微流控光學(xué)及應(yīng)用3

微流控光學(xué)及其應(yīng)用

OptofluidicsandTheirPotentialApplications

南京郵電大學(xué)微流控光學(xué)技術(shù)研究中心CenterofOptofluidicTechnologyNanjingUniversityofPosts&Telecommunications梁忠誠(chéng)一、引言采用液體作為光學(xué)器件結(jié)構(gòu)元素的概念可以追溯到18世紀(jì)，那時(shí)人們?cè)鴮⑿D(zhuǎn)汞池產(chǎn)生的球面反射鏡用于天文觀察，至今液體材料光學(xué)器件仍在光學(xué)技術(shù)中占有一席之地，例如油浸透鏡、液晶顯示等。

3.0mprimarymirrorofNASA’sOrbitalDebrisObservatory,inNewMexico'sLincolnNationalForest.()Thin-filmtransistors(TFT)activematrixliquidcrystaldisplays(AMLCD)固體器件還是流體器件？液體材料外型不定、難以操控，傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)主要采用玻璃、金屬和半導(dǎo)體等固體材料。隨著光學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，固態(tài)器件體積大、成本高、可調(diào)性差等問(wèn)題日顯突出，液體光學(xué)器件重又引起了研究者的興趣。隨著微流控光學(xué)這一新學(xué)科的誕生和新技術(shù)的發(fā)展，液體材料器件將會(huì)在未來(lái)的光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域扮演更加重要的角色。Itisthescienceandtechnologyofsystemsthatprocessormanipulatesmall(10–9to10–18litres)amountsoffluids,usingchannelswithdimensionsoftenstohundredsofmicrometres.(G.M.Whitesides,Theoriginsandthefutureofmicrofluidics,Nature,

442,368-373(2006)).Thefieldofmicrofluidicshasfourparents:molecularanalysis,biodefence,molecularbiologyandmicroelectronics.什么是微流控學(xué)（Microfluidics)？在微米級(jí)結(jié)構(gòu)中操控納升至皮升體積流體的技術(shù)與科學(xué)。（方肇倫：微流控分析芯片的制作及應(yīng)用）Optofluidics技術(shù)發(fā)展軌跡MEMSMicroElectroMechanicalSystems微機(jī)電系統(tǒng)μTASMicroTotalAnalysisSystem

微全分析系統(tǒng)MicroFluidics微流控技術(shù)OptoFluidics

微流控光學(xué)MEMSμTASMicro-fluidicsOpto-FluidicsMicrofluidicSystem—

LabonaChipApplicationsofmicrofluidicsystemmainlyintheareaofchemistry,biologyandmedicine.–Biologicalanalysis–Medicaldiagnosis–Chemicalanalysisandsynthesis–Drugdiscovery–DrugDelivery微流控光學(xué)是現(xiàn)代光學(xué)、光電子學(xué)與微流控技術(shù)相結(jié)合而形成的新型交叉前沿學(xué)科與技術(shù)。微流控技術(shù)(microfluidics)意圖實(shí)現(xiàn)微量化學(xué)或生物樣品的合成與分析，而微流控光學(xué)技術(shù)則是在微觀尺度上通過(guò)操控流體達(dá)到調(diào)節(jié)系統(tǒng)的光學(xué)或光電子學(xué)特性的目的。微流控光學(xué)研究微流控系統(tǒng)中的光學(xué)現(xiàn)象，探索微流控系統(tǒng)與光子的相互作用規(guī)律，目的是開(kāi)發(fā)具有結(jié)構(gòu)重組和調(diào)節(jié)能力的微流控光學(xué)器件與系統(tǒng)。什么是Optofluidics？微流控光學(xué)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)在于可調(diào)化、集成化和微型化?？烧{(diào)化是通過(guò)微流體的操控和置換實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，集成化則是將微流控分析和光電檢測(cè)功能集中在同一芯片以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的微型化。結(jié)構(gòu)可調(diào)為自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)提供了新的技術(shù)途徑，功能集成將會(huì)促進(jìn)微流控分析技術(shù)的廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展，而微流控與光學(xué)技術(shù)的融合同時(shí)為傳統(tǒng)光學(xué)器件的微型化、陣列化、低成本化以及高精度控制提供了可能。Optofluidics的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)Optofluidics的主要應(yīng)用領(lǐng)域

