多芯光纤细胞传感器

Real-time, in situ and dynamic detection of life activities at the single and subcellular levels is a challenging problem in life science. This project addresses the urgent need for the detection of living single cell and their internal biological information. A novel self-assembled fiber optic cells sensor is constructed by means of new type multi-core fiber and its photodynamic control technology. In this fiber optic cells sensing system, a micro spherical optical cavity with optical amplification capability is embedded in the cell, compared with the traditional weak single-cell fluorescence signal, it can effectively enhance the detection sensitivity and improve the resolution due to its amplification functions of optical signals resonating within microspheres. By analyzing the information of laser spectrum and pattern emitted from cells, a variety of biological information inside cells can be obtained and the physiological change process inside cells could be recognized and investigated. Therefore, this fiber optic cells sensor system provides a more convenient information acquisition method for the detection of biological information at single-cell and sub-cell level, provides a new sensing technique for revealing the in vivo micro-life characteristics of cells and single-cell medical treatment and diagnosis.

在单细胞及亚细胞水平上对生命活动进行实时、原位、动态检测是生命科学提出的一项挑战性的难题。本项目针对生命科学中活体单细胞及其内部生物信息探测的迫切需求，提出了借助于新结构多芯光纤及其光动力操控技术与待测细胞相结合的方法，通过在细胞内部嵌入具有光增益介质的微球形光学谐振腔，构建了一种新型的自组装光纤细胞传感器。与传统的单细胞微弱的荧光信号相比，这种新型光纤细胞传感信号能够有效增强探测的灵敏度，提高分辨率。通过分析来自细胞中发射出的激光光谱和模式等信号，能够获取细胞内部多种生物信息，揭示细胞内部的生理变化过程，为实现单细胞及亚细胞水平生物信息的探测，提供了一种更加便捷的获取方法，为揭示细胞内部活体微生命特性以及单细胞医学治疗和诊断提供了一种新的传感测量技术。

本项目的目标是根据生命科学中活体单细胞及其内部生物信息探测的迫切需求，提出了借助于新结构多芯光纤及其光动力操控技术与待测细胞相结合的方法，为揭示细胞内部活体微生命特性以及单细胞医学治疗和诊断提供了一种新的传感测量技术。为此完成了以下三部分研究内容：.1.研制了在同一包层中三根纤芯横截面线性分布的三芯特种光纤，以及两种带空气孔和两根纤芯的复合嵌套新型微结构光纤，优化了光纤的几何特性和折射率参数，并且设计了九芯光纤，为实现所需功能的光纤细胞传感器提供了适用的光纤基础材料和技术储备。.2.解决了多种微结构光纤后处理加工关键技术，对光纤端形状进行优化设计与加工制备，构建数值孔径较大的组合光场，通过研究光纤后处理工艺技术在二维光纤上实现新颖的三维功能微单元结构的制备技术与制备方法。为新型多芯光纤在细胞捕获和操作，以及细胞传感器的应用研究奠定了基础。.3.针对特殊结构多芯光纤在细胞捕获、操控以及传感方面的应用，开展了多芯光纤与常规光纤器件及仪器的低损耗连接器件研究。为单光纤集成光学探针实现细胞生物信息探测和细胞水平的疾病诊断提供了先进的工具与手段。针对光纤芯分布的特点，利用光纤端微加工方法，探索了在光纤前端实现对活体微生物的轨迹运输。为采用单光纤研究药物运输，细胞定向融合提供了技术方法。.