專利名稱：基于線陣光鑷的微小顆粒篩選分離裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種微小顆粒篩選分離裝置，特別是 一種基于線陣光鑷的微小顆粒篩選分離裝置，主要用于生物分子、生物細(xì) 胞、病毒、納米團簇、膠體顆粒、介質(zhì)顆粒等微小顆粒的篩選分離。 技術(shù)背景在環(huán)境分析、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)醫(yī)療、國防安全、先進制造等許多領(lǐng)域 存在大量的微小顆粒篩選分離需求，并且對檢測靈敏度的要求越來越高。 傳統(tǒng)的物理分離系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足時日增長的微小顆粒篩選分離需求，特 別是對于有生命的活體顆粒分離，更是存在對活體顆粒影響大、易于破壞 等不足。隨著人們對激光的深入研究，正確地認(rèn)識了激光光束的光學(xué)角動 量和光學(xué)梯度力性質(zhì)，研究了光場與光場中微小顆粒的相互作用，成功地 研究開發(fā)了利用激光操縱控制微小顆粒的系統(tǒng)和裝置，通常稱光學(xué)操縱控 制微小顆粒的系統(tǒng)為光鑷技術(shù)?；诠忤囋淼奈⑿☆w粒篩選分離系統(tǒng)由 于具有可連續(xù)進行篩選分離、對活體微小顆粒物損害、結(jié)構(gòu)簡單、篩選分 離效率高、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點，備受關(guān)注，成為微小顆粒篩選分離技術(shù)重要 發(fā)展趨勢之一。現(xiàn)有技術(shù)中，有一種微小顆粒光學(xué)篩選分離系統(tǒng)(參見美國專禾ll "Optical fractionation method and apparatus", 專利號US 7，233，423，B2)。該微小顆粒篩選分離系統(tǒng)盡管具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)點，但是，仍 然存在一些不足1)在先技術(shù)中的一種微小顆粒光學(xué)篩選分離系統(tǒng)是利用 光鑷陣列，光鑷陣列采用全息光鑷系統(tǒng)產(chǎn)生，所以，用于篩選分離的微小 顆粒光場分布復(fù)雜，需要兩維排布，并且，兩維陣列光場產(chǎn)生所需光學(xué)系 統(tǒng)具有一定復(fù)雜程度；2)微小顆粒篩選分離采用整體結(jié)構(gòu)中入出口為兩個， 并且均與所需被分離顆?；旌衔锏耐ǖ懒鹘?jīng)方向呈一定夾角，流入分離區(qū) 顆粒初始速度矢量不同會影響微小顆粒篩選分離效率，并且，系統(tǒng)中分離 篩選種類和精度受到限制；3)微小顆粒被光學(xué)篩選分離過程中，顆粒運動是從一個光鑷位置到另一個光鑷位置，但是每次在光鑷間運動時，均需要克服光鑷間的光學(xué)勢壘，從而影響微小顆粒篩選分離效率。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于線陣光鑷的微小 顆粒篩選分離裝置，具有線陣光場可控性好、多通道分離、微小顆粒篩選 分離效率高、整體結(jié)構(gòu)簡單等特點。本發(fā)明的基本構(gòu)思是利用光學(xué)干涉條文的光梯度力分布形成線陣光 鑷，線陣光鑷的方向和移動特定可以通過調(diào)節(jié)干涉光路中的反射鏡傾角和 位移實現(xiàn)。含有所需篩選分離的微小顆粒的混合流體經(jīng)過篩選分離池的入 口，進入線陣光鑷區(qū)域，同時受流動推力和線陣光鑷對微小顆粒施加的光 梯度力作用。由于線陣光鑷與微小顆粒流動方向存在夾角，微小顆粒流經(jīng) 光場過程中，運行軌跡發(fā)生偏離。不同性質(zhì)的微小顆粒受到的光梯度力不 同，會通過篩選分離池側(cè)壁不同位置上的出孔分離流出，實現(xiàn)篩選分離。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為包括相干光源、同側(cè)反射鏡、分光鏡、異 側(cè)反射鏡、聚焦鏡和篩選分離池。分光鏡設(shè)置在相干光源的出射光束光路 上；同側(cè)反射鏡設(shè)置在分光鏡的反射光路上，其反射面與分光鏡的反射光 路垂直；異側(cè)反射鏡設(shè)置在分光鏡的透射光路上，其反射面與分光鏡的透 射光路垂直；聚焦鏡設(shè)置在同側(cè)反射鏡的反射光路上，同側(cè)反射鏡和聚焦鏡設(shè)置在分光鏡的兩側(cè)。聚焦鏡的焦平面處設(shè)置有篩選分離池。