專利名稱：一種基于光纖的磁鑷探針的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁鑷探針，特別是一種基于光纖的磁鑷探針。
背景技術(shù)：
磁鑷是利用外加磁場控制微米或納米尺寸磁性顆粒進(jìn)行微操控的技術(shù)，自1949 年以來被Crick F. H. C等人首次將其引入到分子生物學(xué)領(lǐng)域[Crick F. H. C, Hughes Α. F. W, The physical properties of cytoplasm -.a study by means of the magnetic particle method, Exp. Cell. Res. 1 =37-80,1949]。采用磁鑷對(duì)生物大分子進(jìn)行生物操控可以研究細(xì)胞內(nèi)特性，確定單個(gè)細(xì)胞力學(xué)性質(zhì)，批量分離采用磁性小球標(biāo)記的細(xì)胞等重要應(yīng)用。由于磁鑷對(duì)細(xì)胞及生物大分子操作過程不會(huì)引起損傷而成為生物操控主要技術(shù)之一。與光鑷、 AFM及微毛細(xì)管探針等分子操控技術(shù)相比，磁鑷具有非接觸、對(duì)生物樣品損傷小，能施加穩(wěn)定的、大小合適的力等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于分子生物學(xué)領(lǐng)域。磁鑷操控的基本步驟是把經(jīng)過生化修飾的DNA分子或其它生物大分子(即在 DNA分子或其它生物大分子的兩端修飾上不同的功能基)的末端固定在修飾有抗體的磁性小球或基板上，通過外加能產(chǎn)生磁場的磁極或磁鑷探針捕捉和控制磁性小球，從而實(shí)現(xiàn)分子操控。在這一過程中，磁鑷的磁極或磁鑷探針的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)生物分子俘獲和操控的關(guān)鍵。磁鑷磁極有采用永磁體制作的單磁極或多磁極構(gòu)造的磁場來實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的控制[S. B. Smith, LFinzi，C. Bustamante, Direct mechanical measurements of the elasticity of single DNA molecules by using magnetic beads， Science 258,1122， 1992]。國外有人采用粗導(dǎo)電線圈復(fù)繞在軟磁芯或鐵鈷芯制作的磁極來實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的操控[F. Zienmann，J. Radler，E. Sackmann，Local measurements of viscoelastic moduli of entangled actin networks using an oscillating magnetic bead micro—rheometer， Biophys. J. 66. 2210，1994 ；Charbel Haber，Denis Wirtz, Magnetic tweezers for DNA micromanipulation, Review of Scientific Instruments, J. 71,4561,2000 ；H. B.Anthony de Vries,Bea E. Krenn,Roel van Driel，Johhannes S. KangeriMicro magnetic tweezers for nanomanipulation inside live cells，Biophys· J· 88，2137，2005]。但這類磁鑷使用的磁極由于釆用了體積巨大的永磁體或粗線圈，存在體積大、功耗大，磁極無法靈活移動(dòng)，同時(shí)通電線圈為產(chǎn)生足夠大的磁場需復(fù)雜的散熱結(jié)構(gòu)，造價(jià)昂貴。為了克服這些不足， Chi-Han Chiou等人提出了利用平板微線圈制作了多磁極實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的操控[Chi-Han ChiouiGwo-Bin Lee,A micromachined DNA manipulation platform for the stretching and rotation of a single DNA molecule，J. Micromech. Microeng.，15，109，2005 ； Chi—Han Chiou,Yu-Yen Huang，Meng-Han Chiang，Huei—Huang Lee and Gwo-Bin Lee,New magnetic tweezers for investigation of the mechanical properties of single DNA molecule^Nanotechnology，17，1217，2006]。利用平板微線圈制作的磁鑷探針雖實(shí)現(xiàn)了微型化，但線圈復(fù)繞圈數(shù)少，產(chǎn)生磁場不強(qiáng)，探針無法移動(dòng)，對(duì)生物分子俘獲和操控的靈活性欠佳。