基于双光纤光镊的微球透镜超显微扫描成像研究

作     者：钟慧 

作者单位：东北石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高丙坤;刘明

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 0803[工学-光学工程] 

主      题：超显微扫描成像 双光纤光镊 微球透镜 微球捕获 生物细胞 

摘      要：光学显微成像是探索微观世界的基础,广泛应用于生物学、化学、医学和超精密测量等学科领域。传统的光学显微镜在可见光波段的横向分辨率为200nm,限制了对微观世界的进一步深入探索。近年来,科研人员提出了不同的方法实现超显微成像技术来突破衍射极限。其中,利用微球透镜来实现超分辨显微成像,主要是通过微球超透镜将物体表面信息放大并投射到传统显微物镜中。这种技术具有易于实现、简单直接和免标记等显著优点,发展潜力巨大。由此,提出了一种基于双光纤光镊技术的超显微成像处理方法,并构建了基于微球透镜的超显微成像系统。该系统可以实现两种成像模式,既可以在静止状态下实现对光盘样品的并行多细胞透镜的超显微成像,又可以实现对光盘样品的扫描成像。该研究可以进一步扩大微球透镜的视野、优化操作步骤,同时还可以应用到不同领域实现微球透镜的非接触样品成像。1.对微球透镜的超显微成像机理进行了理论研究。首先从电磁场理论分析入手,以麦克斯韦方程组为基础,进而分析时谐电磁场、球坐标系波动方程中的参数对微球透镜成像的影响,从而得出微球透镜超显微成像的理论模型。同时引入Mie理论,计算了微球透镜内部和近外区域的电磁场分布情况。通过几何光学研究了微球透镜的纳米射流效应,分析了微球透镜成像原理,为双光纤光镊的微球透镜超显微成像奠定了理论基础。2.提出了一种基于双光纤光镊的系统用来实现两种模式操控微球的方法,可以实现微球的定向移动和稳定静止。该方法通过改变光纤探针的出射光场,来实现对微粒的操控。在系统设计过程中,通过对三种不同结构的光纤尖端进行仿真实验对比,发现抛物线形尖端的光纤具有更好的捕获效果。使用抛物线形光纤尖端捕获微球得到微球透镜组装的光纤探针,该光纤探针的出射光场模式进一步改变,得到了汇聚光束而不是正常的发散光束。通过对微球透镜组装的光纤探针的出射光场进行仿真分析,同时引入另一根结构相同的光纤,组成双光纤光镊系统,实现了对微球的稳定捕获和定向移动。并且在操控微球静止时可以克服微球在水溶液中的布朗运动,使得在捕获和操控微球时更加稳定。在实验中通过双光纤光镊系统实现了对聚苯乙烯微球的定向运动和稳定静止两种模式的操控。对于微球透镜超分辨成像具有重要的应用价值。3.提出了一种基于生物细胞透镜的双光纤光镊系统,用于实现超显微扫描成像。该系统扩大了成像视野,避免了实验过程中对实验样品的损伤和污染。具体来说,该方法就是将双光纤光镊系统引入到基于生物细胞微球的超显微成像中。首先,通过仿真和实验选出折射率和直径都比较合适的微球。其次,通过分析选择小球藻细胞作为生物细胞透镜,在确定小球藻细胞能够成像且易于被光纤尖端捕获的前提下,构建了双光纤光镊操控小球藻细胞的超显微成像系统模型。最后,将组装好的生物透镜双光纤光镊系统用于观察待测物体,实现了对光盘条纹样品的并行多细胞成像和实时扫描成像。该系统可以很好的解决微球透镜超显微成像过程中位置固定和成像视野问题,简化了实验步骤。这种基于生物的低损伤、实时、任意区域的非接触成像系统具有广阔的应用前景。