基于微纳光纤的光热捕获研究及应用

2016-12-02邢晓波陈伊琳刘绍静杨剑鑫史可樟程煜鹏朱德斌

华南师范大学学报（自然科学版） 2016年5期

邢晓波, 陈伊琳, 刘绍静, 杨剑鑫, 史可樟, 程煜鹏, 朱德斌

(1. 华南师范大学生物光子学研究院，激光生命科学教育部重点实验室，广州 510631；2. 华南师范大学物理与电信工程学院，广州 510006； 3. 华南师范大学华南先进光电子研究院，光及电磁波研究中心，广州 510006；4. 华南师范大学化学与环境学院，广州市生物医药分析化学重点实验室，广州 510006)

基于微纳光纤的光热捕获研究及应用

邢晓波1,2, 陈伊琳1,2, 刘绍静1,2, 杨剑鑫3, 史可樟3, 程煜鹏3, 朱德斌1,4*

光热捕获利用微纳光纤上的温度梯度场，实现了对周围液体中的大量微纳米颗粒捕获、收集、迁移和分离等操作. 通过在微纳光纤表面涂覆一层氧化石墨烯(GO)胶体薄膜，制备出具有良好光热转换性能的微加热器. 通入小功率的近红外光，GO薄膜产生一个温度梯度场. 结果表明，该温度梯度场对微粒具有良好的捕获作用，可长时间、大范围地捕获分布于周围液体中的聚苯乙烯小球、银纳米线等不同形状、密度的微粒. 该光热捕获装置具有操作简单、易于制备、耗能功率小的特点，在微粒捕获、微纳米器件加工等领域有良好的应用前景.

微纳光纤；温度梯度场；光热捕获；银纳米线；聚苯乙烯小球

由于微流控芯片具有分析效率高、样品消耗少、易集成、体积小、快捷简便等优点，近年来，在生化检测、药物筛选、环境监测等领域得到了广泛应用[1-2]. 随着器件向集成化和小型化方向发展，对微纳尺度流体和流体中微纳米材料的操控及其微流控芯片的应用至关重要. 21世纪中期，微流控芯片与光学技术的有机结合促进了新领域光流控技术[3-4]的诞生. 光流控技术主要通过激光与物质的相互作用来实现对微纳尺度流体和流体中微纳米材料的操控.

传统光镊通过利用复杂的透镜系统来控制激光的强度、偏振和相位结构变量来实现对目标物的捕获与操控，其捕获成本高且操作困难[5-6]. 利用光的线动量可以实现捕获功能，当激光照射微粒时被折射产生一个反作用力，将微粒拖拽至激光中心. 同时，光的角动量可以传递微粒，引起微粒旋转. 由于受到衍射极限的限制，传统光镊对纳米尺寸目标物的操控难以实现. 等离子体激元光镊不受衍射极限的影响，通过激光照射金属纳米结构，有效地控制光在亚波长结构上传输，实现对纳米尺寸目标物的捕获和操控[7-9]. 本质上，传统光镊和等离子体激元光镊对能捕获目标物的材料和形状有很大的限制，且操控范围小. 它们需要利用大功率激光来克服周围液体的粘滞力，激光的准直、聚焦、偏振态的转换等需要复杂的光路来实现，不易与现有微流体芯片系统集成，其应用受到很大限制.

近年来，通过表面修饰、掺杂等方法将具有优异光热性能的纳米材料组装在微纳光纤上，产生增强的光热效应、等离子体效应等已成为一种新兴的光波导应用方法[10-14]. 其中，本课题组前期研究中将氧化石墨烯(GO)作为一种优异的光热纳米材料，在近红外波段上同时具有优异的光热转换性能和良好的热导率[10-12]. 光热捕获利用微纳光纤上的温度梯度场，实现对周围液体中的大量微颗粒的捕获、收集、迁移和分离等操作[15-16]. 本文利用GO优异的光热转换性能，在微纳光纤上涂覆GO胶体，通入较低功率的近红外光后，在微纳光纤周围液体产生大范围的温度梯度场. 微纳光纤周围的温度梯度场可大量捕获周围液体内的微粒，实现了微米量级颗粒的光热捕获，起到了光镊作用. 这种光热捕获方法不仅具有成本低、操作简便、高效和结构简单的优势，基于GO胶体附着位置的可变换性，该方法还实现了在光纤任意位置对大范围颗粒捕获，具有良好的可操作性.

