用彎曲的納米光纖定點(diǎn)輸送和釋放聚苯乙烯微球

李 英 胡艷軍

（廣東醫(yī)學(xué)院 信息工程學(xué)院，廣東東莞 523808）

用彎曲的納米光纖定點(diǎn)輸送和釋放聚苯乙烯微球

李 英 胡艷軍

（廣東醫(yī)學(xué)院 信息工程學(xué)院，廣東東莞 523808）

提出了用彎曲的納米光纖定點(diǎn)輸送和釋放聚苯乙烯微球的方法。納米光纖是由標(biāo)準(zhǔn)單模光纖通過熱熔法拉制而成，其直徑為600 nm。由理論分析可知，激光在彎曲的納米光纖中傳輸時(shí)，由于彎曲損耗的存在，當(dāng)激光強(qiáng)度小于臨界值，光力將不足以穩(wěn)定地將微球捕獲到光纖表面，并使之沿著光的傳播方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，微球?qū)⒚撾x光纖表面的束縛，被釋放到水溶液中。該技術(shù)可用于沿光纖運(yùn)動(dòng)的微顆粒的定點(diǎn)輸送和釋放。

納米光纖；彎曲；定點(diǎn)輸送和釋放；聚苯乙烯微球

光捕獲和操控微納顆粒、生物細(xì)胞及病毒的方法，在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)及微納光子學(xué)等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景［1-8］。在光操控技術(shù)的研究中，雖然基于透鏡系統(tǒng)和高功率激光器的光鑷已經(jīng)成為眾多領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)非常重要的研究工具［9-11］，但同時(shí)也存在著一些不足，如體積較龐大、成本較高、樣品的移動(dòng)自由度也較小，而高功率激光的使用也限制了其在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。能有效解決這些問題的途徑之一就是利用納米尺寸的光纖捕獲和操控微顆粒，該方法中的納米光纖是由單模光纖通過熱熔法拉制而成，其表面存在著較強(qiáng)的倏逝波，可以穩(wěn)定地捕獲微顆粒并使之沿著光的傳播方向運(yùn)動(dòng)［12-15］。由于光纖的接頭可直接與帶有單模光纖輸出端口的激光器相連接，插入損耗非常小，可在較低的激光功率的作用下操控微顆粒。但是，利用納米光纖表面的倏逝波只能使微顆粒沿著光纖長(zhǎng)距離地運(yùn)動(dòng)，而不能實(shí)現(xiàn)顆粒的定點(diǎn)輸送和釋放［14］。為了解決這個(gè)難題，我們利用納米光纖良好的柔韌性的特點(diǎn)，借助顯微操作技術(shù)，使其彎曲。當(dāng)激光在彎曲的納米光纖中傳輸時(shí)，除具有傳輸損耗外，還具有彎曲損耗。由于彎曲損耗的存在，當(dāng)顆粒沿著彎曲的納米光纖運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果光力不足以穩(wěn)定地捕獲和輸送沿彎曲的光纖運(yùn)動(dòng)的顆粒時(shí)，顆粒將脫離光纖表面的束縛，并被釋放到水溶液中，據(jù)此可實(shí)現(xiàn)顆粒的定點(diǎn)輸送和釋放。

1 理論分析

當(dāng)一定波長(zhǎng)的激光在納米光纖中傳輸時(shí)，會(huì)存在一定的傳輸損耗，該損耗與光纖的直徑有關(guān)。而當(dāng)光纖彎曲時(shí)，除了傳輸損耗外，還存在著彎曲損耗，彎曲損耗與光纖的直徑和彎曲半徑均有關(guān)。為了弄清激光在彎曲光纖中傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，我們用時(shí)域有限差分方法模擬計(jì)算了激光在直徑為600 nm的彎曲光纖中傳輸時(shí)彎曲損耗和彎曲半徑之間的關(guān)系，如圖1所示。在模擬中，納米光纖被彎曲成半圓形，并被放置在水中，光纖的折射率為1.45，水的折射率為1.33，導(dǎo)入的激光波長(zhǎng)為650 nm。當(dāng)輸入功率一定時(shí)，彎曲損耗由相同長(zhǎng)度的彎曲光纖的輸出功率與直光纖的輸出功率的比值求對(duì)數(shù)關(guān)系得出。由圖可以看出，隨著彎曲半徑的增大，彎曲損耗成指數(shù)衰減的趨勢(shì)，例如，當(dāng)彎曲半徑為5μm的時(shí)候，彎曲損耗高達(dá)28 dB，而當(dāng)彎曲半徑增大到70μm，彎曲損耗則降為2.6 dB。由模擬結(jié)果可知，當(dāng)納米光纖的彎曲半徑一定時(shí)，要將顆粒穩(wěn)定地捕獲到光纖表面，并使之沿著光纖運(yùn)動(dòng)，一定存在著一個(gè)臨界值，即最小激光功率。也就是說(shuō)，只有當(dāng)輸入功率大于這個(gè)臨界值時(shí)，顆粒才能穩(wěn)定地沿著光纖運(yùn)動(dòng)。反之，顆粒在沿著光纖運(yùn)動(dòng)的過程中，當(dāng)光力不足以穩(wěn)定地捕獲和輸送顆粒時(shí)，顆粒將脫離光纖表面的束縛，并在該處被釋放。因此，利用彎曲光纖的這個(gè)特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)沿光纖運(yùn)動(dòng)的聚苯乙烯微球的定點(diǎn)輸送和釋放。

