金名亮，水玲玲

(華南師范大學華南先進光電子研究院，彩色動態(tài)電子紙顯示技術研究所，廣州510006)

光流控是一門新興的交叉學科，自2003年首次被提出以來，尤其是最近5年受到廣泛的關注和投入，研究發(fā)展迅速［1－3］. 光流控在微納米器件和系統(tǒng)中，例如在芯片實驗室(Lab-0n-a-Chip，LOC)，微全分析系統(tǒng)(Micro-Total-Analysis-System，μTAS)，微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical-Systems，MEMS)中，流體(包括氣體、液體、軟物質材料)是實現(xiàn)功能的載體，因此微流控是核心部分;而光學則是目前控制性最好也是最精密的技術之一，是儀器和檢測等系統(tǒng)中的關鍵環(huán)節(jié). 隨著人們對LOC、μTAS、MEMS等技術的關注和投入，科學家們發(fā)現(xiàn)，微流控和光學除了作為2個獨立的部分，當他們在一起時，相互影響，互相協(xié)同，其功能遠遠大于單獨一種技術或者簡單的兩種技術的加和作用，可實現(xiàn)更多的功能和應用，因而提出了光流控(Optofluidics)這一新概念，并被廣泛認可和使用.

光流控，顧名思義，可以分為2個方面. 一方面是利用微流控來控制光，其應用包括:平板顯示［4－5］、芯片實驗室［6－7］、微流體透鏡［8－10］、流體光纖［11］、流體光波導［12］、流體光開關［13］、微流體顯微技術［6，14］、微流控生物光子學［15］、微流控能源應用［16］以及微流控傳感技術［17－20］等;另一方面則是利用光來控制流體的特性和運動，主要是利用光學或者基于微機電系統(tǒng)光學器件來控制流體的特性，例如:光鑷［21］、光流體泵［22－23］、光控微閥［24－25］、光誘導反應［26］以及激光加工［27－31］等.

針對光流控這個新興領域，國際著名的期刊雜志，如:Nature Photonics，Nature Communications，Lab on a Chip，Biomicrofluidics，Microfluidics and Nanofluidics 等分別組織和發(fā)表了關于Optofluidics 的專題或者系列論文. 隨著人們對光流控技術領域的關注，許多相關領域的國際會議也開始設置專場來討論，比如說μTAS 國際會議、歐洲微流控會議、亞洲微全分析系統(tǒng)會議等. 尤其值得關注的是，自2010年開始，“國際光流控會議”即“International Conference on Optofluidics”以獨立會議形式開展，并且形成會議系列，每年1 屆，從2010年的第一屆到2014年的第四屆國際光流控會議分別在西安、蘇州、香港和廣州舉行，人員規(guī)模以每年超過25%的速度在增加，同時受到的關注也越來越多. “第四屆國際光流控會議”簡稱“光流控2014”于2014年8月28—30日在華南師范大學舉行，參會人員超過120 人，分別來自中國、美國、荷蘭、德國、英國、澳大利亞等11個國家. 與會專家分別針對各自研究的光流控領域進行了詳細和深入的交流與探討(http://www. optofluidics.cn/Program.html).討論的專題覆蓋了前面所提到的光流控所有領域.

本次會議的特邀報告中，電潤濕平板顯示的原創(chuàng)發(fā)明人Hayes 匯報了目前該技術的發(fā)展現(xiàn)狀、產業(yè)化程度以及未來的發(fā)展趨勢. 電潤濕顯示技術利用微流控中流體的色彩和微結構尺寸(像素格)內流體的運動，達到數(shù)字控制的像素開關和信息顯示效果［4］，是光流控技術的典型范例，其工作原理如圖1 所示. 上圖為橫截面示意圖，下圖為實際顯微鏡照［4］. 在無沒有外加電壓時，彩色油墨在1個像素中鋪展成油膜，顯示油墨顏色;在直流電壓驅動下，像素中的油膜收縮到像素角落，顯示底板顏色.

芯片實驗室和微納流體國際著名專家Albert van den Berg 和Eijkel 教授，展示了目前國際上芯片實驗室的發(fā)展動態(tài)，以及微納米流體研究中如何實現(xiàn)超靈敏的光學檢測技術. 圖2 是設計的微流控芯片示意圖及其器件照片，a 和b 分別是3、10 μm 寬，0.5 mm 長被銀鏡覆蓋的納米通道，c 是微米通道，d是流體連接通道. 在芯片器件照片中，100個平行的納米通道位于黑線(銀鏡)下方［33］. 當微流控器件尺寸越來越小，達到幾納米到幾十納米時，普通的光學顯微鏡(無熒光)無法測試到納米通道中流體的界面，因此無法記錄納米通道中流體的形態(tài)，而通過圖形設計和微納米加工技術在納米通道壁上蒸鍍銀鏡，可以提高靈敏度和檢測限，這為納米微流控的研究提供了參考［33］.

