基于生物细胞的光波导构建方法与流程

本发明属于生物光电子器件集成技术领域，特别是涉及一种基于生物细胞的光波导构建方法。

背景技术：

光子器件在生物医学中应用时，需要将光子器件直接介入生物体系中，因而需要解决光子器件生物兼容性、可植入性以及可任意处理性的问题；虽然目前国际上已经有具有部分生物兼容的光子器件的组装方法，例如在无机材料构建的光波导表面涂上生物膜，以及直接用有机材料，例如明胶和蚕丝来构建光波导，然而，大部分基于硅基材料的光子器件都是生物不兼容的。

现有方法在使用完相关光子器件后，还需要将光子器件从生物体系中移除，不然会引起生物不兼容问题，所以构建具有生物兼容性、可植入性及可任意处理性的光子器件对于生物光子器件在生物医学领域的研究至关重要，为了解决这些问题，本发明提供了一种基于生物细胞的光波导构建方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于生物细胞的光波导构建方法，以构建具有生物兼容性、可植入性及可任意处理性的光子器件，光波导的构建原材料是可任意处理的生物细胞，具有完全的生物兼容性、可植入性及可任意处理性。

本发明所采用的技术方案是，基于生物细胞的光波导构建方法，具体包括以下步骤：

步骤1：锥形光纤的制作

使用光纤剥线钳去除商用单模光纤的缓冲层和塑料外套，去除部分长度为20～50cm；将去除外套的光纤穿过毛细玻璃管，将末端拉出在酒精灯外焰加热100～150s后，使用3～10mm/s的速度将火焰上端的光纤拉断，光纤末端形成一个锥形，即为锥形光纤；

步骤2：生物细胞悬浮液配备

将生物细胞置于培养基中于37℃培养12h，然后用磷酸盐酸缓冲液进行清洗、稀释，随后将生物细胞悬浮液滴加到玻璃片上，将玻璃片放于显微镜的二维移位平台上备用；

步骤3：锥形光纤安装与实验装置

将套有毛细玻璃管的入射锥形光纤固定在调节架i上，出射锥形光纤固定在调节架ii上，入射锥形光纤和出射锥形光纤的锥形端都浸没在生物细胞悬浮液中；入射锥形光纤另一端通过2×1光分束器连接在激光器a和激光器b上，出射锥形光纤另一端连接在光功率计上，显微镜通过ccd实时观测实验情况，并将观测结果传输至电脑进行分析；

步骤4：光波导构建与性能探测

打开激光器a，往入射锥形光纤中通入入射激光，入射激光在入射锥形光纤末端产生光捕获力，以捕获生物细胞，形成生物细胞队列，构建不同长度的光波导；保持激光器a不关闭，构建的光波导稳定存在于生物细胞悬浮液中，此时将可见光通过激光器b导入入射锥形光纤中，可以看到可见光在光波导中传输，并在光波导末端可以看到一个可见光斑。

进一步的，步骤2中生物细胞尺寸为1～8μm时，生物细胞悬浮液中生物细胞的浓度为1.0×10⁶～1.0×10⁷个/ml；生物细胞尺寸为8～20μm时，生物细胞的浓度为2.0×10⁵～2.0×10⁶个/ml。

进一步的，步骤2中的生物细胞包括杆状细菌、圆形真菌以及哺乳动物细胞。

进一步的，步骤4中激光器a发射的入射激光可以使用近红外激光，激光器b发射的传导激光可使用任何一种可见光。

进一步的，步骤4中激光器a发射的入射激光的入射功率为10～100mw。

本发明的有益效果是：实现了完全基于生物细胞的光波导构建，其原材料不依靠任何无机材料，具有完全的生物兼容性、可植入性及可任意处理性；对于光子器件在生物医学领域的研究提供了新的思路，光波导的构建原料来自生物材料本身，无需额外的成本，使用完成后，无需后续处理，节约了光波导的构建成本，且构建过程简单、易操作；且可以使用不同种类的细胞构建光波导。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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是光波导的构建流程图。

