[发明专利]开口式光学谐振腔中的粒子表征

说明书

使用光学腔来检测流体中的可极化粒子的特性，该光学腔包括包含流体的相对的光学反射器。通过流体将粒子引入到光学腔中。粒子可以瞬时处于腔中或被光学捕获。用光照明包含粒子的光学腔，该光激发了受粒子影响的光学腔的光模的谐振。例如，在通过谐振进行调谐的同时，导出受激发谐振的参数的测量结果。可以使用重复测量结果来导出粒子的特性的测度，该测度取决于光学腔中的粒子的运动。

技术领域

本发明涉及对粒子的表征(characterisation)。

背景技术

在溶液中实现可以是纳米粒子的粒子的无标记表征的能力对于广泛的工业应用和科学应用是重要的。如医疗保健、材料科学、环境科学和安全的各种领域都涉及对粒子的检测和识别。能够在非常低的浓度下识别尺寸在30nm和300nm之间的纳米粒子的技术在生命科学和安全应用中特别有用，这是因为诸如外来体的病毒和粒子(其是遗传信息传输中的关键参与者)通常是在这个尺寸范围内找到的。允许在单个粒子水平上表征多个性质的方法对于在没有预先了解流体样品的内容的情况下而实时监视和识别粒子而言是特别有价值的。

在实践中用于粒子检测和表征的最常用技术是动态光散射(DLS)。在DLS中，用激光照明溶液，并且使用散射强度的空间分布的时间波动以基于它们的摩擦系数和周围流体的粘度来确定粒子的尺寸分布。该技术通常用于表征大的粒子集合，但也可以适用于单个纳米粒子(作为Malvern Instruments NanoSight的示例仪器)，由此其被称为纳米粒子跟踪分析(NTA)。它可以与其他技术(例如用于表征粒子zeta电位的电泳)相结合。

仅尺寸信息通常不足以识别样品中的粒子，并且需要关于形状、组成材料或化学性质的其他信息。可以帮助识别的一个参数是介电极化率α，其取决于尺寸、形状和折射率。用于测量极化率的一种方法是通过散射强度，对于小粒子，散射强度缩放为α²，但由于多分散样品中信号的宽动态范围以及需要仔细校准光强度，因此这会呈现出困难。对于小粒子，反射(或透射)束和散射束之间的干涉提供了与α成比例的信号，但这不适合于测量移动粒子，对于移动粒子，散射光的相对相位强烈地依赖于时间。已经开发了诸如外差检测的干涉测量方法以将对相位稳定性的需要从样本转移到仪器，但是在生产干涉仪对环境扰动稳定的稳健仪器方面存在挑战。

对聚焦光束中的粒子的捕获和操纵也已经很好地建立。通常，使用来自高度聚焦激光的高斯束，由此粒子靠近焦点区域被捕获。场强度定义了捕获电位，其约束但不消除粒子的布朗运动。通过测量散射光信号(或等效地透射信号)中的波动来指示捕获中的粒子的位置，可以以与DLS类似的方式监视粒子的运动。然而，对捕获中的粒子的扩散运动进行定量分析以提取粒子尺寸受到对捕获刚度参数的精确校准的需要的阻碍，对此，粒子的极化率的先验知识是必要的。对散射强度的校准以获得极化率的问题仍然存在。

近年来，已经出现了对光学谐振腔(诸如用于捕获和表征粒子的光子晶体腔)的一些报道。在这些系统中，粒子的存在导致了腔模式中的光谱偏移，这是其折射率与周围介质的折射率之间的差异而引起的。可以监视这些光谱偏移以研究粒子的运动。基于捕获中的已知的场强度分布，最大幅度的偏移提供了对粒子极化率的直接测量，并因此提供了用于将基于扩散运动的完全校准的粒子表征与其他粒子性质的测量结果相结合的巨大潜力。

这种使用光子晶体腔的方法提供了必要的高质量谐振和小模体积来捕获和表征小粒子，但是通常受到腔模式中缺乏再现性的限制，部分归因于这些腔设计中的捕获电位通常与光子晶体的固体介电介质的接口强烈一致或非常接近的事实。因此，粒子和固体腔结构之间的接触力的细节可以变得重要，粒子在液体介质中扩散的摩擦系数的变化也是如此。自诱导反作用(由此捕获场强度取决于粒子位置)可以缓解该问题，但难以校准。在光子晶体腔模式相对于激光激发波长的光谱调谐(其中需要限制了它们的商业潜力的昂贵的可调谐激光源)以及进出腔模式的光的耦合(其需要先进的光波导技术)中提出了另外的挑战。还已经对基于表面等离子体的纳米级光学腔执行了一些工作，但是这些很难以可再现的方式制造并且还不能允许对所捕获的粒子进行定量分析。