邢曉波, 陳伊琳, 劉紹靜, 楊劍鑫, 史可樟, 程煜鵬, 朱德斌

(1. 華南師范大學(xué)生物光子學(xué)研究院， 激光生命科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510631；2. 華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院， 廣州 510006； 3. 華南師范大學(xué)華南先進(jìn)光電子研究院， 光及電磁波研究中心， 廣州 510006；4. 華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院， 廣州市生物醫(yī)藥分析化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510006)

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基于微納光纖的光熱捕獲研究及應(yīng)用

邢曉波1,2, 陳伊琳1,2, 劉紹靜1,2, 楊劍鑫3, 史可樟3, 程煜鵬3, 朱德斌1,4*

(1. 華南師范大學(xué)生物光子學(xué)研究院， 激光生命科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510631；2. 華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院， 廣州 510006； 3. 華南師范大學(xué)華南先進(jìn)光電子研究院， 光及電磁波研究中心， 廣州 510006；4. 華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院， 廣州市生物醫(yī)藥分析化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510006)

光熱捕獲利用微納光纖上的溫度梯度場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)周圍液體中的大量微納米顆粒捕獲、收集、遷移和分離等操作. 通過(guò)在微納光纖表面涂覆一層氧化石墨烯(GO)膠體薄膜，制備出具有良好光熱轉(zhuǎn)換性能的微加熱器. 通入小功率的近紅外光，GO薄膜產(chǎn)生一個(gè)溫度梯度場(chǎng). 結(jié)果表明，該溫度梯度場(chǎng)對(duì)微粒具有良好的捕獲作用，可長(zhǎng)時(shí)間、大范圍地捕獲分布于周圍液體中的聚苯乙烯小球、銀納米線等不同形狀、密度的微粒. 該光熱捕獲裝置具有操作簡(jiǎn)單、易于制備、耗能功率小的特點(diǎn)，在微粒捕獲、微納米器件加工等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景.

微納光纖； 溫度梯度場(chǎng)； 光熱捕獲； 銀納米線； 聚苯乙烯小球

由于微流控芯片具有分析效率高、樣品消耗少、易集成、體積小、快捷簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，在生化檢測(cè)、藥物篩選、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-2]. 隨著器件向集成化和小型化方向發(fā)展，對(duì)微納尺度流體和流體中微納米材料的操控及其微流控芯片的應(yīng)用至關(guān)重要. 21世紀(jì)中期，微流控芯片與光學(xué)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合促進(jìn)了新領(lǐng)域光流控技術(shù)[3-4]的誕生. 光流控技術(shù)主要通過(guò)激光與物質(zhì)的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)微納尺度流體和流體中微納米材料的操控.

傳統(tǒng)光鑷通過(guò)利用復(fù)雜的透鏡系統(tǒng)來(lái)控制激光的強(qiáng)度、偏振和相位結(jié)構(gòu)變量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的捕獲與操控，其捕獲成本高且操作困難[5-6]. 利用光的線動(dòng)量可以實(shí)現(xiàn)捕獲功能，當(dāng)激光照射微粒時(shí)被折射產(chǎn)生一個(gè)反作用力，將微粒拖拽至激光中心. 同時(shí)，光的角動(dòng)量可以傳遞微粒，引起微粒旋轉(zhuǎn). 由于受到衍射極限的限制，傳統(tǒng)光鑷對(duì)納米尺寸目標(biāo)物的操控難以實(shí)現(xiàn). 等離子體激元光鑷不受衍射極限的影響，通過(guò)激光照射金屬納米結(jié)構(gòu)，有效地控制光在亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)上傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)納米尺寸目標(biāo)物的捕獲和操控[7-9]. 本質(zhì)上，傳統(tǒng)光鑷和等離子體激元光鑷對(duì)能捕獲目標(biāo)物的材料和形狀有很大的限制，且操控范圍小. 它們需要利用大功率激光來(lái)克服周圍液體的粘滯力，激光的準(zhǔn)直、聚焦、偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換等需要復(fù)雜的光路來(lái)實(shí)現(xiàn)，不易與現(xiàn)有微流體芯片系統(tǒng)集成，其應(yīng)用受到很大限制.

