本發(fā)明涉及的是一種光纖光譜探針，本發(fā)明也涉及一種光纖光譜探針的制作方法。

背景技術(shù)：

熒光光譜和拉曼散射光譜在生物醫(yī)學(xué)上具有重要的應(yīng)用，其光譜能夠提供關(guān)于組織在分子水平組成部分的信息。研究表明，由于疾病的產(chǎn)生過(guò)程中伴隨著組織細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)的化學(xué)變化，而熒光光譜和拉曼光譜學(xué)能夠提供組織大多數(shù)化學(xué)組成的詳細(xì)信息，因此細(xì)胞和組織的熒光光譜和拉曼光譜能提供給醫(yī)師有價(jià)值的診斷信息。比如說(shuō)，E B Hanlon等人報(bào)道了拉曼光譜學(xué)能用于血液監(jiān)控中，能夠?qū)ρ哼M(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)；它也可能被應(yīng)用于無(wú)創(chuàng)或微創(chuàng)的活體組織的實(shí)時(shí)診斷中；它還能夠用于檢測(cè)像在冠狀動(dòng)脈疾病和老年癡呆癥一樣的不易由切片檢查法診斷的疾病，或者用于像在乳腺癌這樣的，由于很高的錯(cuò)誤陽(yáng)性篩選檢測(cè)而導(dǎo)致的不必要的切片檢查過(guò)程的疾病當(dāng)中(Physics in medicine and biology,2000,45(2):R1)。孟濤等人在2007年報(bào)道了利用組織的熒光光譜來(lái)區(qū)分鑒定直腸癌細(xì)胞和正常直腸細(xì)胞，但其采用的是組織切片的采樣方法(光譜學(xué)與光譜分析,2007,27(6):1156-1160.)。

由于光能夠通過(guò)光纖快速地傳播、收集，而光纖又能合并于導(dǎo)管、內(nèi)窺鏡、插管和針頭，因此光纖探針的研制和發(fā)展決定了拉曼光譜學(xué)能在活體中實(shí)時(shí)檢測(cè)的應(yīng)用情況。

為了精確地實(shí)現(xiàn)活體細(xì)胞、組織的熒光光譜或拉曼光譜診斷的準(zhǔn)確性，使活體細(xì)胞、組織的光譜的研究提升到在體單細(xì)胞內(nèi)部的分子水平的程度，在技術(shù)上必須解決的兩個(gè)問(wèn)題是：

(1)由于細(xì)胞的大小在微米尺度，因而光譜的激發(fā)光斑只有處于該微納尺度區(qū)域，才能實(shí)現(xiàn)空間的高精度分辨；

(2)需要構(gòu)造尺寸更加小巧、便于實(shí)現(xiàn)活體組織的在體介入光學(xué)探頭結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)活體的在體細(xì)胞、組織的熒光光譜或拉曼光譜測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)或微創(chuàng)在體細(xì)胞組織的熒光光譜或拉曼光譜的激發(fā)和信息獲取的觸點(diǎn)式在體光纖光譜探針。本發(fā)明的目的還在于提供一種觸點(diǎn)式在體光纖光譜探針的制作方法。

本發(fā)明的觸點(diǎn)式在體光纖光譜探針包括同軸雙通道光纖，所述同軸雙通道光纖通過(guò)研磨在端面形成旋轉(zhuǎn)對(duì)稱反射光學(xué)結(jié)構(gòu)，同軸雙通道光纖的環(huán)形芯用于傳輸激發(fā)光，激發(fā)光傳輸至同軸雙通道光纖的端面被旋轉(zhuǎn)對(duì)稱反射光學(xué)結(jié)構(gòu)全反射，匯聚于光纖端面的中心處，形成一個(gè)微米尺度的激發(fā)光斑，激發(fā)光斑能與同軸雙通道光纖端面觸點(diǎn)處的物質(zhì)相互作用產(chǎn)生熒光或拉曼信號(hào)光，所產(chǎn)生的后向熒光或拉曼信號(hào)光經(jīng)由同軸的中間芯收集，傳輸回到光譜儀中分析。

