[发明专利]光纤端超分辨纳米荧光显微照明探针

说明书

本发明提供的是一种光纤端超分辨纳米荧光显微照明探针，其特征是：它由同轴双波导光纤光镊系统和级联的两个介质微球透镜组成。其中同轴双波导光纤具有一个中间芯和一个环形芯，并在光纤的纤端具有对称的圆锥台结构，反射汇聚环形芯内传输的环形捕获光束，形成捕获势阱，捕获一个微球透镜；在光纤端面的中心处刻蚀有一个凹槽，另一个微球透镜粘附于凹槽内。两个微球透镜与光纤同轴分布，中间芯传输的荧光激发光束经过两个微球透镜两级压缩后，形成突破衍射极限的超分辨纳米光学射流，可实现纳米量级的超分辨荧光照明。本发明可用于单分子荧光照明及成像，结合非接触式光纤光镊，尤其适用于活体单细胞内的大分子的荧光照明与成像。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种光纤端超分辨纳米荧光显微照明探针，可将荧光激发光束压缩，生成纳米尺寸的光学射流，突破衍射极限，实现超分辨的荧光显微照明和探测，属于纳米光子学技术领域。

(二)背景技术

现代生物医学研究中为了更好地理解人体生命的作用过程和疾病的产生机理，需要观察细胞内细胞器、病毒、寄生虫等在三维细胞空间的精确定位和分布。另一方面，后基因组时代蛋白质科学的研究也要求阐明：蛋白质结构、定位与功能的关系以及蛋白质-蛋白质之间发生相互作用的时空顺序；生物大分子，主要是结构蛋白与RNA及其复合物，如何组成细胞的基本结构体系；重要的活性因子如何调节细胞的主要生命活动，如细胞增殖、细胞分化、细胞凋亡与细胞信号传递等。反映这些体系性质的特征尺度都在纳米量级，远远超出了常规的光学显微镜的分辨极限。

在过去的几十年中，人们一直在尝试不同的方法去克服由于阿贝衍射极限导致在光学显微成像上的限制。包括扫描近场光学显微镜、受激发射损耗显微镜、超材料超透镜显微镜、固体浸没透镜显微镜和超振荡透镜显微镜等在内的几种超分辨率光学成像技术已经成功实现。尽管他们具有很好的性能，但是其价格昂贵，前期准备时间长，探测方法繁琐。

基于微球透镜的光学纳米射流技术是通过光束照射在一个介质微球上，在微球的一端光束被压缩到小于衍射极限的尺寸的一项技术。由于被压缩光斑的束腰直径在纳米量级，所以具有纳米量级的空间分辨率，并且具有很高的能量密度。因此其在超分辨率成像(KRIVITSKY,Leonid A.,et al.Locomotion of microspheres for super-resolutionimaging.Scientific reports,2013,3:3501.)、纳米荧光增强(LECLER,Sylvain,etal.Photonic jet driven non-linear optics:example of two-photon fluorescenceenhancement by dielectric microspheres.Optics express,2007,15.8:4935-4942.)、拉曼散射增强(US2013/0308127A1)等技术领域具有广泛的应用。

由于这类光学纳米射流技术通常使用的是微米量级的标准介质球，对用光镊系统来说，这类介质微球恰好是能够稳定捕获、操纵的尺寸范围。因此结合光镊和光学纳米射流这两项技术能够实现更丰富的应用场景，尤其是在超分辨荧光照明和成像上具有广阔的应用前景。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤端超分辨纳米荧光显微照明探针，可实现单分子超分辨荧光照明及成像功能。

本发明的目的是这样实现的：

一种光纤端超分辨纳米荧光显微照明探针，它由同轴双波导光纤光镊系统和级联的两个介质微球透镜组成。其中同轴双波导光纤具有一个中间芯和一个环形芯，并在光纤的纤端具有对称的圆锥台结构，反射汇聚环形芯内传输的环形捕获光束，形成光镊，捕获一个微球透镜；在光纤端面的中心处刻蚀有一个凹槽，另一个微球透镜粘附于凹槽内。两个微球透镜与光纤同轴分布，中间芯传输的荧光激发光束经过两个微球透镜两级压缩后，形成突破衍射极限的超分辨纳米光学射流，可实现纳米量级的超分辨荧光照明。