所述的篩選分離池包括篩選分離腔，篩選分離腔的前端設(shè)置有流體入 口、后端設(shè)置有流體出口，篩選分離腔的側(cè)邊靠近流體出口的位置設(shè)置有 顆粒分離出口。篩選分離腔設(shè)置在聚焦鏡干涉條紋陣列區(qū)域，流體入口、流體出口與 篩選分離腔同軸，顆粒分離出口設(shè)置在篩選分離腔體側(cè)壁上，光學(xué)干涉條 紋與篩選分離腔軸向之間存在夾角。所述的相干光源為氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器、染料激 光器、自由電子激光器的一種。所述的聚焦鏡為普通聚焦透鏡、消色差物鏡、復(fù)消色差物鏡、平場消 色差物鏡、平場復(fù)消色差物鏡的一種。本發(fā)明的工作過程為相干光源發(fā)射出相干光束，相干光束經(jīng)過分光鏡 發(fā)生分光，反射光束射向同側(cè)反射鏡，在同側(cè)反射鏡上發(fā)生反射，由于光 束與同側(cè)反射鏡反射平面垂直，反射光沿光束入射方向返回，再次在分光 鏡發(fā)生分光，此時分光鏡的透射光束傳向聚焦鏡；光源發(fā)射部件發(fā)射出相干光束經(jīng)過分光鏡發(fā)生分光，透射光束經(jīng)過異側(cè)反射鏡反射，由于光束與 異側(cè)反射鏡反射平面垂直，異側(cè)反射鏡反射光束沿光束入射方向返回，再次在分光鏡發(fā)生分光，此時分光鏡的反射光束傳向聚焦鏡；在物鏡的聚焦 區(qū)域是同側(cè)反射鏡和異側(cè)反射鏡反射光束的相干條紋。調(diào)節(jié)同側(cè)反射鏡或 異側(cè)反射鏡的傾角可以改變相干條紋的方向和疏密，調(diào)節(jié)同側(cè)反射鏡或異 側(cè)反射鏡沿著入射光束方向移動，可以使相干條紋發(fā)生平移。干涉條紋存 就是呈現(xiàn)條紋形光強分布，所以光學(xué)梯度力也是干涉條紋形分布。含有所 需篩選分離的微小顆粒的混合流體經(jīng)過篩選分離池的入口，進入篩選分離 腔體，即線陣光鑷的光場區(qū)域，在光場區(qū)域中微小顆粒受到流動方向上的 推力作用，同時，也有線陣光鑷對微小顆粒施加的光梯度力。由于線陣光 鑷與微小顆粒流動方向存在一個夾角，所以，微小顆粒流經(jīng)光場過程中， 運行軌跡發(fā)生偏離。不同性質(zhì)的微小顆粒受到的光梯度力不同，所以，不 同性質(zhì)的微小顆粒會通過篩選分離池側(cè)壁不同位置上的顆粒分離出口分離 流出。也可以通過調(diào)節(jié)線陣光鑷與微小顆粒流動方向之間的夾角，使得同 一種微小顆粒流經(jīng)篩選分離池側(cè)壁上的不同位置顆粒分離出口 。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點1)對活體微小顆?？梢詫崿F(xiàn)無損篩 選分離；2)線陣光場可控性好；3)多通道分離；4)微小顆粒篩選分離效 率高；5)整體結(jié)構(gòu)簡單。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1中篩選分離池的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。本實施例的一種基于線陣光鑷的微小顆粒篩選分離裝置，具體結(jié)構(gòu)如 圖l和圖2所示?；诰€陣光鑷的微小顆粒篩選分離裝置，包括相干光源1、同側(cè)反射鏡2、分光鏡3、異側(cè)反射鏡4、聚焦鏡5和篩選分離池6。分光鏡3設(shè)置 在相干光源1出射激光束光路上，被分光鏡3反射的反射光束光路上置有 同側(cè)反射鏡2，反射光束與同側(cè)反射鏡2反射面垂直，分光鏡3透射光束 光路上置有異側(cè)反射鏡4，透射光束與異側(cè)反射鏡4反射面垂直。聚焦鏡5 設(shè)置在同側(cè)反射鏡2反射光束上，并且與同側(cè)反射鏡2分別設(shè)置在反射鏡 3兩側(cè)。篩選分離池6，包括流體入口601、篩選分離腔體604、流體出口 605和顆粒分離出口 606，篩選分離腔體604設(shè)置在聚焦鏡干涉條紋陣列 602區(qū)域，流體入口 601、流體出口 605與篩選分離腔體604共軸，顆粒分 離出口 606設(shè)置在篩選分離腔體604側(cè)壁上，光學(xué)干涉條紋陣列602與篩 選分離腔體604軸向之間存在夾角。本實施例中相干光源1為混合氣體氪離子激光器，同側(cè)反射鏡2和異 側(cè)反射鏡4均為平面反射鏡，反射鏡3為半透半反鏡，聚焦鏡5為平場復(fù) 消色差顯微物鏡，篩選分離池6由玻璃材料制成，篩選分離腔體腔體604 橫截面為矩形。