本發(fā)明的觸點(diǎn)式在體光纖光譜探針還可以包括：

1、同軸雙通道光纖通過(guò)與普通的單模光纖熔融拉錐將激發(fā)光耦合至環(huán)形芯中。

2、所述同軸雙通道光纖包括一個(gè)環(huán)形波導(dǎo)纖芯和一個(gè)圓形波導(dǎo)纖芯，圓形波導(dǎo)纖芯位于光纖中心，環(huán)形芯波導(dǎo)纖芯位于圓形波導(dǎo)纖芯外側(cè)，兩波導(dǎo)同軸分布。

3、所述旋轉(zhuǎn)對(duì)稱反射光學(xué)結(jié)構(gòu)是先對(duì)同軸雙通道光纖的光纖端進(jìn)行研磨，形成旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的錐臺(tái)結(jié)構(gòu)，然后對(duì)所述錐臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行弧面優(yōu)化研磨，形成旋轉(zhuǎn)對(duì)稱弧形錐臺(tái)結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的觸點(diǎn)式在體光纖光譜探針的制作方法為：

步驟一：錐體粗磨

將同軸雙通道光纖放置于光纖端研磨臺(tái)的光纖夾具上，調(diào)整同軸雙通道光纖與研磨臺(tái)的夾角，進(jìn)行光纖端平面旋轉(zhuǎn)對(duì)稱錐臺(tái)結(jié)構(gòu)的研磨；

步驟二：錐體優(yōu)化精磨

在步驟一粗磨的基礎(chǔ)上，在研磨的同時(shí)調(diào)節(jié)光纖的俯仰角，對(duì)步驟一中粗磨的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱錐臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行弧面優(yōu)化，使其研磨至具有弧度的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱弧面反射聚焦結(jié)構(gòu)；

步驟三：錐體拋光

將研磨好的錐體進(jìn)行拋光，放在超聲清洗槽中清洗、烘干；

步驟四：通光檢測(cè)

往同軸雙通道光纖的環(huán)形芯中注光，在顯微鏡下觀察聚焦光斑是否位于光纖的端面處。

本發(fā)明提供了一種針對(duì)在體細(xì)胞組織測(cè)量的觸點(diǎn)式光纖光譜探針及其制作方法，用于實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)或微創(chuàng)在體細(xì)胞組織的熒光光譜或拉曼光譜的激發(fā)和信息獲取。

本發(fā)明的一種觸點(diǎn)式的在體光纖光譜探針，用于對(duì)細(xì)胞組織進(jìn)行介入式的接觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)熒光光譜或者拉曼光譜的獲取與測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)疾病的活體在體分析與診斷。

本發(fā)明使用了新型的同軸雙波導(dǎo)光纖來(lái)制作適合活體組織介入的觸點(diǎn)式光纖光譜探針。該光纖探針將激發(fā)光通道與探測(cè)光通道微縮集成在一根直徑在125μm的同軸雙波導(dǎo)光纖中，通過(guò)光纖端的圓形錐臺(tái)加工技術(shù)，可以將來(lái)自環(huán)形光纖芯的激發(fā)光斑聚焦在微米尺度內(nèi)，且聚焦光斑位于光纖的端面中心處，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光纖探頭端面接觸點(diǎn)處物質(zhì)的檢測(cè)的功能。

本發(fā)明通過(guò)光纖端錐體加工技術(shù)，極大地增強(qiáng)了光與單細(xì)胞物質(zhì)相互作用的效率，可以使得激發(fā)光總功率得以降低，減少了由于激光的能流密度過(guò)高對(duì)活體組織的損傷和影響，在總功率盡可能低的激發(fā)光功率情況下，使有限的光能量高度聚焦在待測(cè)細(xì)胞的微納區(qū)域。此外，由于所有的光學(xué)系統(tǒng)都集成在一根光纖中，達(dá)到了介入的光學(xué)探頭盡可能的小巧和靈活的目的。

本發(fā)明能夠獲得微米尺度的強(qiáng)聚焦光斑，極大地增強(qiáng)了光與物質(zhì)的相互作用，實(shí)現(xiàn)了在體實(shí)時(shí)活體細(xì)胞、組織的熒光光譜或拉曼光譜的精確測(cè)量。

