[发明专利]具有锥体圆台纤端结构的多芯光纤细胞传感器

说明书

本发明提供的是一种具有锥体圆台纤端结构的多芯光纤细胞传感器系统。该“光纤‑细胞”传感器系统主要是由以下三个部分组成：(1)具有新型结构的多芯光纤，该光纤端被抛磨成旋转对称的锥体圆台形，制备成光镊；(2)微球形光学谐振腔，腔内具有放大功能的增益介质，可以分布在球内、球外或球壳表层，该微球可以是被注入细胞的油滴，也可以是被细胞吞噬到内部的微球；(3)置于液体中的待测活体单细胞。细胞内部微球光学谐振腔的输出光谱对细胞内部细胞液等环境物理参量微弱的变化非常敏感，可以通过多芯锥体光纤的激光输出信号得到放大测量。本发明可用于单细胞捕获、细胞激光光谱测量，可广泛用于单细胞操纵、传感、测量及分析技术领域。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种具有锥体圆台纤端结构的多芯光纤细胞传感器，可用于单细胞捕获、细胞激光光谱测量，属于单细胞操纵、测量及分析技术领域。

(二)背景技术

1960年美国科学家T.H.梅曼等人成功创造出世界上第一台红宝石晶体激光器，1961年A.贾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镓半导体激光器。激光器的诞生标志着人们有能力调控多个光子的发射方向、相位、频率和偏振等，使人们对光的认识和应用达到了更高的水平。激光器在微型化和交叉学科方向表现出超乎想象的应用价值，因此光流体激光器这一领域便应运而生。光流体是结合光学和流体各自独特的优势而形成的一个多学科交叉的新型研究领域，其概念在2003年由美国加州理工大学提出，生物机体因存在天然的液体环境，在生物医疗诊断、传感探测和成像等领域有着非常广泛的应用前景。

细胞传感器是一种特殊的光流体激光器(激光与光电子学进展，细胞激光器研究进展及应用综述，2018,55：120001)，可以在体外模拟生物体生存的液体环境或者直接在生物体内，在外界能量的激励下实现细胞的激光输出。相比于目前生物医学各个领域中常用到的荧光信号探测方法,采用激光信号探测的方式具有其自身独特的优势，首先，激光信号是受激辐射光不同于荧光信号的自发辐射光，在经过谐振腔的信号放大反馈后会有良好的方向性；其次，当激励源激光信号高于阈值时，工作粒子输出的信号能量远高于荧光信号，所以激光信号探测的分辨率和灵敏度也会远高于荧光探测，并且，激光信号输出光谱线宽与发光材料的荧光光谱相比谱宽极窄，这样有利于在样品探测过程进行及时响应。细胞激光器中常用的增益介质一般为荧光材料，如荧光蛋白(NATURE PHOTONICS,Single-cellbiological lasers,2011,5:406-410)、荧光染料(Bio-switchable optofluidic lasersbased on DNA Holliday junctions,2012,12(19):3673-3675)、荧光素、量子点、维生素、及荧光能量共振转移对等，将增益介质与细胞进行有机整合，其吸收激发能量后发射的增益信号经光学谐振腔不断振荡反馈放大，当增益大于腔内的总损耗时，便会形成激光输出。

2001年6月，哈佛大学的Gather等人使人胚肾细胞可以发射出激光信号(NATUREPHOTONICS,Single-cell biological lasers,2011,5:406-410)，装置中激励光源需经过显微物镜聚焦使光斑缩小至单个细胞尺寸，并利用两片高反射镜粘合出一个空间略大于细胞尺寸的法布里-珀罗谐振腔，用以限制细胞在激励光的位置内，所以该装置体积庞大，空间激励光的方向和位置不便于对单细胞做出调整，只能借助外界空间限制的方法来捕获细胞。2015年，哈佛大学医学院的Humar等人研制了多款基于回音壁模式微腔的细胞激光器(NATURE PHOTONICS,Intracellular microlasers,2015,9:572-576)，证明了在天然的细胞内也可实现激光输出，其人为在细胞内置入一个规则圆形脂滴作为回音壁模式，输出信号经芯径200μm的多模光纤耦合至光谱探测器，但该装置体积较大，并且接收信号所使用的光纤较粗，也不具备对细胞精准捕获及调控细胞周围温度等微操控功能，使得激发光束照射细胞这一操作变的不够精确，细胞在液体中的微小位移会导致激励光束无法准确的耦合进脂滴，使增益信号无法连续增强，同时也增加了实验的操作难度。