集成于微流控的生物纳米微粒尺度检测

This proposed project conducts a research on bio-nanoparticle size detection based on micro-optics integratable to microfluidics. Utilizing PGC demodulated dual wavelenghths fiber Michelson interferometer to detect sequencial phase shifts caused by scattered light from nanoparticles superposed in signal arm in both interferometers, the phase shifts, combining with time pulse duration for nanoparticles entering and leaving interface where two wavelength foci meet give a real-time size measurement of single nanoparticle in microfluidics for identification of single cell, sub-cell or virus, initiating a new application in bioengineering by laser interferometry and nano-optics. Design and fabricate a microfluidic-integrated SIL (Solid immersion lens) with?NA higher than 1.3 lens for high-efficiency collection of nano-particles scattered light in microfluidic channel.Based on this high-resolution phase detection platform, interaction between single biological nanoparticle and laser light field will be further studied for Gaussian or Bessel beam, observing unknown interactions including the effective scattering cross section, elastic and inelastic scattering amplitude, phase, etc. at different wavelengths, and leading to opening up a new subcellular biological optical field.

研究可集成于微流控的微光学生物纳米微粒尺寸探测系统，采用PGC解调、高分辨波分复用双波长Michelson光纤干涉仪测量纳米微粒散射波叠加至信号光束后对其相位的先后相移，结合纳米微粒通过双波长聚焦区分界线的时间脉冲，实时获取微流控中的单个纳米微粒的尺寸，用于在微流控中快速、实时分辨亚细胞组分或病毒，开创激光干涉、纳米光学在生物工程中的全新应用。研究集成于微流控的NA高于1.3的SIL（Solid immersion lens）透镜的设计和制备，高效率收集微流道中生物纳米微粒的散射光，并进一步以此高分辨相位探测平台研究单个生物纳米微粒与激光光场相互作用，观测Gaussian光束或Bessel光束与生物纳米微粒的一系列未知相互作用，包括在不同波长下有效散射截面，弹性和非弹性散射振幅、相位等相关性，并有机会领先探索、开辟这一全新亚细胞生物光学领域。

本项目研究了基于PGC(Phase Generated Carrier)调制解调技术的微纳粒子尺寸探测装置和技术，应用低功率光纤传感获取微纳粒子扰动光场的相位信息，研究探测光相位变化与被测微纳粒子尺寸关系这一全新课题。项目首先探索了PGC调制解调方法的数学原理，推导出与实际微纳粒子光学探测的数学公式，奠定理论基础；再研究微流通道与拉锥光纤的制备，并在光纤耦合器的选择与光路设计方面摸索出合适的实验方案。使用该装置成功探测了酵母菌细胞（4-6μm）、空气气泡（2-3.5μm）、聚苯乙烯1-1.5μm微球的尺寸，实验数据点与理论曲线符合得很好。工作发表在Optics Express，文章名为Optical micro-particle size detection by phase-generated carrier demodulation。进一步，按项目计划，我们改进实验运用差分装置降低噪声干扰，成功地将微纳粒子尺寸探测范围缩小到纳米量级，900-200nm的聚苯乙烯微球用此法探测的误差范围在14.5%-23.8%之间。工作发表在Chinese Optics Letters，文章名为Real time measurement of nanoparticle size using differential optical phase detection。此法可应用于各种微纳粒子实时探测领域，如大气尘埃粒子监测、水污染颗粒监测、生物细胞检测以及分类、医用人体细胞检测、医药成分分析等等，不需要繁重的样品处理和复杂的测量过程，对设备要求不高，具有轻便、及时、成本低、易于小型化的特点。.同时，获得国家发明专利授权2项，公开了一种基于纳米微粒位移探测的后向散射光检测加速度装置及方法，具有低噪声、高灵敏度、自带反馈功能、高精度识别和分析的特点；以及一种磨锥光纤结合套管的亚波长聚焦结构，具有聚焦光斑小、焦深长、通光效率高、易与光纤集成、可灵活换套管以达到不同聚焦效果的特点；并研究了光学技术在细胞成像中的应用，重点展示基本原理和激光扫描共聚焦显微镜成像、多光子荧光成像、全内反射荧光显微镜成像、近场扫描光学显微镜成像和光学相干断层成像的主要特征，将成果总结归纳于著作Cellular Image Classification中，为下一步工作中实现生物粒子的光探测以及光操控打下了较好的基础。