图2是构建光波导以及表征光波导传输性能的实验装置图。

图3是锥形光纤扫面电镜图。

图4是光波导的具体构建过程图。

图5是构建光波导的过程图。

图6是图5构建的光波导入射激光的出射功率-波导长度图。

图7是构建的光波导的实验示例图以及光传输性能表征。

图中，1.激光器a，2.激光器b，3.2×1光分束器，4.毛细玻璃管，5.调节架i，6.入射锥形光纤，7.生物细胞，8.磷酸盐酸缓冲液，9.出射锥形光纤，10.移动平台，11.玻璃片，12调节架ii，13.光功率计，14.电脑，15.显微镜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

基于生物细胞的光波导构建方法，具体包括以下步骤：

步骤1：锥形光纤的制作

使用光纤剥线钳去除商用单模光纤跳线的缓冲层和塑料外套，去除部分长度为20～50cm；将去除外套的光纤穿过毛细玻璃管4中，将末端拉出在酒精灯外焰加热100～150s后，使用3～10mm/s的速度将火焰上端的光纤拉断，光纤末端形成一个锥形，即为锥形光纤；制作的锥形光纤尺寸如图3所示；

锥形光纤的形状和末端直径会影响激光输出的光场分布，以及激光对生物细胞7的捕获能力，光纤末端的锥形对出射激光产生了汇聚作用，使得聚焦的光场可以对微纳尺寸的生物细胞7产生捕获，构建光波导；

光纤跳线芯径为9μm，包层为125μm；毛细玻璃管4的长度为120mm，内径为0.9mm，管壁厚0.1mm；毛细玻璃管4能确保锥形光纤笔直地伸入生物细胞悬浮液中，还能使锥形光纤被调节架灵活的调节位置；

步骤2：生物细胞悬浮液配备

将生物细胞7置于培养基中于37℃培养12h，然后用磷酸盐酸缓冲液8进行清洗与稀释，随后将生物细胞悬浮液滴加到玻璃片上，并将玻璃片放于显微镜的二维移位平台上备用；

生物细胞7尺寸为1～8μm时，生物细胞悬浮液中生物细胞的浓度为1.0×10⁶～1.0×10⁷个/ml；生物细胞7尺寸为8～20μm时，生物细胞的浓度为2.0×10⁵～2.0×10⁶个/ml；

生物细胞7浓度太低，锥形光纤尖端细胞数量太少，捕获细胞数目少，构建的光波导短；而生物细胞7浓度太高，锥形光纤尖端细胞太多，会产生细胞分泌物，容易发生细胞团簇与聚集，影响一维生物光波导的构建；

步骤3：锥形光纤安装与实验装置

如图2所示，将套有毛细玻璃管4的入射锥形光纤6固定在调节架i5上，出射锥形光纤9固定在调节架ii12上，入射锥形光纤6和出射锥形光纤9的末端都浸没在生物细胞悬浮液中；入射锥形光纤6另一端通过2×1光分束器3连接在激光器a1和激光器b2上，出射锥形光纤9另一端连接在光功率计13上，用来实时监测出射激光的光信号；显微镜15通过ccd进行实时观测，并将观测结果传输至电脑14进行分析；

调节架i5和调节架ii12的调节精度均为50nm；

步骤4：光波导构建与性能探测

如图1所示，打开激光器a1，往入射锥形光纤6中通入入射激光，入射激光在入射锥形光纤6末端产生光捕获力，以捕获生物细胞，进一步激光在捕获的生物细胞中传输，捕获更多的生物细胞，从而形成生物细胞队列，构建不同长度的光波导；保持入射激光不关闭，构建的光波导稳定存在于生物细胞悬浮液中，此时将可见光通过激光器b导入入射锥形光纤6中，可以看到可见光在光波导中传输，并在光波导末端可以看到一个可见光斑；

入射激光可以使用近红外激光，传导激光可使用任何一种可见光；

入射激光的入射功率为10～100mw时，构建的光波导长度范围为5μm～72.5μm；功率越大，构建的光波导越长，且越稳定；功率越小，入射激光捕获细胞的能力越弱，构建的生物光波导越短，且不稳定。

利用生物细胞构建光波导，可以使用杆状的细菌、圆形的真菌以及哺乳动物细胞。

构建的光波导直接由生物细胞7构成，具有极高的生物兼容性和可植入性，能直接介入生物系统中工作；将激光器a1关闭，构建的光波导将原地分散，免除了移除光子器件的麻烦，达到可任意处理，降低了光波导构建时原材料成本和移除成本，节约了资源；本发明构建的光波导在传输激光时对激光的损耗很小。

