利用蠶絲制作的微米光器件的研究*

金 虎，白曉淞，王 鵬，鄭偉強，薛懷慶，牛福龍，周曉燕

(1.甘肅聯(lián)合大學師范學院，甘肅蘭州 730000;2.中山大學光電材料與技術國家重點實驗室，廣東廣州 510275;3.蘭州大學物理科學與技術學院，甘肅蘭州 730000)

隨著生物光子學的發(fā)展，采用生物相容性材料制作微納光子學器件并應用于生物領域已成為一個研究熱點。微納光纖是納米光子學中的一個重要研究領域，對微納光纖特性、微納光纖光子器件以及微納光纖的應用等研究正受到越來越多的關注［1－5］。蠶絲作為一種天然的蛋白纖維，具有良好的機械性能、光學特性［6－7］、生物相容性［7－12］、生物可降解性和生物可植入能力［7－8，11～13］，展現(xiàn)出很高的研究價值。蠶絲的絲素蛋白成分具有很好的導光性能，因此可以用來制作生物光纖。蠶絲主要由絲膠和絲素構成。絲膠是線型肽鏈彎曲盤繞而成的球狀蛋白質(zhì)，它含有較多的極性氨基酸，水溶性較好，易溶于弱堿溶液;絲素是纖維狀蛋白質(zhì)，是由生物大分子肽鏈以β－折疊形式構成，不溶于水，在弱堿環(huán)境中穩(wěn)定。絲素蛋白由18種氨基酸組成，具有良好的生物親和性，對機體無毒性、致敏和刺激作用，且可部分生物降解，其降解產(chǎn)物不僅對組織無毒副作用，還對如皮膚、牙周組織等有營養(yǎng)與修復作用，在體內(nèi)會被緩慢吸收。正是由于蠶絲蛋白具有上述性質(zhì)，在生物醫(yī)用領域得到了日益廣泛的應用［11，14－18］。最近，美國 Tufts 大學的Omenetto研究小組［19］，將蠶絲制作成蠶絲蛋白，利用蠶絲蛋白成功制作了各種生物光子器件。而Parker等［20］將蠶絲蛋白溶液裝進一個針孔直徑為5 μm的注射器中，注射器在三維控制系統(tǒng)下將蠶絲蛋白溶液 (折射率n=1.54)直接“寫”在玻璃基底 (折射率n=1.52)上，形成了生物相容性光波導。在蠶絲薄膜和二維光學元件基礎上，Manocchi等［21］又成功制作了二維生物聚合物平面光波導。綜上所述，生物蛋白被用來制作生物光子器件，能很好的與生物體相容，同時還可在生物體內(nèi)降解，是未來生物光子器件理想的材料。但是目前制作的光波導尺寸較大，工藝較復雜，需要探索制作更小尺寸以及更加靈活的生物光波導，所以本文進行了基于蠶絲纖維制作微米生物光器件的實驗研究。

1 樣品制作

首先將如圖1(a)所示的蠶繭放置在質(zhì)量分數(shù)為0.05% 的Na2CO3水溶液中煮沸30 min，再用去離子水沖洗，并重復三次，以完全去除絲膠，然后將其吹干，蓬松，便可得到實驗所需的分離狀蠶絲纖維，如圖1(b)所示。接著用鑷子抽取出單根蠶絲，抽出的蠶絲長度大約30 cm，直徑在5～15 μm之間，折射率n=1.557 6，將抽取出來的蠶絲固定在帶有兩個支撐臂的固定架上，讓蠶絲纖維懸空，利用掃描電子顯微鏡 (SEM)和透射電子顯微鏡 (TEM)觀察蠶絲的形貌特征，如圖2所示。

圖2(a)給出了四根平行放置的蠶絲纖維的SEM圖;圖2(b)為 (a)中小框部分的放大SEM圖，蠶絲纖維的直徑為12.5 μm，結(jié)果表明蠶絲纖維表面光滑、直徑均勻;圖2(c)為兩根并排的彎曲蠶絲SEM圖，從左至右直徑分別為10.2 μm 和9.9 μm;圖2(d)為一根直徑11.6 μm 蠶絲被打成結(jié)狀的SEM圖;圖2(e)為兩根直徑分別為 13.3 μm 和 11.0 μm 的蠶絲被扭纏三圈的 SEM圖;圖片說明蠶絲具有良好的柔韌性;圖2(f)為蠶絲的透射電子顯微鏡 (TEM)圖片，蠶絲纖維直徑為2.2 μm，結(jié)果再次表明蠶絲內(nèi)部結(jié)構十分均勻，無雜質(zhì)，且表面十分光滑。通過這些電子顯微鏡圖片，能夠發(fā)現(xiàn)蠶絲纖維具有良好的機械性能和表面光滑度，且柔韌性也十分優(yōu)良。

圖1 實驗中所用蠶絲的光學照片 (a)蠶繭的實物圖片;(b)經(jīng)處理后得到的分離狀蠶絲纖維Fig.1 Photographs of the silk (a)For raw silk;(b)For the silk fiber after process

