本發(fā)明涉及顯微成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于光纖的微球操縱裝置及顯微成像系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及一種光纖制作方法。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代生物學(xué)和材料科學(xué)的發(fā)展，在微觀結(jié)構(gòu)的研究中對(duì)成像分辨率提出了越來(lái)越高的要求，科學(xué)家希望從分子水平揭示生命過(guò)程和材料性能的物理本質(zhì)。

對(duì)于普通光學(xué)顯微鏡，由于受到光學(xué)衍射極限的限制，其橫向分辨率被限制在200nm以上，這對(duì)于研究深亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)或者細(xì)胞結(jié)構(gòu)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足要求的。為了突破衍射極限的限制，世界各地的科研人員對(duì)此展開(kāi)了深入的研究，其中，最典型的幾種方法包括受激發(fā)射損耗顯微技術(shù)、結(jié)構(gòu)光照明顯微法、隨機(jī)光場(chǎng)重建顯微法、熒光蛋白光激活定位技術(shù)等，但這幾種方法大多基于復(fù)雜數(shù)據(jù)的后續(xù)處理，存在系統(tǒng)較為復(fù)雜、價(jià)格昂貴、效率較低等問(wèn)題，不能被普遍地應(yīng)用。

基于微球納米錐效應(yīng)的超分辨成像技術(shù)，首先由英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)于2011年提出，該技術(shù)采用白光照明光源，激發(fā)樣品產(chǎn)生消逝波，利用微米量級(jí)的微球耦合消逝波，并進(jìn)行空間放大產(chǎn)生放大的虛像，再對(duì)虛像進(jìn)行二次成像，來(lái)獲得樣品表面的超分辨顯微圖像，實(shí)現(xiàn)了基于白光寬場(chǎng)照明達(dá)到遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨的顯微成像。該項(xiàng)技術(shù)基于其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)受到普遍關(guān)注。

目前，應(yīng)用微球的超分辨顯微成像技術(shù)中，由于在掃描成像過(guò)程中微球不能移動(dòng)，因此只能對(duì)微球位置周?chē)膮^(qū)域進(jìn)行成像，在微球位置處會(huì)形成成像盲區(qū)，因此導(dǎo)致不能得到樣品的全部面積成像。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于光纖的微球操縱裝置及顯微成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)利用光束操縱微球移動(dòng)，避免了在掃描成像時(shí)形成成像盲區(qū)，保證得到樣品的全部面積成像。本發(fā)明還提供一種光纖制作方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種基于光纖的微球操縱裝置，包括激光器、光纖分束器和多個(gè)光纖；

多個(gè)所述光纖設(shè)置在微球樣品所在平面內(nèi)，多個(gè)所述光纖至少包括沿第一方向且以所述微球樣品為中心相對(duì)設(shè)置的兩個(gè)所述光纖；

所述光纖具有錐形的尾端，每一所述光纖的尾端正對(duì)所述微球樣品；

所述激光器與所述光纖分束器連接，所述光纖分束器的輸出端分別與所述光纖對(duì)應(yīng)連接。

可選地，多個(gè)所述光纖至少還包括沿第二方向且以所述微球樣品為中心相對(duì)設(shè)置的兩個(gè)所述光纖。

可選地，所述第一方向與所述第二方向垂直設(shè)置。

可選地，還包括微位移操縱臺(tái)，所述光纖由所述微位移操縱臺(tái)固定。

可選地，還包括設(shè)置在所述光纖與所述微位移操縱臺(tái)固定區(qū)域的毛細(xì)玻璃管。

可選地，還包括與所述光纖分束器的一輸出端連接的、用于檢測(cè)光功率的光功率計(jì)。

一種顯微成像系統(tǒng)，包括：

包括物鏡和目鏡的光學(xué)顯微鏡；

如上所述的微球操縱裝置，其中，所述微球操縱裝置的多個(gè)光纖分別對(duì)應(yīng)設(shè)置在載物臺(tái)樣品區(qū)域；

在所述光學(xué)顯微鏡的目鏡一側(cè)設(shè)置的光電成像裝置；

與所述光電成像裝置連接的計(jì)算機(jī)。

一種光纖制作方法，包括：

在單根光纖的中部區(qū)域，將光纖一區(qū)段的保護(hù)層剝除；

將所述光纖的兩端固定，對(duì)剝除保護(hù)層的區(qū)段加熱，同時(shí)在所述光纖的兩端施加軸向拉力，直至將所述光纖拉斷，所述光纖拉斷的一端作為尾端。