自適應(yīng)光學(xué)結(jié)構(gòu)可調(diào)為自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)提供了新的技術(shù)方案微流控分析功能集成將促進(jìn)微流控技術(shù)的廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展光信息處理開(kāi)發(fā)新一代微型化和可調(diào)控光信息處理器件和系統(tǒng)二、微流控自適應(yīng)光學(xué)可變焦光學(xué)微透鏡是一種非常重要的自適應(yīng)器件，廣泛應(yīng)用于光成像、光通訊以及光刻技術(shù)等領(lǐng)域。相對(duì)于傳統(tǒng)可變焦光透鏡，微流控可變焦光透鏡工藝簡(jiǎn)單，控制精度高，光學(xué)質(zhì)量好。EWOD原理接觸角方程Right:Droplet:KClaqueoussolution.(ByRichardB.Fair,DukeUniversity)EWOD透鏡EWOD透鏡雛形（S.Kwon&LukeP.Lee）2001年，S.Kwon和L.P.Lee首先提出基于介質(zhì)上電濕潤(rùn)（EWOD）效應(yīng)的可變焦光透鏡的原型。此透鏡由一個(gè)1μL左右的小液滴組成，將液滴放置在低表面能疏水性介質(zhì)層上，通過(guò)改變介質(zhì)層下的電極電勢(shì)可以控制液滴與介質(zhì)層的接觸角，從而調(diào)節(jié)透鏡的焦距。在外加電壓下，該透鏡的焦距最大可達(dá)初始焦距的1.3倍，響應(yīng)速度約為100ms。EWOD透鏡UMR實(shí)驗(yàn)室B.Berge的EWOD透鏡液體1:絕緣的非極性液體液體2:導(dǎo)電的水溶液。折射率不同，但密度完全相等。EWOD透鏡2003年，T.Krupenkin等提出了一種改進(jìn)的基于EWOD的可變焦光透鏡。特點(diǎn)是通過(guò)電極結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，不僅可以使透鏡焦距可調(diào)，而且可以使透鏡發(fā)生側(cè)向位移。微流控光學(xué)變焦透鏡2004年，Philips公司發(fā)布了實(shí)用化的液體變焦光學(xué)透鏡FluidFocus，該透鏡的結(jié)構(gòu)如圖A所示。在柱狀容器內(nèi)有兩種不同折射率的液體：一種是導(dǎo)電液體，另一種是絕緣液體。一層透明電極被涂覆在柱狀玻璃表面，然后在內(nèi)側(cè)涂覆絕緣層和疏水層。在初始狀態(tài)下，兩種互不相混的液滴形狀以及交界面曲率見(jiàn)圖A；當(dāng)外加電壓后，由于EWOD效應(yīng)的作用，外加電勢(shì)將降低導(dǎo)電液體和絕緣體之間的界面張力，從而使三相接觸角變小，導(dǎo)致兩種液體界面曲率發(fā)生變化（圖B）。在外加電壓作用下，兩種液體界面可以從凸曲面變成凹曲面，因此該透鏡不僅可以改變透鏡的焦距，也能改變透鏡的類型。微流控光學(xué)變焦透鏡Philips公司的液體變焦透鏡FluidFocus微流控變焦透鏡陣列1.梁忠誠(chéng)，陳陶，徐寧，涂興華，電調(diào)諧微流控變焦透鏡陣列芯片.發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)枺?00610161275.92.梁忠誠(chéng)，涂興華，徐寧，陳陶，電調(diào)諧微流控變焦透鏡陣列芯片的制作方法.發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)枺?00610161276.3微流控變焦透鏡陣列微透鏡陣列芯片布局示意圖微透鏡陣列芯片制作步驟

