水中，如图3(a)所示；开启1.55 μ m激光器后将输入功率调至200mW，SiO2颗粒立刻被光纤的泄露光照射，向着光纤方向运动，如图3 (b)所示,通光时间tm = 25s时的情况；当通光时间达到tm = 360s,约4300个SiO2颗粒被捕获在光纤周围，这时光纤的捕获已达到饱和状态，如图3 (c)所示；关闭1.55 μ m激光器后，SiO2颗粒立即停止泳动，被捕获的颗粒开始通过布朗运动扩散，又回到分散悬浮状态，如图3(d)所示，关闭激光器时间Iff = 220s时的情况。
[0047]大肠杆菌的捕获情况与SiO2颗粒类似。需要说明的是，大肠杆菌的形状近似为圆柱形，直径在800nm至900nm之间，长度在I μ m至10 μ m之间，由于大肠杆菌的横截面接近圆形且对1.55μπι波长的吸收较低，所以大肠杆菌也满足逆向光泳力的产生条件。大肠杆菌的捕获实验结果如图4所示。使用的光纤直径为1.2 μ m，长度为200 μ m。在关闭1.55 μ m激光器、无功率输入此光纤的情况下，即通光时间tm = Os，大肠杆菌均匀地分散在水中，如图4(a)所不；开启1.55 μ m激光器后将输入功率调至125mW,大肠杆菌立刻被光纤的泄露光照射，向着光纤方向运动，如图4(b)所示,通光时间tm = 15s时的情况；当通光时间达到tm = 47s,约900个大肠杆菌被捕获在光纤周围，如图4(c)所不；关闭1.55μηι激光器后,大肠杆菌立即停止泳动，被捕获的大肠杆菌开始通过布朗运动扩散，又回到分散悬浮状态，如图4(d)所示，关闭激光器时间Iff = QOs时的情况。实验测得的SiO2颗粒(直径3.14 μ m)和大肠杆菌的平均捕获速度(单位:个/秒)分别是:12个/秒和15个/秒。由于所配制的这两种悬浮液样品浓度相同(颗粒或菌与去离子水的体积比均为1:1000)，两者的平均捕获速度取决于颗粒或菌的光泳速度大小。光泳速度的大小受通光功率、通光时间以及颗粒大小影响，并且会随着颗粒到光纤间的距离而变化。这里需要注意的是，由于耦合入光纤中的光功率相对较低(低于200mW)，并且悬浮液液滴的体积(约为400mm3)远远大于此光纤体积，实验中光纤的泄露光并没有引起光纤周围明显的热对流现象。这一点在实验过程中也得到了验证:关闭激光器停止光功率输入后，颗粒或大肠杆菌群体的捕获立即停止了。
[0048]这里还需要指出的是，虽然微颗粒或大肠杆菌群体的捕获是在去离子水的环境中进行的，但相似的捕获效果也可以在血液或者细胞培养液等生物媒介环境中得到。在本实施例中用这种方法对细胞培养液中的鸽子血红细胞和鸡血红细胞分别进行了捕获实验，如图5所示。两种血红细胞捕获实验使用的光纤直径分别为900nm(图5(a)、图5(b))和950nm(图5 (c)、图5 (d))。在关闭1.55 μ m激光器、无功率输入此光纤的情况下(即通光时间tm = Os)，两种血红细胞均随机地分散在培养液中，如图5(a)、图5(c)所示；开启
1.55 μ m激光器后将输入功率分别调至200mW和IOOmW,两种血红细胞立刻被光纤的泄露光照射，向着光纤方向运动，经过大约660s后，两者的捕获情况如图5 (b)、图5 (d)所示。结果表明在细胞培养液环境中，微纳光纤对生物细胞仍可以捕获，但是其捕获能力要弱于在去离子水中的情况。这主要是由于细胞培养液的平均折射率要高于水，从而减弱了施加在微小物体上的光泳力。
[0049]在完成对颗粒或生物细胞的捕获后，通过平行地移动微纳光纤即可实现对捕获物群体的迁移。微纳光纤的移动则是通过调节固定光纤尾端的微调节架来实现的。图6是在输入光功率Pin= IOOmW下，利用光纤(直径1.3 μ m，长度220 μ m)对已捕获的SiO2颗粒(直径2.08 μ m)群体进行迁移的情况。在保持1.55 μ m激光器输入光功率Pin = IOOmff的情况下，光纤刚刚要开始平行移动时(即迁移时间tm = Os)，捕获的SiO2颗粒群体仍聚集在光纤周围，如图6(a)所示；接着，通过控制微调节架，光纤在2s内(即tm = 2s)平行移动到距初始位置2 0 μ m的位置，捕获的SiO2颗粒群体也开始跟随迁移，如图6 (b)所示；经过迁移时间tm = 24s后，SiO2颗粒群体从初始位置向着光纤方向平均迁移的距离达到了
7.5 μ m,如图6(c)所示；经过迁移时间tm = 119s后，大约85%的SiO2颗粒已经迁移到了新的位置，即回到光纤周围，如图6(d)所示。经过迁移时间tm= 130s后SiO2颗粒群体基本全部迁移到新的位置。在这个迁移过程中，颗粒的平均光泳速度为Vph = 0.32ym/s。其他不同尺寸的颗粒及大肠杆菌在不同输入光功率和微纳光纤直径情况下也有相似的迁移过程。这一实验结果说明，利用微纳光纤泄露光产生的逆向光泳力不仅可以对颗粒进行群体捕获，还可以将捕获的颗粒群体进行迁移。
