[發明專利]具有錐體圓臺纖端結構的多芯光纖細胞傳感器

在審

• 申請號: 201910138180.2
• 申請日: 2019-02-25
• 公開（公告）號: CN109870431A
• 公開（公告）日: 2019-06-11
• 發明（設計）人: 苑婷婷;張曉彤;苑立波
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: G01N21/63
• 分類號: G01N21/63;G01N21/41;G01N21/84;G01N21/01;G02B6/02
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本發明提供的是一種具有錐體圓臺纖端結構的多芯光纖細胞傳感器系統。該“光纖?細胞”傳感器系統主要是由以下三個部分組成：(1)具有新型結構的多芯光纖，該光纖端被拋磨成旋轉對稱的錐體圓臺形，制備成光鑷；(2)微球形光學諧振腔，腔內具有放大功能的增益介質，可以分布在球內、球外或球殼表層，該微球可以是被注入細胞的油滴，也可以是被細胞吞噬到內部的微球；(3)置于液體中的待測活體單細胞。細胞內部微球光學諧振腔的輸出光譜對細胞內部細胞液等環境物理參量微弱的變化非常敏感，可以通過多芯錐體光纖的激光輸出信號得到放大測量。本發明可用于單細胞捕獲、細胞激光光譜測量，可廣泛用于單細胞操縱、傳感、測量及分析技術領域。

(一)技術領域

本發明涉及的是一種具有錐體圓臺纖端結構的多芯光纖細胞傳感器，可用于單細胞捕獲、細胞激光光譜測量，屬于單細胞操縱、測量及分析技術領域。

(二)背景技術

1960年美國科學家T.H.梅曼等人成功創造出世界上第一臺紅寶石晶體激光器，1961年A.賈文等人成功研制出氦氖激光器，1962年R.N.霍耳等人研制出砷化鎵半導體激光器。激光器的誕生標志著人們有能力調控多個光子的發射方向、相位、頻率和偏振等，使人們對光的認識和應用達到了更高的水平。激光器在微型化和交叉學科方向表現出超乎想象的應用價值，因此光流體激光器這一領域便應運而生。光流體是結合光學和流體各自獨特的優勢而形成的一個多學科交叉的新型研究領域，其概念在2003年由美國加州理工大學提出，生物機體因存在天然的液體環境，在生物醫療診斷、傳感探測和成像等領域有著非常廣泛的應用前景。

細胞傳感器是一種特殊的光流體激光器(激光與光電子學進展，細胞激光器研究進展及應用綜述，2018,55：120001)，可以在體外模擬生物體生存的液體環境或者直接在生物體內，在外界能量的激勵下實現細胞的激光輸出。相比于目前生物醫學各個領域中常用到的熒光信號探測方法,采用激光信號探測的方式具有其自身獨特的優勢，首先，激光信號是受激輻射光不同于熒光信號的自發輻射光，在經過諧振腔的信號放大反饋后會有良好的方向性；其次，當激勵源激光信號高于閾值時，工作粒子輸出的信號能量遠高于熒光信號，所以激光信號探測的分辨率和靈敏度也會遠高于熒光探測，并且，激光信號輸出光譜線寬與發光材料的熒光光譜相比譜寬極窄，這樣有利于在樣品探測過程進行及時響應。細胞激光器中常用的增益介質一般為熒光材料，如熒光蛋白(NATURE PHOTONICS,Single-cellbiological lasers,2011,5:406-410)、熒光染料(Bio-switchable optofluidic lasersbased on DNA Holliday junctions,2012,12(19):3673-3675)、熒光素、量子點、維生素、及熒光能量共振轉移對等，將增益介質與細胞進行有機整合，其吸收激發能量后發射的增益信號經光學諧振腔不斷振蕩反饋放大，當增益大于腔內的總損耗時，便會形成激光輸出。

2001年6月，哈佛大學的Gather等人使人胚腎細胞可以發射出激光信號(NATUREPHOTONICS,Single-cell biological lasers,2011,5:406-410)，裝置中激勵光源需經過顯微物鏡聚焦使光斑縮小至單個細胞尺寸，并利用兩片高反射鏡粘合出一個空間略大于細胞尺寸的法布里-珀羅諧振腔，用以限制細胞在激勵光的位置內，所以該裝置體積龐大，空間激勵光的方向和位置不便于對單細胞做出調整，只能借助外界空間限制的方法來捕獲細胞。2015年，哈佛大學醫學院的Humar等人研制了多款基于回音壁模式微腔的細胞激光器(NATURE PHOTONICS,Intracellular microlasers,2015,9:572-576)，證明了在天然的細胞內也可實現激光輸出，其人為在細胞內置入一個規則圓形脂滴作為回音壁模式，輸出信號經芯徑200μm的多模光纖耦合至光譜探測器，但該裝置體積較大，并且接收信號所使用的光纖較粗，也不具備對細胞精準捕獲及調控細胞周圍溫度等微操控功能，使得激發光束照射細胞這一操作變的不夠精確，細胞在液體中的微小位移會導致激勵光束無法準確的耦合進脂滴，使增益信號無法連續增強，同時也增加了實驗的操作難度。