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種體積小、無須復(fù)雜散熱結(jié)構(gòu)、能產(chǎn)生磁場大小和方向可調(diào)、能靈活移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的俘獲、操控以及光學(xué)操作功能的基于光纖的磁鑷探針。本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案本發(fā)明基于光纖的磁鑷探針的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是以表面具有磁芯層的光纖構(gòu)成針芯，經(jīng)光纖傳輸?shù)墓馐梢詮尼樞镜那岸嗣嫔涑?；在所述針芯的外周由?nèi)向外依次設(shè)置內(nèi)導(dǎo)熱絕緣層、微螺旋線圈，外導(dǎo)熱絕緣層和屏蔽層。本發(fā)明基于光纖的磁鑷探針的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于所述光纖為單芯光纖或多芯光纖。所述針芯的前段設(shè)置為呈鉛筆頭狀的探針頭，經(jīng)光纖傳輸?shù)墓馐鴱奶结橆^的前端面出射。所述探針頭的前端面為平表面或?yàn)榍蚬诿?。所述光纖表面的磁芯層是采用真空鍍膜、或電子束鍍膜、或磁控濺射鍍膜制作的磁性材料薄膜層。所述內(nèi)導(dǎo)熱絕緣層是采用導(dǎo)熱絕緣材料制作的導(dǎo)熱絕緣薄膜層。所述微螺旋線圈是對(duì)采用真空鍍膜、或電子束鍍膜、或磁控濺射鍍膜形成的導(dǎo)電薄膜層微加工制作而成。所述外導(dǎo)熱絕緣層是采用導(dǎo)熱絕緣材料制作的導(dǎo)熱絕緣薄膜層。所述屏蔽層是采用真空鍍膜、或電子束鍍膜、或磁控濺射鍍膜制作的金屬薄膜層。所述微螺旋線圈是單層線圈或是多層線圈由內(nèi)而外疊加結(jié)構(gòu)。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在1、本發(fā)明由于采用微螺旋線圈，體積小、可靈活移動(dòng)，探針頭具有與生物分子相近的尺寸，可實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的俘獲和操控。2、本發(fā)明磁鑷探針頭可產(chǎn)生足夠強(qiáng)的磁場，且可實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的近距離操作， 還可通過調(diào)節(jié)微螺旋線圈電流的大小和方向，改變操作力的大小和方向。3、本發(fā)明利用光纖將激光傳導(dǎo)至探針頭出射，可實(shí)現(xiàn)對(duì)俘獲的生物分子的光學(xué)操作。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明中光纖示意圖。圖中標(biāo)號(hào)1光纖；2磁芯層；3內(nèi)導(dǎo)熱絕緣層；4微螺旋線圈；5外導(dǎo)熱絕緣層；6屏蔽層。
具體實(shí)施例方式參見圖1、圖2，本實(shí)施例是以表面具有磁芯層2的光纖1構(gòu)成針芯，經(jīng)光纖傳輸?shù)墓馐梢詮尼樞镜那岸嗣嫔涑?；在針芯的外周由?nèi)向外依次設(shè)置內(nèi)導(dǎo)熱絕緣層3、微螺旋
4線圈4，外導(dǎo)熱絕緣層5和屏蔽層6。具體實(shí)施中，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)置也包括光纖1為單芯光纖或多芯光纖，單芯光纖可實(shí)現(xiàn)激光光束由針芯前端面準(zhǔn)直輸出，對(duì)生物分子進(jìn)行光學(xué)操作；也可采用多芯光纖，如對(duì)稱雙芯光纖，將激光經(jīng)兩光纖芯輸出，可對(duì)生物分子形成光鑷作用力，與磁鑷作用構(gòu)成復(fù)合生物分子操作；針芯的前段設(shè)置為呈鉛筆頭狀的探針頭，由于探針頭覆蓋的磁性材料，鉛筆頭狀的探針頭的尖端可增強(qiáng)螺旋線圈產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度，對(duì)生物分子形成足夠大的磁作用力，經(jīng)光纖傳輸?shù)墓馐鴱奶结橆^的前端面出射；探針頭的前端面為平表面或?yàn)榍蚬诿?，平表面可直接將光束?dǎo)出，形成對(duì)被操作生物分子熒光照明，而球冠面可類似透鏡對(duì)輸出光束形成匯聚作用，對(duì)生物分子形成光鑷操作光場；光纖表面的磁芯層2是采用真空鍍膜、或電子束鍍膜、或磁控濺射鍍膜制作的磁性材料薄膜層；內(nèi)導(dǎo)熱絕緣層3是采用導(dǎo)熱絕緣材料制作的導(dǎo)熱絕緣薄膜層；微螺旋線圈4是對(duì)采用真空鍍膜、或電子束鍍膜、或磁控濺射鍍膜形成的導(dǎo)電薄膜層微加工制作而成；外導(dǎo)熱絕緣層5是采用導(dǎo)熱絕緣材料制作的導(dǎo)熱絕緣薄膜層；屏蔽層6是采用真空鍍膜、或電子束鍍膜、或磁控濺射鍍膜制作的金屬薄膜層；微螺旋線圈4是單層線圈或是多層線圈由內(nèi)而外疊加結(jié)構(gòu)，將線圈層數(shù)增加將可增強(qiáng)通電線圈產(chǎn)生的總磁場，在磁操作力一定的條件下，通電電流可以更低，降低線圈發(fā)熱和功耗。