圖1 電潤濕顯示器件單個像素開關原理［4］Figure 1 Electrowetting display principle［4］

圖2 納米流體研究芯片設計［33］Figure 2 Nanofluidic chip design［33］

光流控的倡導者和先驅——劉愛群教授針對目前微流控和光學的各自特點以及未來的結合點，做了全面的分析. 在微流控通道中，流體可以形成穩(wěn)定的層流，而當多種液體同時流動時會形成穩(wěn)定可控的平行流，平行流的橫截面尺寸可以通過流體速度和特性來調節(jié)，在幾十微米到幾十納米的微納米內可控;再結合流體本身的光學特性，比如說折射率，可以廣泛用于光學器件中，圖3 為該技術用于光波導的設計原理和效果圖［34］. 在微流控通道中獲得了光聚集的橫向GRIN 輪廓(圖3B)，并模擬得到光傳播的折射率輪廓(圖3D，垂直方向尺寸放大2倍)，其中內向和外向的折射率分別為1.432 和1.332，光線被彎曲和周期地在光流控波導中聚焦，垂直實線代表波前;通過雙向GRIN 得到了光干涉(圖3C，強度代表折射率分布)，并模擬得到了光傳播折射率輪廓(圖3E，垂直方向尺寸放大2 倍)，可以清晰的看到光流控波導中的光干涉現(xiàn)象.

圖3 微流控通道中三層平流光流控波導示意圖(A)、光聚集的橫向GRIN 輪廓(B)、雙向GRIN 獲得的光干涉(C)、分別模擬圖B、C 獲得的光傳播折射率輪廓(D，E)［34］Figure 3 Schematic illustration of the optofluidic waveguide with three laminar flows (A)，GRIN profile of the microchannel in the transverse direction used to achieve light focusing (B)，Bidirectional GRIN profile used to achieve light interference (C)，Simulated light propagation in the waveguide for the index profile shown in B and C (D，E)

Tsai 教授介紹，在光學器件中材料和納米結構對光學效果的影響，圖4 為基于meta－材料的全息照相光學器件的結構示意圖和工作原理［35］. 在meta－全息照相結構示意圖中，以45°線性偏振光照射. 其中用于記錄相分配的RCAS 和NTU 兩個字樣，通過電子束蝕刻法雕刻在meta－全息照相樣品上. 6×6個不同尺寸的金納米天線像素格圖案化在金鏡表面的50 nm 厚的氟化锝層上. NTU 和RCAS兩個圖片，可以通過各種光源的光從不同的入射角度，從x 和y 軸方向的線性偏振光的調整來重新構建［35］.

圖4 以45°線性偏振光照射的meta－全息照相結構示意圖［35］Figure 4 Illustration of the designed meta-hologram under 45°linearly polarized illumination［35］

美國加州大學圣地亞哥分校的Lo 教授結合目前微流控和光技術的發(fā)展趨勢，講述了光流控在無標記細胞間圖像和生物傳感方面的應用，其中典型的例子是利用光散射原理可以同時得到同一個細胞的明場和暗場圖片，因此可被廣泛地應用于細胞圖像記錄和生物傳感領域［36］. 圖5 是基于散射光原理的細胞流質儀的設計原理圖. 不相干光通過微透鏡形成光平面束狹縫可以掃描整個細胞. 鏡頭材料的自熒光性能可以用于形成透射明場圖像，光平面束用于形成暗場散射圖片. 2 張圖片可以在CMOS成像儀的不同位置產生，通過疊合可以產生完整的細胞圖片. 鏡頭的自發(fā)熒光材料可以作為明場圖像的光源，因此2 張圖像的光強在CMOS 傳感器動態(tài)范圍內相近.

圖5 基于散射光原理的細胞流質儀的設計原理圖［36］Figure 5 The design of the scattering-imaging-based cytometer［36］

武漢大學的趙興中教授在會上介紹了光流控在生物領域的應用，利用微流控通道表面生物相容性納米生物膜和癌細胞間的相互作用，研究微流控通道中的細胞捕獲，通過對比和分析在不同表面材料和流體剪切力作用下細胞的捕獲強度，可以改善條件提高流體中腫瘤細胞的純度，從而可以和其他單細胞分析單元結合，未來可用于基因測序等領域(圖6)［37］. 在微流控芯片中，TiO2納米顆粒薄膜在通道表面被圖形化，微流控通道中的癌細胞被流體剪切力沖洗掉，在磷酸鹽緩沖液(Phosphate Buffered Saline，PBS)流體流動1 min 后，兩種TiO2薄膜(半徑分別為47 和81 nm)上細胞捕獲的區(qū)別不大. 圖6D ～F 說明在微通道中(81 nm TiO2納米顆粒)，在PBS 流體4、180 和320 dyn/cm2剪切力作用1 min后，HCT116 細胞被捕獲情況明顯(圖6E，F(xiàn))，圖6G為F 的熒光素雙醋酸酯(FDA)染色細胞經PBS 流體剪切力沖洗后的熒光顯微圖片.

圖6 微流控芯片中抗體和抗原相互作用影響的研究［37］Figure 6 Investigation of antibody and antigen interaction in microchannel［37］

隨著微流控技術和納米光子學的發(fā)展和成熟，以及市場需求的驅動，最近幾年來，光流控領域發(fā)展非常迅速，它結合了微流控技術和光學光子學技術的優(yōu)勢特點，起到了(1 +1)＞1 的作用［32］. 目前最具潛力的光流控技術應用領域主要在平板顯示、芯片實驗室、微流控傳感、微流控透鏡、智能穿戴式設備、生物光子學以及能源等.

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