近年來(lái)，通過(guò)表面修飾、摻雜等方法將具有優(yōu)異光熱性能的納米材料組裝在微納光纖上，產(chǎn)生增強(qiáng)的光熱效應(yīng)、等離子體效應(yīng)等已成為一種新興的光波導(dǎo)應(yīng)用方法[10-14]. 其中，本課題組前期研究中將氧化石墨烯(GO)作為一種優(yōu)異的光熱納米材料，在近紅外波段上同時(shí)具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能和良好的熱導(dǎo)率[10-12]. 光熱捕獲利用微納光纖上的溫度梯度場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍液體中的大量微顆粒的捕獲、收集、遷移和分離等操作[15-16]. 本文利用GO優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能，在微納光纖上涂覆GO膠體，通入較低功率的近紅外光后，在微納光纖周圍液體產(chǎn)生大范圍的溫度梯度場(chǎng). 微納光纖周圍的溫度梯度場(chǎng)可大量捕獲周圍液體內(nèi)的微粒，實(shí)現(xiàn)了微米量級(jí)顆粒的光熱捕獲，起到了光鑷作用. 這種光熱捕獲方法不僅具有成本低、操作簡(jiǎn)便、高效和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，基于GO膠體附著位置的可變換性，該方法還實(shí)現(xiàn)了在光纖任意位置對(duì)大范圍顆粒捕獲，具有良好的可操作性.

1 光熱捕獲裝置的熱場(chǎng)

1.1 光熱捕獲裝置的制備

采用熱熔拉錐法制備微納光纖. 第一步，將普通SiO2單模光纖通過(guò)光纖夾板固定在2個(gè)水平位移臺(tái)上； 第二步，利用精細(xì)的步進(jìn)儀控制位移臺(tái)的速度； 第三步，待氣壓穩(wěn)定后，將酒精燈火焰的外焰靠近光纖，同時(shí)位移臺(tái)勻速拉伸光纖，在火焰部分形成微納光纖.

利用液滴法制備光熱捕獲裝置. 在注射器的針尖上吸附乙醇分散的GO膠體，微調(diào)調(diào)整架使微納光纖頭接觸膠體[12]. 一段時(shí)間后，當(dāng)微納光纖撤離膠體時(shí)，在微納光纖的表面即可包裹GO膠體(圖1A). 通過(guò)控制GO液滴的大小和GO的濃度，可以控制薄膜的長(zhǎng)度和厚度. 待乙醇揮發(fā)后，在微納光纖的表面便可形成均勻的GO薄膜(圖1B).

圖1 GO-SiO2微納光纖示意圖

1.2 熱場(chǎng)的描述

已有研究表明，近紅外光在微納光纖傳輸時(shí)，GO膠體沉積在微納光纖表面，通光后的微納光纖表面上附著的GO膠體周圍將產(chǎn)生局部的熱場(chǎng). 圖2A為微納光纖周圍的熱場(chǎng)分布，可見微納米纖以外的熱場(chǎng)呈現(xiàn)明顯的梯度分布. 該熱場(chǎng)中央的溫度大約為440 K. 在溫度梯度的作用下，GO膠體周圍產(chǎn)生的熱場(chǎng)具有光鑷的性質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)大范圍的光熱捕獲. 圖2B為GO-SiO2微納光纖的SEM圖，微納光纖上的GO長(zhǎng)約10m，厚度在納米量級(jí)，并以薄膜形式緊密且均勻地附著在微納光纖表面，形成了與微納光纖間的良好接觸，有利于局部高溫的產(chǎn)生.

2 光熱捕獲裝置的應(yīng)用

通過(guò)上述的光熱捕獲裝置可以實(shí)現(xiàn)良好的捕獲功能. 除了捕獲范圍大、捕獲時(shí)間長(zhǎng)，光熱捕獲還具有可以捕獲不同材質(zhì)、形狀、密度微粒的優(yōu)勢(shì). 在通入小功率的近紅外光后，GO膠體周圍產(chǎn)生的熱場(chǎng)可對(duì)不同微粒產(chǎn)生相同的光熱捕獲作用，其功率損耗、捕獲范圍等參量在此過(guò)程中無(wú)明顯變化，對(duì)各種微粒皆有良好的適用性[12]，可應(yīng)用于分子生物學(xué)[17-18]、顆粒捕獲[10-12]、微小力測(cè)量[19-20]、微納米器件組裝[12]等領(lǐng)域. 本文以捕獲銀納米線和聚苯乙烯小球?yàn)槔?，說(shuō)明利用該光熱捕獲裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)微粒的捕獲過(guò)程.