圖2 蠶絲的形貌表征SEM及TEM圖Fig.2 Morphology of the silk

2 實驗測試

采用倏逝波耦合的方法［22］，將光信號導入微米蠶絲波導中。首先利用火焰法從普通單模SiO2光纖拉制出微納米尖錐，并將微米蠶絲波導懸空固定在兩個支架上;利用微調(diào)節(jié)架將SiO2微納尖錐慢慢靠近蠶絲纖維，由于靜電力和范德瓦爾斯力的作用，兩者吸附在一起;然后通過倏逝波耦合，將來自SiO2微納尖錐的光信號耦合進微米蠶絲光纖。實驗中，利用三維控制系統(tǒng)移動顯微CCD觀察蠶絲纖維的導光情況，將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C進行分析，利用功率計和光譜儀來測量微米蠶絲光纖的輸出功率。

實驗中采用了三種方法將光耦合到蠶絲纖維中，如圖3所示。圖3(a)為SiO2微納光錐與直徑為4.5 μm的蠶絲纖維重疊一部分，進而將波長為671 nm的紅光耦合到蠶絲纖維中;圖3(b)為SiO2微納光錐末端靠在直徑為4.8 μm蠶絲纖維上，將波長為532 nm的綠光導入蠶絲纖維中;圖3(c)為SiO2微納光錐與直徑為5.2 μm蠶絲纖維交叉接觸 (接觸點的交叉角為6°，使波長為473 nm的藍光導入蠶絲纖維的暗場光學照片。

圖3 SiO2微納光錐與蠶絲纖維以不同方式耦合Fig.3 Different methods for coupling from SiO2microfiber taper into silk fibers

圖4給出了光學性能檢測裝置示意圖，插圖為CCD采集到的光學照片。利用一根光錐將波長671 nm的紅光耦合到一條長度為1 cm，直徑為12.0 μm的蠶絲纖維中。觀察發(fā)現(xiàn)，紅光能很好的在蠶絲纖維中傳輸。圖4(1)－(3)顯示紅光沿蠶絲的表面和內(nèi)部共同傳輸;在圖4(4)－(6)中，由于用膠帶將蠶絲纖維粘貼在支架上，膠帶表面粗糙而將光信號散射，沿蠶絲表面?zhèn)魅氲募t光被損耗;而由于圖4(7)－(10)不在同一平面，實驗中三維控制CCD的移動，在不同聚焦平面采集得到光學圖片，發(fā)現(xiàn)光在蠶絲內(nèi)部傳輸，且在蠶絲纖維末端觀察到一個光斑。從光錐耦合位置到末端，蠶絲纖維長度為2.5 mm。接著采用“截斷法”測量了光在蠶絲纖維中傳輸時的損耗［23］。圖5給出了波長為532 nm的綠光在蠶絲纖維中傳輸?shù)侥┒说墓獍邎D，其中圖5(a)為明場的光學照片，圖5(b)為暗場的光學照片。實驗中測量到波長為532 nm的綠光在直徑9.0 μm的蠶絲纖維中傳輸時損耗為0.78 dB·mm－1。

實驗中利用蠶絲纖維制作了不同的光子結(jié)構。圖6是把直徑為4.2 μm的蠶絲剪成兩段制作的一個2×2分束結(jié)構，其中圖6(a)為未通光時的光學照片;圖6(b)為利用一根SiO2微納光錐以重疊耦合的方式將波長為671 nm的紅光耦合進入的暗場光學照片 (箭頭表示光的傳輸方向，下同);圖7為利用一根SiO2微納光錐以一定交叉角靠在一個3×1的叉狀結(jié)構上，將波長為473 nm的藍光耦合進入蠶絲纖維中的暗場光學照片，其中蠶絲直徑依次為:上 10.9 μm、中 8.0 μm、下 9.5 μm;圖8是將波長為532 nm的綠光利用光錐耦合進入一個1×4的蠶絲叉狀結(jié)構中的暗場光學照片，其中蠶絲直徑依次為:上6.7 μm、中 (偏上)7.4 μm、中 (偏下)4.5 μm、下5.8 μm;而圖9 是將波長為532 nm的綠光利用光錐耦合進入直徑為160 μm環(huán)形結(jié)構蠶絲纖維中的暗場光學照片，其中蠶絲直徑為 6.6 μm。

以上實驗說明微米蠶絲纖維具有良好的導光性能、柔韌性和機械性能，可以用來制作生物光纖。

3 結(jié)論

分析了天然蠶絲的成份，通過簡單的方法制備得到直徑為5～15 μm的蠶絲生物纖維，觀察了其形貌特征，發(fā)現(xiàn)蠶絲纖維具有良好的柔韌性和機械性能。采用倏逝波耦合的方法，用不同方式使波長為671 nm的紅光、波長為532 nm的綠光、波長為473 nm的藍光分別耦合進入不同直徑的微米蠶絲纖維，分析了其導光特性，采用“截斷法”測量了波長為532 nm的光信號在直徑為9.0 μm的蠶絲纖維中的傳輸損耗為0.78 dB·mm－1，并利用蠶絲纖維制作了2×2、3×1、1×4、環(huán)形等不同的光子結(jié)構。實驗證明蠶絲微米生物光纖具有良好的柔韌性和表面光滑度，其傳輸損耗低于1dB·mm－1。蠶絲微米生物光纖提供了一種能運用于生物體植入的新型光纖，由于蠶絲纖維具有優(yōu)良的生物相容性，它在生物光子器件領域?qū)⒂兄匾难芯績r值。

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