本發(fā)明提供的觸點(diǎn)式光纖探針具有尺寸小、空間分辨率高、實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)處的物質(zhì)局域熒光光譜和拉曼光譜的測(cè)量，特別適合于介入測(cè)量和活體組織的在體細(xì)胞及其內(nèi)部物質(zhì)的光譜測(cè)量。

附圖說(shuō)明

圖1是觸點(diǎn)式在體光纖光譜探針工作方式示意圖。

圖2a是同軸雙通道光纖截面的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2b是同軸雙通道光纖的折射率n隨半徑r分布示意圖。

圖3是觸點(diǎn)式在體光纖光譜探針結(jié)構(gòu)示意圖

圖4是探針弧面優(yōu)化的方法示意圖。

圖5是優(yōu)化后探針的聚焦光場(chǎng)分析計(jì)算結(jié)果示意圖。

圖6給出的是優(yōu)化前的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱錐臺(tái)結(jié)構(gòu)的聚焦光場(chǎng)的平均能量密度分布圖(光纖探針沿軸向切片)。

圖7為優(yōu)化后的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱弧面(R＝350μm)時(shí)，光纖端錐臺(tái)聚焦光場(chǎng)的平均能量密度分布示意圖(光纖探針沿軸向切片)。

圖8是單模光纖與同軸雙通道光纖拉錐耦合方式示意圖。

圖9是觸點(diǎn)式光纖光譜探針的研磨過(guò)程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

結(jié)合圖1、圖2a、圖2b和圖3，本發(fā)明的觸點(diǎn)式在體光纖光譜探針是通過(guò)對(duì)同軸雙通道光纖1進(jìn)行精細(xì)的端面研磨而制成。同軸雙通道光纖1的環(huán)形芯1-1用于傳輸激發(fā)光1-4，激發(fā)光1-4傳輸至同軸雙通道光纖1的纖端，被精細(xì)研磨而成的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱弧形錐臺(tái)1-3全反射，匯聚于光纖端面的中心處，形成一個(gè)微米尺度的激發(fā)光斑1-6；該激發(fā)光斑1-6能與光纖端面觸點(diǎn)處的物質(zhì)4充分相互作用，產(chǎn)生熒光或拉曼散射信號(hào)光1-5；后向散射熒光或拉曼信號(hào)光1-5經(jīng)由同軸的中間芯1-2收集，傳輸回到光譜儀6中；同軸雙通道光纖1通過(guò)與普通的單模光纖2熔融拉錐，實(shí)現(xiàn)將激發(fā)光1-4耦合至環(huán)形芯1-1中的目的。

結(jié)合圖2a、圖2b和圖3，這種觸點(diǎn)式光纖光譜探針使用的同軸雙通道光纖1包括一個(gè)環(huán)形波導(dǎo)纖芯1-1和一個(gè)圓形波導(dǎo)纖芯1-2，圓形波導(dǎo)纖芯1-2位于光纖中心，環(huán)形芯波導(dǎo)纖芯1-1位于圓形波導(dǎo)纖芯外側(cè)，兩波導(dǎo)同軸分布。其中環(huán)形芯通道1-1用于傳輸激發(fā)光1-4，中間芯1-2用于收集并傳輸后向散射的熒光或者拉曼信號(hào)光1-5。

這種觸點(diǎn)式在體光纖光譜探針，其光纖端面具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱反射光學(xué)結(jié)構(gòu)1-3。該結(jié)構(gòu)是先對(duì)同軸雙通道光纖的光纖端精細(xì)研磨，形成旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的錐臺(tái)結(jié)構(gòu)，然后對(duì)該錐臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行弧面優(yōu)化研磨，形成旋轉(zhuǎn)對(duì)稱弧形錐臺(tái)結(jié)構(gòu)。該弧形錐臺(tái)結(jié)構(gòu)能夠?qū)Νh(huán)形芯1-1中傳輸?shù)募ぐl(fā)光1-4進(jìn)行全反射，并恰能匯聚于光纖端面的中心處，聚焦的光斑1-6在微米尺度。