微流控波前校正器可變形鏡面是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的重要部件之一，采用液體表面形變的微流控光學(xué)反射鏡可以克服傳統(tǒng)固體薄膜形變反射鏡成本高、空間分辨率低的缺點(diǎn)。最近荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)的研究人員研制了一種液體形變反射鏡并用于動(dòng)態(tài)波前校正。該反射鏡的鏡面是位于毛細(xì)管陣列上的液層表面，表面的形變是由毛細(xì)管內(nèi)液體的流動(dòng)引起的。6464毛細(xì)管陣列的液體表面變形反射鏡原型反射鏡結(jié)構(gòu)示意圖微流控波前校正器在196V方波電壓的驅(qū)動(dòng)下，器件具有1mm的表面位移和500HZ的工作頻率。微流控(microfluidics)在生物技術(shù)，化學(xué)合成和分析化學(xué)等諸多領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。盡管微流控技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了將諸多微流分析功能集成在一個(gè)芯片中的任務(wù)，但多數(shù)的光學(xué)部件，如光源，傳感器，透鏡和波導(dǎo)卻仍無(wú)法集成到芯片中。微流控光學(xué)將光學(xué)部件與微流體器件集成到同一個(gè)芯片上，從而提高微流控分析系統(tǒng)的功能集成度和便攜性。微流控芯片光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的兩個(gè)最主要的組成部分是光源和探測(cè)器，因此光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的微型化也就是光源和探測(cè)器這兩個(gè)主要部件的微型化。二、微流控光學(xué)檢測(cè)微流控芯片激光器

Caltech的COI研制的一種分布反饋型PDMS芯片單模染料激光器。該器件在PDMS硅橡膠（折射率1.406）芯片上制作截面尺寸為5m2m的微流道，其中注入較高折射率（1.409）的Rhodamine染料溶液，形成液芯/PDMS包層單模光波導(dǎo)。流道中有長(zhǎng)4mm周期排列的PDMS小柱，作為布拉格分布反饋（DFB)光柵。在532nm-Nd:YAG脈沖激光泵浦下，從芯片一端可得到單模激光輸出。典型的激光譜如圖3C所示，其波長(zhǎng)為567.3nm、線寬是0.21nm，泵浦閾值約為0.8mJ/cm2。通過(guò)改變?nèi)玖辖M分和機(jī)械形變的方法，這種染料激光器的輸出波長(zhǎng)可以在60nm的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。Z.Y.Li,Z.Y.Zhang,T.Emery,A.Scherer,andD.Psaltis.Singlemodeoptofluidicdistributedfeedbackdyelaser.Opt.Express.

14(2),696-701(2006).微流控光學(xué)顯微鏡（OFM）

OFM是基于一種時(shí)空合成原理的無(wú)透鏡成像顯微鏡。在微流道的下方沿流道方向放置CCD線列，而在微流道上設(shè)置通光孔線陣，CCD像元與光孔單元一一對(duì)應(yīng)，但兩線陣方向相差一個(gè)角度。由于流動(dòng)樣品的各點(diǎn)透光率不同，在均勻光波照射下，每個(gè)光孔的光通量是隨時(shí)間變化的，光通量的變化由CCD像元檢測(cè)，如圖4B所示。通過(guò)綜合各個(gè)單元的時(shí)變信號(hào)，可以獲得樣品的光學(xué)圖像(圖4C)。這種無(wú)透鏡顯微鏡的分辨率主要取決于通光孔徑的尺寸以及光孔橫向間距，很容易實(shí)現(xiàn)納米級(jí)分辨率成像。微流控光學(xué)顯微鏡（OFM）一種線蟲(chóng)（Caenorhabditis）OFM像與普通顯微鏡像的對(duì)比，OFM圖像分辨率達(dá)到700-nm。微流控光學(xué)集成2003年Adams等人使用CMOS成像陣列制作了一個(gè)微流控芯片和光學(xué)檢測(cè)集成化的系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)建立在硅基底上，最底層是CMOS成像陣列，然后在其表面上直接制作濾光層，其目的主要是為了濾除直接通過(guò)通道的激發(fā)光,從而降低CMOS采集到的圖像中的噪聲,提高成像質(zhì)量。然后將微流控器件集成到帶有濾光層的成像陣列上,再在上層放置LED陣列激發(fā)光源，這樣就構(gòu)成了一個(gè)完整的微流控分析芯片。該近似成像系統(tǒng)的最高分辨力由成像陣列上的像素大小來(lái)決定,可以達(dá)到10μm左右，基本滿足較大物體上的可見(jiàn)光光譜實(shí)驗(yàn)的要求。M.L.Adams,M.Enzelberger,S.Quake,etal.Microfluidicintegrationondetectorarraysforabsorptionandfluorescencemicrospectrometers.SensorsandActuators,A104(1),25-31(2003).在微機(jī)電光學(xué)系統(tǒng)(OMEMS)之外，微流控光學(xué)為光學(xué)器件的微型化、集成化、低成本化和高精度控制提供了新的技術(shù)方案。利用微流控技術(shù)可以在芯片上構(gòu)建波導(dǎo)、透鏡、開(kāi)關(guān)和濾波等光學(xué)元器件，并實(shí)現(xiàn)交換、顯示和存儲(chǔ)等功能，這些新穎的微流控光學(xué)器件將在未來(lái)的信息領(lǐng)域中得到應(yīng)用。