实施例1

基于生物细胞-大肠杆菌，利用锥形光纤末端产生的光捕获力，构建由生物细胞组成的光波导，基于生物细胞的光波导可以用来导光，具有极高的生物兼容性、可植入性及可任意处理性。

按照如下步骤利用大肠杆菌构建一组长度为28.3μm的光波导：

步骤1：制作锥形光纤

使用光纤剥线钳去除商用单模光纤跳线的缓冲层和塑料外套，去除部分长度为20～50cm；然后将去除外套的光纤伸入毛细玻璃管中，末端在酒精灯外焰加热100～150s后，使用3～10mm/s的速度将火焰上端的光纤拉断，光纤末端形成一个锥形，即为锥形光纤；制作的锥形光纤形状与尺寸如图3所示；

步骤2：大肠杆菌悬浮液配备

将大肠杆菌在液态lb培养基中于37℃培养12h，然后用磷酸盐酸缓冲液进行清洗与稀释，直到浓度为1.0×10⁶～1.0×10⁷个/ml；随后将大肠杆菌悬浮液滴加到玻璃片上，将玻璃片放于显微镜的二维移位平台上备用；

步骤3：锥形光纤安装与实验装置

如图2所示，将套有毛细玻璃管4的入射锥形光纤6固定在调节架i5上，出射锥形光纤9固定在调节架ii12上，调节架的调节精度50nm；入射锥形光纤6和出射锥形光纤9的锥形端浸没在大肠杆菌悬浮液中；入射锥形光纤6另一端通过2×1光分束器3连接在激光器a1和激光器b2上，出射锥形光纤9另一端连接在光功率计13上，用来实时监测出射激光的光信号；显微镜15通过ccd进行实时观测，并将观测结果传输至电脑14进行分析；

步骤4：光波导构建与性能探测

如图1所示，往入射锥形光纤6中通入波长为980nm的入射激光，入射激光在入射锥形光纤6末端产生光捕获力，以捕获大肠杆菌，激光进一步在捕获的大肠杆菌中传输，捕获更多的大肠杆菌，形成大肠杆菌队列，构建不同长度的光波导；保持980nm激光开启，构建的光波导稳定；

图4是长度为28.3μm的光波导的具体构建过程，可以看到，往入射锥形光纤6中通入功率为30mw、波长为980nm的激光时，大肠杆菌细胞一个接一个地被捕获在光纤末端，构建了一组长度为28.3μm的光波导；

打开激光器b2，往构建的光波导中通入功率为4.5μw、波长为644nm的红色激光后，在暗场下可以看到激光在波导中的传输，传输过程如图4c～图4f所示，将传导激光的入射功率调节为10.5μw后，激光传输效果更加明显，如图4g和图4h所示。

实施例2

将实施例1中通入入射锥形光纤6的波长为980nm的入射激光，入射功率改为70mw时，构建的光波导长度增加，构建过程如图5所示，保持入射激光功率不变，大肠杆菌逐渐排列延伸，最终形成长度为54.5μm的光波导；

图6则是波长为980nm的激光在入射功率为70mw时的出射功率-波导长度关系图，由图6可知随着波导长度增长，出射功率逐渐减小，图6中实验数据的拟合曲线方程为：pout＝27.3exp(-l/14.8)+1.3，其中pout为出射功率，l为波导长度，传导激光的平均传输损耗为0.29db/μm。

实施例3

由图7a可知，随着入射激光的入射功率增大，构建的光波长长度也随之增长，在入射光功率为15～50mw时，构建的光波导长度范围为9.2μm～41.4μm；由图7b可知，传导激光在大肠杆菌细胞构建的光波导中能够有效的传输，但是随着光波导的增长，传导激光损耗逐渐增大，为了保持传导速度不变，增大传导激光的入射功率；如图7c所示，测量得出波长为980nm的激光在传输之后，出射的归一化光功率随传输距离的增大而减少，图7c的拟合曲线方程为p＝exp(-d/17.3)+0.03，其中p为归一化输出功率，d为传输距离；图7d给出了测量得到的不同长度光波导的总传输损耗，总传输损耗随传输距离的增大而增大，由实验数据可以得到拟合曲线方程为α＝0.57+0.20l，其中α为传输损耗，l为传输距离；光波导对波长为980nm的激光的传输损耗为0.23db/μm。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。