[发明专利]一种基于光阱刚度标定的液体粘滞度测量装置及其方法

说明书

本发明提供的是一种基于光阱刚度标定的液体粘滞度测量装置及其方法。其特征是：装置由激光光操控功能模块和光束定位功能模块两大部分构成。本发明涉及的光阱刚度标定是通过记录并分析微珠在光镊捕获力的作用下布朗运动的功率谱密度获得光阱刚度，测量周期运动的微珠对于操控光的相位滞后，最终得到液体的粘滞系数。本发明可用于光镊操控系统的光阱刚度标定与校准及流体粘滞系数的测量，可广泛用于生物学、医学和生命科学等领域。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于光阱刚度标定的液体粘滞度测量装置及其方法，可用于光镊系统光阱刚度的标定与校准及液体粘滞度的测量，属于光学操控领域。

(二)背景技术

近些年来由于微循环系统的生物医学研究和微流控生物芯片的发展，探索生物流体的功能特性已成为一个重要的研究课题。其中，生物流体的粘滞特性测量受到广泛的关注。在微观生物环境中，粘度参与了许多生化反应过程。就蛋白质而言，在其合成过程中有一系列的结构变化，根据Kramers的理论，液体环境的粘滞度会影响蛋白质的结构改变能力，与蛋白质相关的化学反应速率受到改变，影响其生成形式。液体环境的粘滞度也直接影响生物分子的运动、细胞的基因表达、局部运动和分化。

由于传统的机械粘滞度检测方法，除了要求较高的样本数量外，传统方法只适用于均匀流，缺乏对非均匀流体的空间分辨能力；因此，研究液体粘滞度特性的各种新方法与技术也在不断发展。目前在微观尺度下研究液体粘滞度特性的技术主要利用光漂白后的荧光恢复、放射荧光的非各向同性检测、分子生物学转子的荧光强度、扫描光镊的相位延迟和动态频谱测量。前三种技术都需要添加荧光材料，这可能导致生物流本身特性的改变。扫描光镊的相位延迟和动态频谱测量方法成为替代传统的机械粘滞度检测的优质方法。

光镊技术发展迅速，从开始的对简单微粒操作到对细胞粒子皮牛量级的基准测量，光镊已经成为物理、化学和生物等重要领域不可或缺的操控与测量手段。扫描光镊的动态频谱测量方法和相位延迟法对光阱刚度标定与液体粘滞度分析，主要使用四象限探测器探测并记录微珠运动的时间和位置信息。动态频谱测量方法主要记录微珠受光镊梯度力作用下做布朗运动时的位置信息，可以快速地计算出光镊系统的光阱刚度。中国科学院西安光学精密机械研究所，采用四象限探测器和功率谱密度法，搭建了一套快速标定光镊三维光阱刚度的测量系统，并于光子学报发表相关论文。合肥微尺度物质科学国家实验室在发表文章《四种光阱刚度测量法的实验研究与比较》中详细介绍了扫描光镊的相位延迟方法来测量液体的粘滞度系数。扫描光镊的相位延迟方法主要记录微珠在受周期信号光镊光阱作用力下微珠运动的相位延迟，通过此方法计算出流体的粘滞度系数。在光阱刚度标定与液体粘滞度分析过程中，依靠三维压电位移平台实现光镊的焦点偏移，对位移平台的精度要求较高，特别是纳米级压电位移平台造价昂贵。相对于微珠移动测量带来的惯性等众多因素影响不容忽视；四象限探测器测量精度有限，对散射光检测能力较弱，导致标定光阱刚度与测量液体粘滞度具有较大误差。

本发明公开了一种基于光阱刚度标定的液体粘滞度测量装置及其方法，利用动态频谱测量和扫描微珠相位延迟的方法标定光阱刚度和分析液体粘滞度，降低光阱刚度校准的误差，提高液体粘滞度的测量精度。本发明利用单光束光阱捕获在已知粘滞度溶液中的微珠，使用四象限探测器收集前向散射的探测光信号，分析微珠的热运动，校准光阱刚度；将已知粘滞度的溶液更换成待测溶液，控制扫描振镜使捕获光做简谐振动，被捕获的微珠做受迫振动，四象限探测器收集前向散射的探测光信号，测量小球受迫振动对捕获光简谐振动的相位滞后，计算获得待测液体的粘滞度。收集探测光的前向散射信号，可降低光阱刚度校准的误差；利用扫描振镜配合显微物镜操控微珠，使微珠具有二维高分辨率的位移；在四象限探测器前放置显微物镜使探测信号的前向散射光均匀照射到四象限探测器的表面，提高探测器的检测效率；利用小球受迫振动对于光阱简谐振动的相位滞后测量液体的粘滞度，从而提高液体粘滞度的测量精度。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、操作调节容易、高精度等优点基于光阱刚度标定的液体粘滞度测量装置及其方法。

本发明的目的是这样实现的：