這種觸點(diǎn)式光纖探針是通過(guò)同軸雙通道光1纖與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖2進(jìn)行熔融拉錐，從而實(shí)現(xiàn)了將激發(fā)光1-4耦合至環(huán)形芯1-1中的目的。

這種觸點(diǎn)式在體光纖光譜探針的制作方法為：

步驟一：錐體粗磨。將同軸雙通道光纖1放置于光纖端研磨臺(tái)9的光纖夾具10上，調(diào)整同軸雙通道光纖1與研磨臺(tái)9的夾角，進(jìn)行光纖端平面旋轉(zhuǎn)對(duì)稱錐臺(tái)結(jié)構(gòu)的研磨。

步驟二：錐體優(yōu)化精磨。在步驟一粗磨的基礎(chǔ)上，在研磨的同時(shí)調(diào)節(jié)光纖的俯仰角，對(duì)步驟一中粗磨的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱錐臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行弧面優(yōu)化，使其研磨至具有最佳弧度的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱弧面反射聚焦結(jié)構(gòu)1-3。

步驟三：錐體拋光。將研磨好的錐體進(jìn)行拋光，放在超聲清洗槽中清洗、烘干。

步驟四：通光檢測(cè)。往同軸雙通道光纖1的環(huán)形芯1-1中注光，在顯微鏡下觀察聚焦光斑1-6是否位于光纖的端面處。

本發(fā)明提供了一種觸點(diǎn)式在體光纖光譜探針，該觸點(diǎn)式光纖光譜探針可以合并于內(nèi)窺鏡，針頭、導(dǎo)管等醫(yī)療器械內(nèi)，可方便地實(shí)現(xiàn)在體細(xì)胞、組織的熒光光譜和拉曼光譜的測(cè)量。圖1中所示的是將該探針從鼻腔通道插入，用于老年癡呆癥等疾病的檢測(cè)。其工作原理如圖1所示，單模光纖2將激發(fā)光從激光器5引出，通過(guò)三端口環(huán)形器8后將激發(fā)光1-4傳輸至單模光纖2，經(jīng)過(guò)同軸雙通道光纖1熔融拉錐區(qū)3，單模光纖2內(nèi)的激發(fā)光1-4被耦合進(jìn)同軸雙通道光纖1的環(huán)形芯1-1內(nèi)傳輸。激發(fā)光1-4與探針端面觸點(diǎn)接觸處的細(xì)胞4作用，產(chǎn)生的后向散射熒光或者拉曼光信號(hào)1-5由同軸雙通道光纖1的中間芯1-2收集并傳輸，信號(hào)光1-5經(jīng)過(guò)拉錐區(qū)3傳輸回到單模光纖2中，再經(jīng)由三端口耦合器8、濾波器7，將信號(hào)光1-5傳輸至光譜儀6中進(jìn)行分析。其中濾波器7用于濾除傳輸回來(lái)的激發(fā)光成分。

如圖3所示，該觸點(diǎn)式光纖在體光譜探針是通過(guò)對(duì)上述的同軸雙通道光纖1進(jìn)行精細(xì)錐角研磨，形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的弧形錐臺(tái)1-3。該旋轉(zhuǎn)對(duì)稱弧形錐臺(tái)將會(huì)使得環(huán)形芯1-1中傳輸?shù)募ぐl(fā)光1-4全反射并恰好匯聚于同軸雙波導(dǎo)通道光纖1的端面中心處，匯聚的激發(fā)光斑1-6的尺寸僅在微米尺度，且其能量密度較高，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)觸點(diǎn)處的細(xì)胞進(jìn)行高分辨率的熒光光譜或者拉曼光譜測(cè)量，從分子水平上來(lái)判斷細(xì)胞是出于正常還是病變狀態(tài)。

該觸點(diǎn)式光纖光譜探針的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱弧形錐臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法如下：如圖4所示，先將同軸雙波導(dǎo)通道光纖研磨成旋轉(zhuǎn)對(duì)稱錐臺(tái)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)恰能將環(huán)形芯1-1中傳輸?shù)募ぐl(fā)光全反射匯聚于光纖端面處。要想滿足該匯聚光路條件，需滿足