三、微流控光學(xué)集成器件微流控光開(kāi)關(guān)——Agilent氣泡光開(kāi)關(guān)Agilent氣泡光開(kāi)關(guān)是一種較早開(kāi)發(fā)的全反射型光開(kāi)關(guān)，具有毫秒級(jí)交換速度、偏振不敏感性、低串?dāng)_、高消光比特性，88和3232光開(kāi)關(guān)陣列已經(jīng)達(dá)到商業(yè)化要求。Agilent氣泡光開(kāi)關(guān)K.Campbell等人研制的一種基于PDMS材料和軟光刻（softlithography）技術(shù)制作的22全反射型光開(kāi)關(guān)。該微流控開(kāi)關(guān)的插入損耗小于1dB，響應(yīng)速度小于20ms.(K.Campbelletal.Amicrofluidic22opticalswitch.Appl.Phys.Lett.2004,

85:6119–6121)微流控光開(kāi)關(guān)——PDMS光開(kāi)關(guān)

微流控顯示器器件以高反射聚合物為襯底，其上淀積透明導(dǎo)電薄膜ITO作為下電極，然后再淀積疏水絕緣層并制作圍堰，分別注入有色油滴和水后，加上有ITO薄膜的玻璃作為上蓋板。在未加驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，油滴將自動(dòng)平鋪在水層和疏水性絕緣層之間，顯示單元為“關(guān)”狀態(tài)，當(dāng)可見(jiàn)光入射到顯示單元上時(shí)，反射光顯示油滴的顏色。在施加驅(qū)動(dòng)電壓后，油滴收縮趨向一角，顯示單元為“開(kāi)”狀態(tài)，當(dāng)可見(jiàn)光入射到顯示單元上時(shí)，反射光主要顯示襯底的顏色。

Philips反射式顯示器件R.A.Hayes,B.J.Feenstra,Video-speedelectronicpaperbasedonelectrowetting.Nature,425,383-385(2003).

微流控顯示器實(shí)驗(yàn)表明此顯示單元的反射率很高，亮度是反射型液晶的4倍，Philips公司指出，該顯示單元還具有高對(duì)比度、低電壓、低功耗的特點(diǎn)，并可望達(dá)到視頻響應(yīng)速度。

微流控存儲(chǔ)器2004年，Quake研究組發(fā)表了一種基于PDMS材料和軟光刻技術(shù)制作的微流控存儲(chǔ)器(MFM)。如圖所示，該存儲(chǔ)器芯片包含25×40個(gè)微腔存儲(chǔ)單元陣列，每個(gè)存儲(chǔ)單元可以通過(guò)行列尋址器獨(dú)立選址，并進(jìn)行微流體的存取操作。微流控存儲(chǔ)器通過(guò)存儲(chǔ)液體染料拼成的字母CIT，這種存儲(chǔ)器同時(shí)可以用于信息顯示。微流控光學(xué)存儲(chǔ)器電尋址的納米微腔（納米阱）陣列用于俘獲納米顆粒（量子點(diǎn)），數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)通過(guò)納米阱對(duì)量子點(diǎn)的俘獲實(shí)現(xiàn)。采用具