圖2 GO-SiO2微納光纖周圍的熱場(chǎng)模擬圖及其SEM圖

Figure 2 Simulation diagram of the GO-SiO2micro/nano fiber around the thermal field and the scanning electron microscopy (SEM) image

2.1 捕獲銀納米線

將銀納米線均勻分散在1,2-二甲基甲酰胺(DMF)中，制備銀納米線的懸濁液. 在GO-SiO2微納光纖周圍滴加銀納米線-DMF的懸濁液. 將1 070 nm、50 mW的光耦合通入GO-SiO2微納光纖中. 經(jīng)過(guò)10 s后，大量的銀納米線聚集于GO-SiO2微納光纖的表面上. 為定量描述微納光纖的捕獲過(guò)程，用某一時(shí)刻銀納米線的位置來(lái)描述GO-SiO2微納光纖熱場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況. 從t=0 s到t=0.4 s這段時(shí)間內(nèi)，銀納米線向著GO-SiO2微納光纖熱場(chǎng)的方向運(yùn)動(dòng)(圖3). 最終，銀納米線吸附于GO-SiO2微納光纖表面.

圖3 利用溫度梯度場(chǎng)捕獲銀納米線的光學(xué)顯微鏡圖像

Figure 3 The optical microscopy images of capture process of silver nanowires using temperature gradient field

2.2 捕獲聚苯乙烯小球

同樣地，在制備好的GO-SiO2微納光纖周圍滴入聚苯乙烯納米顆粒-DMF混合液. 將1 070 nm、50 mW的近紅外光信號(hào)耦合通入微納光纖中. 大約10 s后，周圍大量的聚苯乙烯納米小球聚集于GO-SiO2微納光纖的表面. 在t= 3 s時(shí)間內(nèi)，聚苯乙烯納米顆粒向著GO-SiO2微納光纖熱場(chǎng)的方向運(yùn)動(dòng)(圖4)，并最終吸附于GO-SiO2微納光纖表面. 圖中的亮斑是聚苯乙烯小球?qū)獾纳⑸湟鸬?

圖4 利用溫度梯度場(chǎng)捕獲聚苯乙烯納米粒的光學(xué)顯微鏡圖像

Figure 4 The optical microscopy images of capture process of polystyrene nanoparticles using temperature gradient field

3 結(jié)論

通過(guò)在微納光纖表面涂覆上一層GO膠體薄膜，制備出具有良好光熱轉(zhuǎn)換性能的微加熱器. 將低功率的近紅外光耦合進(jìn)微納米光纖，在GO薄膜周圍產(chǎn)生溫度梯度場(chǎng). 該溫度梯度場(chǎng)具有光鑷的性質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)大范圍的光熱捕獲. 結(jié)果表明，該GO-SiO2微納光纖對(duì)微粒具有良好的捕獲作用，可長(zhǎng)時(shí)間、大范圍地捕獲分布于周圍液體中不同形狀、密度的微粒. 該裝置具有操作簡(jiǎn)單、易于制備、耗能功率低的特點(diǎn)，在微粒捕獲、微納米器件加工等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景.

[1] 林炳承,秦建華. 微流控芯片實(shí)驗(yàn)室[M]. 北京:科學(xué)出版社,2005:456-463.

[2] 李戰(zhàn)華,吳健康,胡國(guó)慶,等. 微流控芯片中的流體流動(dòng)[M]. 北京：科學(xué)出版社,2012.

[3] PSALTIS D,QUAKE S R,YANG C. Developing opto-fluidic technology through the fusion of microfluidics and optics[J]. Nature,2006,442(7101):381-386.

[4] MONAT C,DOMACHUK P,EGGLETON B J. Integrated optofluidics:a new river of light[J]. Nature Photonics,2007,1(2):106-114.

[5] PADGETT M J,BOWMAN R. Tweezers with a twist[J]. Nature Photonics,2011,5(6):343-348.

[6] GRIER D G. A revolution in optical manipulation[J]. Nature,2003,424(6950):810-816.

[7] JUAN M L,RIGHINI M,QUIDANT R. Plasmon nano-optical tweezers[J]. Nature Photonics,2011,5(6):349-356.

[8] TSAI W Y,HUANG J S,HUANG C B. Selective trapping or rotation of isotropic dielectric microparticles by optical near field in a plasmonic archimedes spiral[J]. Nano Letters,2014,14(2):547-552.