可選地，所述將光纖一區(qū)段的保護(hù)層剝除之后還包括：采用酒精棉對(duì)剝除保護(hù)層的光纖區(qū)段的包層進(jìn)行清洗；

所述將所述光纖拉斷之后還包括：采用酒精棉對(duì)形成的光纖尾端進(jìn)行清洗。

可選地，所述將所述光纖的兩端固定，具體包括：將所述光纖的兩端分別固定在可移動(dòng)的V型槽內(nèi)；

所述在所述光纖的兩端施加軸向拉力，具體包括：通過(guò)所述V型槽對(duì)所述光纖的兩端施加軸向拉力。

由上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明所提供的基于光纖的微球操縱裝置及顯微成像系統(tǒng)，所述微球操縱裝置包括激光器、光纖分束器和多個(gè)光纖。多個(gè)光纖設(shè)置在微球樣品所在平面內(nèi)，至少包括沿第一方向且以微球樣品為中心相對(duì)設(shè)置的兩個(gè)光纖，每一光纖的錐形尾端正對(duì)微球樣品。光纖輸出光照射到微球樣品，一部分光被反射，另一部分光被折射，光束方向的改變使光的動(dòng)量發(fā)生改變，基于動(dòng)量守恒原理，微球動(dòng)量會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)操縱微球移動(dòng)。

因此，本發(fā)明基于光纖的微球操縱裝置及顯微成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了利用光束操縱微球移動(dòng)，在掃描成像時(shí)可避免形成成像盲區(qū)，能得到樣品的全部面積成像。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于光纖的微球操縱裝置中光纖的設(shè)置示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種光纖制作方法的流程圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種顯微成像系統(tǒng)的示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明實(shí)施例提供一種基于光纖的微球操縱裝置，包括激光器、光纖分束器和多個(gè)光纖；

多個(gè)所述光纖設(shè)置在微球樣品所在平面內(nèi)，多個(gè)所述光纖至少包括沿第一方向且以所述微球樣品為中心相對(duì)設(shè)置的兩個(gè)所述光纖；

所述光纖具有錐形的尾端，每一所述光纖的尾端正對(duì)所述微球樣品；

所述激光器與所述光纖分束器連接，所述光纖分束器的輸出端分別與所述光纖對(duì)應(yīng)連接。

可以看出，本實(shí)施例微球操縱裝置包括激光器、光纖分束器和多個(gè)光纖，多個(gè)所述光纖設(shè)置在微球樣品所在平面內(nèi)，至少包括沿第一方向且以微球樣品為中心相對(duì)設(shè)置的兩個(gè)光纖，每一光纖的錐形尾端正對(duì)微球樣品。光纖輸出光照射到微球樣品，一部分光被反射，另一部分光被折射，光束方向的改變使光的動(dòng)量發(fā)生改變，基于動(dòng)量守恒原理，微球動(dòng)量會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)操縱微球移動(dòng)。

因此，本發(fā)明基于光纖的微球操縱裝置，應(yīng)用于微球應(yīng)用的顯微成像系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了利用光束操縱微球移動(dòng)，在掃描成像時(shí)可避免形成成像盲區(qū)，保證得到樣品的全部面積成像。

本實(shí)施例微球操縱裝置利用光纖輸出光作用于微球樣品，在輸出光與微球的動(dòng)量傳遞中，微球獲得的動(dòng)量改變量與光束的動(dòng)量改變量等值反向，且微球受到力的大小與入射光強(qiáng)的大小成正比。

在光學(xué)勢(shì)阱作用下微球主要受到兩部分作用力：沿光束傳播方向的軸向力(即散射力)和橫向力(即梯度力，其方向指向最高能量密度點(diǎn))。當(dāng)微球的折射率較周?chē)橘|(zhì)的折射率大，則微球所受的輻射力沿光強(qiáng)梯度的方向；反之，則沿光強(qiáng)梯度的反方向。本實(shí)施例裝置中光纖設(shè)計(jì)為錐形的尾端，可以提供高光強(qiáng)梯度分布的輸出光，可以使光纖輸出端的光能量密度大大提高，使介質(zhì)微球受到力的方向均是指向光束聚焦點(diǎn)的方向，來(lái)作用微球移動(dòng)。

