基于微納光纖的光熱捕獲研究及應(yīng)用

邢曉波, 陳伊琳, 劉紹靜, 楊劍鑫, 史可樟, 程煜鵬, 朱德斌

(1. 華南師范大學生物光子學研究院， 激光生命科學教育部重點實驗室， 廣州 510631；2. 華南師范大學物理與電信工程學院， 廣州 510006； 3. 華南師范大學華南先進光電子研究院， 光及電磁波研究中心， 廣州 510006；4. 華南師范大學化學與環(huán)境學院， 廣州市生物醫(yī)藥分析化學重點實驗室， 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. 華南師范大學生物光子學研究院， 激光生命科學教育部重點實驗室， 廣州 510631；2. 華南師范大學物理與電信工程學院， 廣州 510006； 3. 華南師范大學華南先進光電子研究院， 光及電磁波研究中心， 廣州 510006；4. 華南師范大學化學與環(huán)境學院， 廣州市生物醫(yī)藥分析化學重點實驗室， 廣州 510006)

光熱捕獲利用微納光纖上的溫度梯度場，實現(xiàn)了對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)生一個溫度梯度場. 結(jié)果表明，該溫度梯度場對微粒具有良好的捕獲作用，可長時間、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單、易于制備、耗能功率小的特點，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； 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、快捷簡便等優(yōu)點，近年來，在生化檢測、藥物篩選、環(huán)境監(jiān)測等領(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世紀中期，微流控芯片與光學技術(shù)的有機結(jié)合促進了新領(lǐng)域光流控技術(shù)[3-4]的誕生. 光流控技術(shù)主要通過激光與物質(zhì)的相互作用來實現(xiàn)對微納尺度流體和流體中微納米材料的操控.

傳統(tǒng)光鑷通過利用復雜的透鏡系統(tǒng)來控制激光的強度、偏振和相位結(jié)構(gòu)變量來實現(xiàn)對目標物的捕獲與操控，其捕獲成本高且操作困難[5-6]. 利用光的線動量可以實現(xiàn)捕獲功能，當激光照射微粒時被折射產(chǎn)生一個反作用力，將微粒拖拽至激光中心. 同時，光的角動量可以傳遞微粒，引起微粒旋轉(zhuǎn). 由于受到衍射極限的限制，傳統(tǒng)光鑷對納米尺寸目標物的操控難以實現(xiàn). 等離子體激元光鑷不受衍射極限的影響，通過激光照射金屬納米結(jié)構(gòu)，有效地控制光在亞波長結(jié)構(gòu)上傳輸，實現(xiàn)對納米尺寸目標物的捕獲和操控[7-9]. 本質(zhì)上，傳統(tǒng)光鑷和等離子體激元光鑷對能捕獲目標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克服周圍液體的粘滯力，激光的準直、聚焦、偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換等需要復雜的光路來實現(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，通過表面修飾、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具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能和良好的熱導率[10-12]. 光熱捕獲利用微納光纖上的溫度梯度場，實現(xiàn)對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. 微納光纖周圍的溫度梯度場可大量捕獲周圍液體內(nèi)的微粒，實現(xiàn)了微米量級顆粒的光熱捕獲，起到了光鑷作用. 這種光熱捕獲方法不僅具有成本低、操作簡便、高效和結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢，基于GO膠體附著位置的可變換性，該方法還實現(xiàn)了在光纖任意位置對大范圍顆粒捕獲，具有良好的可操作性.

1 光熱捕獲裝置的熱場

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單模光纖通過光纖夾板固定在2個水平位移臺上； 第二步，利用精細的步進儀控制位移臺的速度； 第三步，待氣壓穩(wěn)定后，將酒精燈火焰的外焰靠近光纖，同時位移臺勻速拉伸光纖，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]. 一段時間后，當微納光纖撤離膠體時，在微納光纖的表面即可包裹GO膠體(圖1A). 通過控制GO液滴的大小和GO的濃度，可以控制薄膜的長度和厚度. 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 熱場的描述

已有研究表明，近紅外光在微納光纖傳輸時，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. 圖2A為微納光纖周圍的熱場分布，可見微納米纖以外的熱場呈現(xiàn)明顯的梯度分布. 該熱場中央的溫度大約為440 K. 在溫度梯度的作用下，GO膠體周圍產(chǎn)生的熱場具有光鑷的性質(zhì)，可實現(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長約10m，厚度在納米量級，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

通過上述的光熱捕獲裝置可以實現(xiàn)良好的捕獲功能. 除了捕獲范圍大、捕獲時間長，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. 在通入小功率的近紅外光后，GO膠體周圍產(chǎn)生的熱場可對不同微粒產(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程中無明顯變化，對各種微粒皆有良好的適用性[12]，可應(yīng)用于分子生物學[17-18]、顆粒捕獲[10-12]、微小力測量[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為例，說明利用該光熱捕獲裝置實現(xiàn)對微粒的捕獲過程.

圖2 GO-SiO2微納光纖周圍的熱場模擬圖及其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程，用某一時刻銀納米線的位置來描述GO-SiO2微納光纖熱場中的運動情況. 從t=0 s到t=0.4 s這段時間內(nèi)，銀納米線向著GO-SiO2微納光纖熱場的方向運動(圖3). 最終，銀納米線吸附于GO-SiO2微納光纖表面.

圖3 利用溫度梯度場捕獲銀納米線的光學顯微鏡圖像

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時間內(nèi)，聚苯乙烯納米顆粒向著GO-SiO2微納光纖熱場的方向運動(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 利用溫度梯度場捕獲聚苯乙烯納米粒的光學顯微鏡圖像

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微納米光纖，在GO薄膜周圍產(chǎn)生溫度梯度場. 該溫度梯度場具有光鑷的性質(zhì)，可實現(xiàn)大范圍的光熱捕獲. 結(jié)果表明，該GO-SiO2微納光纖對微粒具有良好的捕獲作用，可長時間、大范圍地捕獲分布于周圍液體中不同形狀、密度的微粒. 該裝置具有操作簡單、易于制備、耗能功率低的特點，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.

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【中文責編：成文 英文責編：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 《華南師范大學學報(自然科學版)》網(wǎng)址：http://journal.scnu.edu.cn/n

國家自然科學基金項目(61177077,81371877)；廣東省自然科學基金項目(2013B090500123,2014A030313432,2016A020221030,2013B090500034)；廣東省創(chuàng)新團隊項目(201001D0104799318)

O43

A

1000-5463(2016)05-0015-04

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