[9] BERTHELOT J,ACIMOVIC S,JUAN M L,et al.Three-dimensional manipulation with scanning near-field optical nanotweezers[J]. Nature Nanotechnology,2014,9(4):295-299.

[10]XING X,ZHENG J,LI F,et al. Dynamic behaviors of approximately ellipsoidal microbubbles photothermally generated by a graphene oxide-microheater[J]. Scientific Reports,2014,4:Art 6086,8pp.

[11]XING X,ZHENG J,SUN C,et al. Graphene oxide-deposited microfiber:a new photothermal device for various microbubble generation[J]. Optics Express,2013,21(26):31862-31871.

[12]ZHENG J,XING X,EVANS J,et al. Optofluidic vortex arrays generated by graphene oxide for tweezers,motors and self-assembly[J]. NPG Asia Materials,2016,8(4):Art e257,9pp.

[13]GU F,YU H,WANG P,et al. Light-emitting polymer single nanofibers via waveguiding excitation[J]. ACS Nano,2010,4(9):5332-5338.

[14]WANG P,ZHANG L,XIA Y,et al. Polymer nanofibers embedded with aligned gold nanorods:a new platform for plasmonic studies and optical sensing[J]. Nano Letters,2012,12(6):3145-3150.

[15]XIN H,LI X,LI B. Massive photothermal trapping and migration of particles by a tapered optical fiber[J]. Optics Express,2011,19(18):17065-17074.

[16]XIN H,BAO D,ZHONG F,et al. Photophoretic separation of particles using two tapered optical fibers[J]. Laser Physics Letters,2013,10(3):390-392.

[17]YOSHIHARU I,TOSHIO Y. Single molecule detection in life science[J]. Single Molecules,2000,1(1):5-16.

[18]KITAMURA K,TOKUNAGA M,IWANE A H,et al. A single myosin head moves along an actin filament with regular steps of 5.3 nanometres[J]. Nature,1999,397(6715):129-134.

[19]KELLERMAYER M S Z,SMITH S B,BUSTAMANTE C,et al. Mechanical fatigue in repetitively stretched single molecules of titin[J]. Biophysical Journal,2001,80(2):852-863.

[20]SUN Y L,LUO Z P,AN K N. Stretching short biopolymers using optical tweezers[J]. Biochemical & Biophysical Research Communications,2001,286(4):826-830.

【中文責(zé)編：成文 英文責(zé)編：肖菁】

Studies and Applications of Photothermal Trapping Based on Micro/nanofiber

XING Xiaobo1,2, CHEN Yilin1,2, LIU Shaojing1,2, YANG Jianxin3, SHI Kezhang3, CHENG Yupeng3, ZHU Debin1,4*

(1. Education Ministry’s Key Laboratory of Laser Life Science & Institute of Laser Life Science, College of Biophotonics, South China Normal University, Guangzhou 510631, China; 2. School of Physics and Telecommunication Engineering, South China Normal University, Guangzhou 510006, China; 3. Centre for Optical and Electromagnetic Research, South China Academy of Advanced Optoelectronics, South China Normal University, Guangzhou 510006, China; 4.Guangzhou Key Laboratory of Analytical Chemistry for Biomedicine, School of Chemistry and Environment, South China Normal University, Guangzhou 510006, China)

Photothermal trapping can capture, collect, migrate, and separate micro/nanoparticles based on the temperature gradient field of micro/nanofiber. A micro-heater with good photothermal conversion properties is prepared by coating a layer of graphene oxide (GO) colloidal film on the surface of micro/nanofiber. After the fiber is launched into near infrared light with low power, GO produces a temperature gradient field. The results show that the temperature gradient field has a good effect on the trapping of particles in the surrounding liquid, which can capture polystyrene beads, silver nanowires, and other particles with different shapes and density on a large scale for long time. The photothermal trapping device has advantages of simple operation, easy preparation, and low power consumption, which has prospect applications in the fields of particle capture, processing of the micro/nano devices, etc.

micro/nanofiber; temperature gradient field; photothermal trapping; silver nanowires; polystyrene beads

2016-06-25 《華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》網(wǎng)址：http://journal.scnu.edu.cn/n

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61177077,81371877)；廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013B090500123,2014A030313432,2016A020221030,2013B090500034)；廣東省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(201001D0104799318)

O43

A

1000-5463(2016)05-0015-04

*通訊作者:朱德斌，研究員，Email:zhudb@scnu.edu.cn.