下面對(duì)本發(fā)明基于光纖的微球操縱裝置中光纖的設(shè)置方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

本實(shí)施例微球操縱裝置，多個(gè)所述光纖設(shè)置在微球樣品所在平面內(nèi)，至少包括沿第一方向且以微球樣品為中心相對(duì)設(shè)置的兩個(gè)光纖，通過(guò)沿一個(gè)方向且以微球樣品為中心相對(duì)設(shè)置的兩個(gè)光纖，可以操縱微球在一維方向上移動(dòng)。

在一種優(yōu)選實(shí)施例中，在微球樣品所在平面內(nèi)，設(shè)置沿第一方向且以微球樣品為中心相對(duì)設(shè)置的兩個(gè)光纖，還至少設(shè)置沿第二方向且以微球樣品為中心相對(duì)設(shè)置的兩個(gè)光纖，通過(guò)沿兩個(gè)方向分別設(shè)置的光纖，可以操縱微球在二維平面內(nèi)移動(dòng)。

優(yōu)選的，所述第一方向與所述第二方向可垂直設(shè)置，可參考圖1所示，從圖中可以看到，在相互垂直的兩個(gè)方向上，分別設(shè)置有以微球樣品為中心相對(duì)設(shè)置的兩個(gè)光纖1，光纖1具有錐形的尾端100，每一光纖1的尾端正對(duì)微球樣品。

在其它具體實(shí)施例中，還可進(jìn)一步設(shè)置沿第三方向且以微球樣品為中心相對(duì)設(shè)置的兩個(gè)光纖，通過(guò)第一方向、第二方向以及第三方向上的光纖輸出光束，可以對(duì)微球在平面內(nèi)的位移進(jìn)行更為精確的操縱控制，

本實(shí)施例裝置中光纖具有錐形的尾端，通過(guò)錐形的尾端可以使光纖輸出端的光能量密度大大提高，輸出具有高光強(qiáng)梯度分布的輸出光束，使得輸出光的輻射力沿光束傳播方向，能夠在較大距離范圍內(nèi)對(duì)微球進(jìn)行操縱。下面本實(shí)施例提供一種光纖制作方法，請(qǐng)參考圖2，本實(shí)施例光纖制作方法包括步驟：

S1：在單根光纖的中部區(qū)域，將光纖一區(qū)段的保護(hù)層剝除。

具體的，可以利用光纖剝皮鉗，將單根光纖中部區(qū)域的一區(qū)段的保護(hù)層剝除。進(jìn)一步可采用酒精棉對(duì)剝除保護(hù)層的光纖區(qū)段的包層進(jìn)行清洗，清洗干凈。

S2：將所述光纖的兩端固定，對(duì)剝除保護(hù)層的區(qū)段加熱，同時(shí)在所述光纖的兩端施加軸向拉力，直至將所述光纖拉斷，所述光纖拉斷的一端作為尾端。

具體的，可以通過(guò)將所述光纖的兩端分別固定在可移動(dòng)的V型槽內(nèi)，將所述光纖的兩端固定。然后采用氫氧焰對(duì)光纖剝除保護(hù)層的區(qū)段進(jìn)行加熱，同時(shí)，在光纖兩端通過(guò)V型槽對(duì)所述光纖的兩端施加軸向拉力，直至將光纖拉斷，光纖拉斷的一端作為尾端。并進(jìn)一步采用酒精棉對(duì)形成的光纖尾端進(jìn)行清洗。

本實(shí)施例提供的微球操縱裝置，可參考圖3，光纖分束器3與激光器2連接，它的輸出端分別與光纖1對(duì)應(yīng)連接。本實(shí)施例中光纖1優(yōu)選采用單模光纖，并且為了使激光器的輸出光可以高效地耦合進(jìn)入單模光纖中，激光器2輸出端以單模光纖輸出。另外，由于需要在水中對(duì)介質(zhì)微球進(jìn)行操縱，因此為減少水對(duì)激光光源功率的損耗，優(yōu)選采用輸出光波長(zhǎng)為980nm的功率可調(diào)諧式激光器。