制作過程1、光纖的處理取一段單芯玻璃光纖，將其表面涂覆層剝除，用酒精超聲振蕩清洗表面，烘干待用；2、磁鑷探針頭處理將光纖一端利用光纖端研磨系統(tǒng)進(jìn)行研磨加工成如圖2所示錐體，錐體頂部為直徑10-20微米的圓平面，半錐角為15° -20°左右，將研磨后的光纖進(jìn)行超聲清洗并烘干；3、磁芯層和內(nèi)導(dǎo)熱絕緣層制作將光纖放入真空鍍膜機(jī)，抽真空達(dá)到鍍膜要求 10_3Pa，靶材為純鐵，用旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置使光纖勻速旋轉(zhuǎn)，控制鍍膜時(shí)間，獲得表面鍍軟鐵光纖，鍍層厚度為10-15微米；將光纖取出，將其表面采用epotek-930導(dǎo)熱絕緣固化膠壓膜封裝，膜厚為30-50微米，在高溫烘箱中設(shè)置150°C固化15分鐘，待固化完成后取出冷卻待用；4、微螺旋線圈制作將步驟3處理后的光纖采用與步驟3相同的鍍膜方法進(jìn)行鍍膜，鍍膜材料為純銀，膜厚為50-60微米；采用標(biāo)準(zhǔn)光刻微加工工藝對(duì)銀層進(jìn)行微加工，最終制作出螺旋結(jié)構(gòu)的銀線圈，線圈圈數(shù)為100，線圈寬度為50-55微米，線圈螺距為30-45微米，并將線圈兩端與直徑為120微米漆包銅導(dǎo)線焊接，制作出可以與外界電源相連的引線。5、外導(dǎo)熱絕緣層及屏蔽層制作在微螺旋線圈層外鍍制導(dǎo)熱絕緣層，厚度為 30-50微米；將其放入真空鍍膜機(jī)，鍍一層金屬銅膜，膜厚為10-20微米。
權(quán)利要求
1.一種基于光纖的磁鑷探針，其特征是以表面具有磁芯層(2)的光纖(1)構(gòu)成針芯，經(jīng)光纖傳輸?shù)墓馐梢詮尼樞镜那岸嗣嫔涑?；在所述針芯的外周由?nèi)向外依次設(shè)置內(nèi)導(dǎo)熱絕緣層(3)、微螺旋線圈G)，外導(dǎo)熱絕緣層(5)和屏蔽層(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖的磁鑷探針，其特征是所述光纖為單芯光纖或多芯光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖的磁鑷探針，其特征是所述針芯的前段設(shè)置為呈鉛筆頭狀的探針頭，經(jīng)光纖傳輸?shù)墓馐鴱奶结橆^的前端面出射。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于光纖的磁鑷探針，其特征是所述探針頭的前端面為平表面或?yàn)榍蚬诿妗?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖的磁鑷探針，其特征是所述光纖表面的磁芯層(2) 是采用真空鍍膜、或電子束鍍膜、或磁控濺射鍍膜制作的磁性材料薄膜層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖的磁鑷探針，其特征是所述內(nèi)導(dǎo)熱絕緣層C3)是采用導(dǎo)熱絕緣材料制作的導(dǎo)熱絕緣薄膜層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖的磁鑷探針，其特征是所述微螺旋線圈(4)是對(duì)采用真空鍍膜、或電子束鍍膜、或磁控濺射鍍膜形成的導(dǎo)電薄膜層微加工制作而成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖的磁鑷探針，其特征是所述外導(dǎo)熱絕緣層( 是采用導(dǎo)熱絕緣材料制作的導(dǎo)熱絕緣薄膜層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖的磁鑷探針，其特征是所述屏蔽層(6)是采用真空鍍膜、或電子束鍍膜、或磁控濺射鍍膜制作的金屬薄膜層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖的磁鑷探針，其特征是所述微螺旋線圈(4)是單層線圈或是多層線圈由內(nèi)而外疊加結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于光纖的磁鑷探針，其特征是以表面具有磁芯層的光纖構(gòu)成針芯，經(jīng)光纖傳輸?shù)墓馐梢詮尼樞镜那岸嗣嫔涑?；在針芯的外周由?nèi)向外依次設(shè)置內(nèi)導(dǎo)熱絕緣層、微螺旋線圈，外導(dǎo)熱絕緣層和屏蔽層。本發(fā)明體積小、無須復(fù)雜散熱結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生的磁場大小和方向可調(diào)、能靈活移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的俘獲、操控以及光學(xué)操作的功能。
文檔編號(hào)G01N33/48GK102393450SQ201110220889
公開日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月3日
發(fā)明者俞本立, 馮飛, 呂衛(wèi)衛(wèi), 徐峰, 曹志剛, 朱軍, 武為江 申請(qǐng)人:安徽大學(xué)