其中r_m為環(huán)形芯中間圓的半徑，α為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱錐臺(tái)的底角(α≤arcsin(n₂/n₁)＜90°，n₂為被測(cè)物質(zhì)環(huán)境11折射率、n₁為同軸雙波導(dǎo)通道光纖的環(huán)形芯折射率)，d為錐臺(tái)上底面半徑。為了使得匯聚光斑更小，能量更集中，本發(fā)明采用在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱錐臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行弧形優(yōu)化，形成旋轉(zhuǎn)對(duì)稱弧形錐臺(tái)結(jié)構(gòu)。如圖4所示，在探針的軸剖面中，環(huán)形芯中間處的直線與錐臺(tái)母線相交于一點(diǎn)，過(guò)該點(diǎn)做錐臺(tái)母線的切圓，切圓半徑為R，再以該切圓的輪廓為基準(zhǔn)，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)對(duì)稱弧形錐臺(tái)結(jié)構(gòu)的研磨制作。

下面結(jié)合分析計(jì)算結(jié)果對(duì)本發(fā)明的設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明。通過(guò)comsol光學(xué)仿真軟件對(duì)本探針建立了理論模型，其環(huán)形芯中的輸入光場(chǎng)的平均能量密度滿足高斯分布。圖5是優(yōu)化后所得到的光場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果示意圖，可以看出優(yōu)化后的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱弧形錐臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)形芯1-1內(nèi)傳輸?shù)募ぐl(fā)光1-4進(jìn)行了匯聚，且匯聚光斑1-6恰能位于光纖端面的中心處，滿足設(shè)計(jì)要求。圖6是采取錐臺(tái)底角α＝70°時(shí)，光場(chǎng)的平均能量密度分布圖，圖7是在α＝70°的基礎(chǔ)上進(jìn)行弧面優(yōu)化后的平均能量分布圖，優(yōu)化圓弧的半徑R＝350μm。通過(guò)這兩種情況的對(duì)比，可以看出優(yōu)化后的聚焦光斑1-6尺寸更小，匯聚的光能量更集中，這對(duì)實(shí)現(xiàn)在體細(xì)胞的熒光光譜或拉曼光譜的激發(fā)是十分有利的。

圖8所示的是標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和同軸雙通道光纖的拉錐耦合示意圖。先將單模光纖2與同軸雙波導(dǎo)通道光纖1焊接，然后再在顯微鏡下進(jìn)行拉錐，實(shí)現(xiàn)單模光纖2中傳輸?shù)募ぐl(fā)光1-4到環(huán)形芯1-1中的耦合。

該觸點(diǎn)式光纖光譜探針的制作方法如下(如圖9所示)：

步驟一：錐體粗磨。將同軸雙波導(dǎo)通道光纖1尾端剝?nèi)ネ扛矊硬⑦M(jìn)行端面切割，在將其放置于光纖夾具10上，調(diào)整同軸雙波導(dǎo)通道光纖1與研磨臺(tái)9的夾角為α，進(jìn)行光纖端平面旋轉(zhuǎn)對(duì)稱錐臺(tái)結(jié)構(gòu)的研磨。

步驟二：錐體優(yōu)化精磨。在步驟一粗磨的基礎(chǔ)上，在研磨的同時(shí)調(diào)節(jié)光纖的俯仰角，對(duì)步驟一中粗磨的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱錐臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行弧面優(yōu)化，使其研磨至具有最佳弧度的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱弧面反射聚焦結(jié)構(gòu)1-3。

步驟三：錐體拋光。將研磨好的錐體進(jìn)行拋光，放在超聲清洗槽中清洗、烘干。

步驟四：通光檢測(cè)。往同軸雙通道光纖的環(huán)形芯中注光，在顯微鏡下觀察聚焦光斑1-6是否位于光纖的端面處。這樣便制得了所述的觸點(diǎn)式在體光纖光譜探針。