所述微球操縱裝置還包括微位移操縱臺(tái)4，每一光纖1由微位移操縱臺(tái)4固定。通過(guò)微位移操縱臺(tái)4可以比較精確地控制光纖在水平面上移動(dòng)，以操縱液體中微球移動(dòng)。

優(yōu)選的，在所述光纖分束器3的另一輸出端可連接用于檢測(cè)光功率的光功率計(jì)5，通過(guò)光功率計(jì)5檢測(cè)激光器2的輸出功率。若所述裝置設(shè)置四個(gè)光纖，所述光纖分束器3可采用1×5光纖分束器，其中四個(gè)輸出端與操縱光纖分別連接，另一輸出端接光功率計(jì)5。

光纖1固定在微位移操縱臺(tái)4上，優(yōu)選的，為了減少光纖剛度低產(chǎn)生彎曲影響微球操縱的精度，可在所述光纖1的與所述微位移操縱臺(tái)4固定區(qū)域設(shè)置毛細(xì)玻璃管6，在光纖1外套上毛細(xì)玻璃管6，增加其剛度。

本實(shí)施例基于光纖的微球操縱裝置，應(yīng)用于微球應(yīng)用的顯微成像系統(tǒng)中，利用光纖輸出光束作用于液體中的微球，可以實(shí)現(xiàn)操縱微球移動(dòng)。在掃描成像時(shí)避免形成成像盲區(qū)，保證形成樣品的全部面積成像。本實(shí)施例微球操縱裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，成本低，效率高，能夠得到普遍和廣泛的應(yīng)用。本實(shí)施例裝置可實(shí)現(xiàn)操縱微球在二維平面內(nèi)移動(dòng)，可進(jìn)行定點(diǎn)位置的超分辨成像，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)物體進(jìn)行跟蹤成像。

相應(yīng)的，本發(fā)明實(shí)施例還提供一種顯微成像系統(tǒng)，可參考圖3，為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種顯微成像系統(tǒng)的示意圖，所述顯微成像系統(tǒng)包括：

包括物鏡和目鏡的光學(xué)顯微鏡7；

如上所述的微球操縱裝置，其中，所述微球操縱裝置的多個(gè)光纖分別對(duì)應(yīng)設(shè)置在載物臺(tái)樣品區(qū)域；

在所述光學(xué)顯微鏡的目鏡一側(cè)設(shè)置的光電成像裝置8；

與所述光電成像裝置連接的計(jì)算機(jī)9。

通過(guò)光學(xué)顯微鏡7、光電成像裝置8形成樣品的像，輸出到計(jì)算機(jī)9進(jìn)行顯示。所述光電成像裝置8具體可采用CCD相機(jī)。

所述顯微成像系統(tǒng)包括微位移操縱臺(tái)4、毛細(xì)玻璃管6、激光器2、光纖分束器3以及光功率計(jì)5，具體各部分功能及設(shè)置方式均可參考上實(shí)施例內(nèi)容所述。

在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)樣品進(jìn)行顯微成像觀察時(shí)，先在光學(xué)顯微鏡7載物臺(tái)樣品區(qū)域的對(duì)應(yīng)設(shè)置光纖1，分別由微位移操縱臺(tái)4固定；激光器2的輸出端與光纖分束器3連接，光纖分束器3的一輸出端接光功率計(jì)5，其他輸出端分別與光纖1對(duì)應(yīng)連接。將光纖固定好之后，將樣品放在載物臺(tái)10上，在樣品上滴注幾滴含微球的懸浮液，微球可采用直徑為5μm的二氧化硅小球(n＝1.46)。通過(guò)光纖輸出光束驅(qū)動(dòng)微球，在至少兩個(gè)方向上設(shè)置光纖，可以操縱微球在二維平面內(nèi)移動(dòng)進(jìn)行掃描成像。經(jīng)光學(xué)顯微鏡7和CCD相機(jī)8將樣品的像輸出到計(jì)算機(jī)9。

以上對(duì)本發(fā)明所提供的一種基于光纖的微球操縱裝置及顯微成像系統(tǒng)、光纖制作方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹。本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。