圖1 彎曲損耗與彎曲半徑之間的關(guān)系

2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖2是實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，通過熱熔法將標(biāo)準(zhǔn)單模光纖拉制成直徑為600 nm的光纖，光纖兩端用兩個(gè)高精度的三維調(diào)節(jié)架固定，這樣就可以在光學(xué)顯微鏡下靈活方便地改變光纖的彎曲形狀和半徑。光纖的一端通過接頭直接與帶有單模光纖輸出端口的650 nm的激光器相連接，這意味著非常小的插入損耗。光源輸出和光纖輸入之間的插入損耗大約為0.4 dB左右，這要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于平面波導(dǎo)的耦合損耗。實(shí)驗(yàn)中，將直徑為700 nm的聚苯乙烯微球用去離子水稀釋（微球和水的比例為1∶1000），并利用超聲振動(dòng)機(jī)將聚苯乙烯微球水溶液超聲20 min，使微球在水溶液中均勻分布。接著，用移液管滴幾滴聚苯乙烯微球水溶液到玻璃片上光纖所在的位置，直到光纖完全浸入到水溶液中為止。接有CCD的光學(xué)顯微鏡直接和電腦顯示器相連，利用視頻軟件可對(duì)光纖捕獲和輸送微球的情況進(jìn)行觀察和精確定位。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

由前面的模擬結(jié)果可知，當(dāng)納米光纖的彎曲半徑一定時(shí)，微球在沿著光纖運(yùn)動(dòng)的過程中，如果光纖中的激光強(qiáng)度低于某一臨界值［14］，此時(shí)光力將不足以穩(wěn)定地捕獲和輸送微球，微球?qū)⒚撾x光纖表面的束縛，從而被釋放到水溶液中。因此，我們可以利用彎曲的納米光纖的這個(gè)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)聚苯乙烯微球的定點(diǎn)輸送和釋放。如圖3表示的是聚苯乙烯微球沿著彎曲的光纖（直徑為600 nm）運(yùn)動(dòng)的連續(xù)光學(xué)顯微鏡圖片，激光的輸入功率為15 mW。圖3（a）和圖3（b）表示微球A和B均沿著彎曲的光纖運(yùn)動(dòng)，但是微球B相對(duì)要運(yùn)動(dòng)得慢些；微球A和B在沿著彎曲的光纖運(yùn)動(dòng)的過程中，由于彎曲損耗的影響，當(dāng)微球B運(yùn)動(dòng)到圖3（c）中所在的位置時(shí)，作用于微球的光力太弱，將不足以推動(dòng)微球繼續(xù)沿著光纖運(yùn)動(dòng)，也不能將微球穩(wěn)定地束縛在光纖表面，因此，微球B在該位置被釋放。圖3（d）表示，當(dāng)微球A運(yùn)動(dòng)到微球B被釋放的位置時(shí)，也在該位置停止沿著光纖的運(yùn)動(dòng)，并脫離光纖的束縛。經(jīng)過后續(xù)的實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聚苯乙烯微球沿著彎曲的光纖運(yùn)動(dòng)時(shí)，都是在同一位置被釋放的。隨著時(shí)間的增加，越來(lái)越多的微球運(yùn)動(dòng)到同一位置并被釋放，由于布朗運(yùn)動(dòng)的作用，被釋放的微球?qū)?huì)慢慢地?cái)U(kuò)散到水溶液中去。利用該技術(shù)可將沿著彎曲的光纖運(yùn)動(dòng)的微顆粒輸送到確定的位置。

圖3 用彎曲的光纖實(shí)現(xiàn)聚苯乙烯微球定點(diǎn)輸送和釋放的光學(xué)顯微鏡圖片，相鄰圖片之間的時(shí)間間隔為4 s。

4 結(jié)語(yǔ)

利用顯微操作技術(shù)，使直徑為600 nm的光纖彎曲，導(dǎo)入650 nm的激光后，光纖附近的聚苯乙烯被捕獲到光纖表面，并沿著光纖運(yùn)動(dòng)。由于彎曲損耗的存在，當(dāng)光纖中的激光強(qiáng)度小于一定值，光力不足以穩(wěn)定地捕獲和輸送微球時(shí)，微球?qū)⒚撾x光纖表面的束縛，被釋放在水中，由此可將聚苯乙烯微球輸送到確定的位置。因此，利用該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)沿著納米光纖運(yùn)動(dòng)的微顆粒的定點(diǎn)輸送和釋放。

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Position Delivery and Release of PolystyreneMicrosphere with Bending Nanofibe

LIYing HU Yan.jun
（School of Information Engineering，Guangdong Medical College，Dongguan 523808，China）

This paper presents amethod for position delivery and release of polystyrene spheres by using bending nanofiber. Manofiber is fabricated by drawing a single mode optical fiber through flame-heated treatment，and the diameter of which is 600 nm.Based on theory analysis，when the intensity of laser in bending nanofiber transmission is less than the critical value，and optical force is not strong to trap the spheres and propel them along the direction of propagation of light according to bending loss，spheres will be divorced from the fiber，and release in the aqueous solution.This technique can be used for position delivery and release of microparticles along the movement of optical fiber.

nanofiber，bending；position delivery and release；polystyrenemicrospheres

O439

A

1009-0312（2014）01-0074-04

2013-10-09

李英（1976—），女，湖南張家界人，講師，碩士，主要從事光捕獲和操控方面研究。