亞波長微/納米線對微顆粒的光力捕獲和操控研究

《亞波長微/納米線對微顆粒的光力捕獲和操控研究》是依託中山大學，由張垚擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：亞波長微/納米線對微顆粒的光力捕獲和操控研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張垚
• 依託單位：中山大學

中文摘要

本申請項目擬開展利用亞波長微/納米線對微顆粒進行光力捕獲和操控的研究。主要內容包括：研究亞波長介質線在水中的導光性質、倏逝場分布及相應的光梯度力光阱；研究亞波長介質線中的點缺陷和彎曲部分對倏逝場分布的影響；研究點缺陷形狀、大小以及彎曲部分的彎曲半徑、長度與倏逝場光梯度力的關係，確定獲得最大光梯度力的條件；理論計算得到引入點缺陷或彎曲的亞波長介質線周圍光梯度力和光散射力的空間分布，分析微顆粒在點缺陷或彎曲附近受力情況；利用單模光纖，通過熱熔拉法拉制亞波長二氧化矽微/納米線並引入點缺陷或彎曲部分；用製作出的器件對水中的微顆粒進行光力捕獲和操控測試，並研究通光功率、器件結構、尺寸等因素對顆粒捕獲和操控的影響。利用亞波長介質線對液體中微顆粒群體進行捕獲和操控這一研究成果在納米光子學/生物學領域尤其是大量微納顆粒或生物大分子群體的捕獲、傳送和清除等方面有重要的研究價值和套用價值。

結題摘要

通過光力作用、光泳或光熱效應等對微納尺度顆粒、生物大分子和細胞等微小物體進行非接觸、無損傷捕獲和操控的方法和技術在自然科學和工程技術的很多領域已成為了非常重要的微納操控手段。而在狹小空間內實現對微顆粒或生物細胞的高效捕獲和精確操控則是微納操控領域的一個研究難點。針對這一問題，本項目開展了一系列基於亞波長微/納米線對微顆粒進行光力捕獲和操控的研究。主要工作內容包括三個方面：（1）利用亞波長微/納米線在液體中的光泳和光熱效應實現對微顆粒或生物細胞的群體捕獲和操控；（2）利用亞波長微/納米線對微顆粒的光散射力和梯度力作用實現顆粒沿亞波長微/納米線表面的各種傳送和分離；（3）利用錐形光纖尖端出射光的梯度力實現生物細胞的排列。其中，工作內容（1）取得的主要成果包括：（a）系統了研究亞波長介質線在水中的導光性質及相應的光泳力和溫度梯度分布，實現了利用單根亞波長光纖產生的逆向光泳力對水中懸浮微顆粒和大腸桿菌細胞的群體捕獲和遷移；（b）利用單根微米光纖對微流通道內微生物細胞的逆向光泳力，實現大量酵母菌細胞進行收集和移除，移除效率高達99.9%；（c）利用微米光纖對不同尺寸和材料顆粒所產生的不同大小光泳力，實現不同顆粒的分離；（d）將微米光纖製作成球拍型光纖環，利用逆向光泳效應和光熱效應導致的溫度梯度對顆粒進行捕獲和遷移；（e）利用亞波長光纖尖端出射光的逆向光泳效應組裝二維微顆粒晶體。工作內容（2）取得的主要成果包括：（a）在亞波長光纖兩端同時通入不同波長的近紅外光，通過光纖表面倏逝場的光散射力實現了不同大小和折射率的微納顆粒分離；（b）在亞波長光纖兩端通入相同波長的近紅外光，實現了微顆粒沿光纖表面的雙向傳送和定點控制；（c）在亞波長光纖一端通入近紅外光，在定向流動的液體中實現了微顆粒的逆流傳送。工作內容（3）取得的主要成果則是將單根錐形光纖置於大腸桿菌細胞溶液中並通入近紅外光，將流動的大腸桿菌細胞在光纖尖端逐個捕獲並排列成一排。這些研究成果結合了亞波長微/納米光纖尺寸上的優勢和近紅外光場的較強光力和光泳效應，具有器件結構簡單、捕獲效率高、操控靈活、可重複使用等特性，可用於高效水淨化處理、血液中病毒/惡性細胞的有效清除、新型微顆粒晶體的製備、微流通道或毛細血管等狹小空間內的微顆粒/生物細胞等的分離以及研究細胞間信息傳遞等方面，在生物化學、生物醫學和材料科學等領域有著重要的套用價值。