[0050]以上颗粒或生物细胞的捕获和迁移都是在一滴开放的、静止的悬浮液液滴中进行的。实际上，由于微纳光纤进行光泳捕获和操控这一技术实际的应用场合往往为密闭或流动的微流通道内(例如血管或生物毛细管内)，因此也研究了微纳光纤在毛细管内的光捕获和操控能力。首先将微纳光纤置于玻璃毛细管内，再向毛细管内注入微颗粒悬浮液，考察微纳光纤捕获和迁移颗粒的能力。所使用的玻璃毛细管内直径为400μπκ外直径为650 μ m，所使用的光纤直径为1.35 μ m、长度为110 μ m，捕获的颗粒为直径3.Hyn^ASiO2颗粒。毛细管内的捕获和迁移实验结果如图7所示。其中，图7(a)为置于玻璃毛细管内的光纤(直径1.35 μ m)和毛细管横截面的光学显微照片，SiO2颗粒悬浮液已经注入毛细管内。将功率为200mW的1.55 μ m波长激光输入光纤后，SiO2颗粒开始向光纤移动，经过55s后约50个SiO2颗粒被捕获在光纤周围，如图7(b)所示；接着，通过微调节架将光纤平行移动至距初始位置46 μ m的新位置，被捕获的颗粒群体也随着开始向光纤的新位置方向迁移，如图7(c - e)所示；经过迁移时间tm = 49s后，90%以上的颗粒都迁移到了光纤的新位置周围，如图7(f)所示。在这个迁移过程中，颗粒的平均光泳速度为Vph = 0.94ym/s。
[0051]本发明能够实现在微纳尺度狭小空间内对大量微颗粒或生物细胞进行群体捕获和迁移，这对微纳光子学的进一步发展十分有利。
[0052]相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
[0053]附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0054] 显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种微颗粒或生物细胞的群体捕获方法，其特征在于，包括以下步骤: S1:制备用于捕获微颗粒或生物细胞的捕获光纤，捕获光纤包括无涂覆层的微纳光纤及位于微纳光纤两端的无涂覆层的光纤锥，所述光纤锥尖端线径与维纳光纤的线径相同，其中无涂覆层的微纳光纤的线径为800nm~1.5 μ m，长度为200~400 μ m ; S2:将制备好的捕获光纤悬置于载物台上，吸取含有待捕获的微颗粒或生物细胞的悬浮液滴到载物台上，悬浮液完全浸没微纳光纤及两端的光纤锥； S3:从捕获光纤的任意一端输入激光，实现微纳颗粒或生物细胞的群体捕获； 上述激光的波段对水有吸收，而且对所要捕获的微颗粒或生物细胞透明。
2.根据权利要求1所述的微颗粒或生物细胞的群体捕获方法，其特征在于，在步骤SI中，所述捕获光纤的制备过程为:剥去标准单模光纤一段的涂覆层，对剥去涂覆层后的光纤加热至熔融，将熔融部分以3-5mm/s的速度拉制成线径为800nm~1.5 μ m,长度为200~400 μ m的无涂覆层的微纳光纤及位于微纳光纤两端的无涂覆层的光纤锥。
3.根据权利要求2所述的捕获光纤的制备过程，其特征在于，拉制微纳光纤的装置为光纤调节架。
4.根据权利要求1所述的微颗粒或生物细胞的群体捕获方法，其特征在于，在步骤S2中，微颗粒悬浮液的制备方式为:所述微颗粒悬浮液的制备是按照1:1000的体积比将颗粒粉末用去离子水稀释后，再利用超声机超声的方法；所述生物细胞悬浮液是用移液管从培养液中提取少量液体滴入去离子水中静置得到。
5.根据权利要求1所述的微颗粒或生物细胞的群体捕获方法，其特征在于，在步骤S2中，捕获光纤通过五维光纤调节架悬置于载物台上，捕获光纤两端分别固定在两个五维光纤调节架上。
6.根据权利要求1所述的微颗粒或生物细胞的群体捕获方法，其特征在于，所述步骤S2中载物台为载玻片或毛细管。
7.根据权利要求6所述的微颗粒或生物细胞的群体捕获方法，其特征在于，将捕获光纤置于毛细管内的方法是:先将标准单模光纤伸入毛细管内，然后用热熔拉法将毛细管外的一段单模光纤拉制成微纳光纤，最后再将毛细管水平移动至拉制好的微纳光纤处将其包裹。
8.根据权利要求1所述的微颗粒或生物细胞的群体捕获方法，其特征在于，在步骤S3中，所述激光的波段为1.55 μ m，通光功率为80~200mW。
9.一种微颗粒或生物细胞的群体迁移方法，其特征在于，包括以下步骤: 1:制备用于捕获微颗粒或生物细胞的捕获光纤，捕获光纤包括无涂覆层的微纳光纤及位于微纳光纤两端的无涂覆层的光纤锥，所述光纤锥尖端线径与维纳光纤的线径相同，其中无涂覆层的微纳光纤的线径为800nm~1.5 μ m，长度为200~400 μ m ; 2:将制备好的捕获光纤悬置于载物台上，吸取含有待捕获的微颗粒或生物细胞的悬浮液滴到载物台上，悬浮液完全浸没微纳光纤及两端的光纤锥； 3:从捕获光纤的任意一端输入激光，实现微纳颗粒或生物细胞的群体捕获；移动微纳光纤，实现微颗粒或生物细胞随微纳光纤迁移； 上述激光的波段对水有吸收，而且对所要捕获的微颗粒或生物细胞透明。
【文档编号】C12N13/00GK103993001SQ201410256517
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年6月10日 优先权日:2014年6月10日
【发明者】李宝军, 雷宏香, 张垚 申请人:中山大学