本發(fā)明的工作過程為光源發(fā)射部件1發(fā)射出相干光束，相干光束經(jīng)過 分光鏡3發(fā)生分光，反射光束射向同側(cè)反射鏡2，在同側(cè)反射鏡2上發(fā)生 反射，由于光束與同側(cè)反射鏡2反射平面垂直，反射光沿光束入射方向返 回，再次在分光鏡3發(fā)生分光，此時分光鏡3的透射光束傳向聚焦鏡5; 光源發(fā)射部件1發(fā)射出相干光束經(jīng)過分光鏡3發(fā)生分光，透射光束經(jīng)過異 側(cè)反射鏡4反射，由于光束與異側(cè)反射鏡4反射平面垂直，異側(cè)反射鏡4 反射光束沿光束入射方向返回，再次在分光鏡3發(fā)生分光，此時分光鏡3 的反射光束傳向聚焦鏡5;在聚焦鏡5的聚焦區(qū)域是同側(cè)反射鏡2和異側(cè) 反射鏡4反射光束的相干條紋。調(diào)節(jié)同側(cè)反射鏡2或異側(cè)反射鏡4的傾角 可以改變相干條紋的方向和疏密，調(diào)節(jié)同側(cè)反射鏡2或異側(cè)反射鏡4沿著 入射光束方向移動，可以使相干條紋發(fā)生平移。干涉條紋存就是呈現(xiàn)條紋 形光強分布，所以光學(xué)梯度力也是干涉條紋形分布。含有所需篩選分離的 微小顆粒603的混合流體經(jīng)過篩選分離池的流體入口 601，進入篩選分離 腔體604，即線陣光鑷的光場區(qū)域，在光場區(qū)域中微小顆粒603受到流動方向上的推力作用，同時，也有線陣光鑷對微小顆粒施加的光梯度力。由
于線陣光鑷與微小顆粒603流動方向存在一個夾角，所以，微小顆粒流經(jīng)
光場過程中，運行軌跡發(fā)生偏離。不同性質(zhì)的微小顆粒受到的光梯度力不 同，所以，不同性質(zhì)的微小顆粒會通過篩選分離池側(cè)壁不同位置上的顆粒
分離出口 606分離流出。也可以通過調(diào)節(jié)線陣光鑷與微小顆粒流動方向之 間的夾角，使得同一種微小顆粒流經(jīng)篩選分離池側(cè)壁上的不同位置顆粒分 離出口，實施例表明本發(fā)明完全克服了在先技術(shù)不足，具有對活體微小顆 ?？梢詫崿F(xiàn)無損篩選分離、線陣光場可控性好、多通道分離、微小顆粒篩 選分離效率高、整體結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。
權(quán)利要求
1. 基于線陣光鑷的微小顆粒篩選分離裝置，包括相干光源、同側(cè)反射鏡、分光鏡、異側(cè)反射鏡、聚焦鏡和篩選分離池，其特征在于分光鏡設(shè)置在相干光源的出射光束光路上；同側(cè)反射鏡設(shè)置在分光鏡的反射光路上，其反射面與分光鏡的反射光路垂直；異側(cè)反射鏡設(shè)置在分光鏡的透射光路上，其反射面與分光鏡的透射光路垂直；聚焦鏡設(shè)置在同側(cè)反射鏡的反射光路上，同側(cè)反射鏡和聚焦鏡設(shè)置在分光鏡的兩側(cè)；聚焦鏡的焦平面處設(shè)置有篩選分離池；所述的篩選分離池包括篩選分離腔，篩選分離腔的前端設(shè)置有流體入口、后端設(shè)置有流體出口，篩選分離腔的側(cè)邊靠近流體出口的位置設(shè)置有顆粒分離出口。
2、 如權(quán)利要求l所述的基于線陣光鑷的微小顆粒篩選分離裝置，其特 征在于所述的相干光源為氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器、染 料激光器、自由電子激光器中的一種。
3、 如權(quán)利要求l所述的基于線陣光鑷的微小顆粒篩選分離裝置，其特 征在于所述的聚焦鏡為普通聚焦透鏡、消色差物鏡、復(fù)消色差物鏡、平 場消色差物鏡、平場復(fù)消色差物鏡中的一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于線陣光鑷的微小顆粒篩選分離裝置?，F(xiàn)有篩選分離裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單通道分離，分離效率低。本發(fā)明由光源發(fā)射部件、反射鏡、分光鏡形成邁克爾遜干涉條紋，被聚焦物鏡聚焦到篩選分離池，利用干涉條文的光梯度力分布形成線陣光鑷，含有所需篩選分離的微小顆粒的混合流體經(jīng)過篩選分離池的入口，進入線陣光鑷區(qū)域，同時受流動推力和線陣光鑷對微小顆粒施加的光梯度力作用。由于線陣光鑷與微小顆粒流動方向存在夾角，不同性質(zhì)的微小顆粒受到的光梯度力不同，會通過篩選分離池側(cè)壁不同位置上的出孔分離流出，實現(xiàn)篩選分離。本發(fā)明具有線陣光場可控性好、多通道分離、微小顆粒篩選分離效率高、整體結(jié)構(gòu)簡單等特點。
文檔編號G01N1/34GK101294878SQ200810061919
公開日2008年10月29日 申請日期2008年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月27日
發(fā)明者高秀敏 申請人:杭州電子科技大學(xué)