1 光热捕获装置的热场

1.1 光热捕获装置的制备

采用热熔拉锥法制备微纳光纤. 第一步，将普通SiO2单模光纤通过光纤夹板固定在2个水平位移台上；第二步，利用精细的步进仪控制位移台的速度；第三步，待气压稳定后，将酒精灯火焰的外焰靠近光纤，同时位移台匀速拉伸光纤，在火焰部分形成微纳光纤.

利用液滴法制备光热捕获装置. 在注射器的针尖上吸附乙醇分散的GO胶体，微调调整架使微纳光纤头接触胶体[12]. 一段时间后，当微纳光纤撤离胶体时，在微纳光纤的表面即可包裹GO胶体(图1A). 通过控制GO液滴的大小和GO的浓度，可以控制薄膜的长度和厚度. 待乙醇挥发后，在微纳光纤的表面便可形成均匀的GO薄膜(图1B).

图1 GO-SiO2微纳光纤示意图

1.2 热场的描述

已有研究表明，近红外光在微纳光纤传输时，GO胶体沉积在微纳光纤表面，通光后的微纳光纤表面上附着的GO胶体周围将产生局部的热场. 图2A为微纳光纤周围的热场分布，可见微纳米纤以外的热场呈现明显的梯度分布. 该热场中央的温度大约为440 K. 在温度梯度的作用下，GO胶体周围产生的热场具有光镊的性质，可实现大范围的光热捕获. 图2B为GO-SiO2微纳光纤的SEM图，微纳光纤上的GO长约10m，厚度在纳米量级，并以薄膜形式紧密且均匀地附着在微纳光纤表面，形成了与微纳光纤间的良好接触，有利于局部高温的产生.

2 光热捕获装置的应用

通过上述的光热捕获装置可以实现良好的捕获功能. 除了捕获范围大、捕获时间长，光热捕获还具有可以捕获不同材质、形状、密度微粒的优势. 在通入小功率的近红外光后，GO胶体周围产生的热场可对不同微粒产生相同的光热捕获作用，其功率损耗、捕获范围等参量在此过程中无明显变化，对各种微粒皆有良好的适用性[12]，可应用于分子生物学[17-18]、颗粒捕获[10-12]、微小力测量[19-20]、微纳米器件组装[12]等领域. 本文以捕获银纳米线和聚苯乙烯小球为例，说明利用该光热捕获装置实现对微粒的捕获过程.

图2 GO-SiO2微纳光纤周围的热场模拟图及其SEM图

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

2.1 捕获银纳米线

将银纳米线均匀分散在1,2-二甲基甲酰胺(DMF)中，制备银纳米线的悬浊液. 在GO-SiO2微纳光纤周围滴加银纳米线-DMF的悬浊液. 将1 070 nm、50 mW的光耦合通入GO-SiO2微纳光纤中. 经过10 s后，大量的银纳米线聚集于GO-SiO2微纳光纤的表面上. 为定量描述微纳光纤的捕获过程，用某一时刻银纳米线的位置来描述GO-SiO2微纳光纤热场中的运动情况. 从t=0 s到t=0.4 s这段时间内，银纳米线向着GO-SiO2微纳光纤热场的方向运动(图3). 最终，银纳米线吸附于GO-SiO2微纳光纤表面.

图3 利用温度梯度场捕获银纳米线的光学显微镜图像

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

2.2 捕获聚苯乙烯小球

同样地，在制备好的GO-SiO2微纳光纤周围滴入聚苯乙烯纳米颗粒-DMF混合液. 将1 070 nm、50 mW的近红外光信号耦合通入微纳光纤中. 大约10 s后，周围大量的聚苯乙烯纳米小球聚集于GO-SiO2微纳光纤的表面. 在t= 3 s时间内，聚苯乙烯纳米颗粒向着GO-SiO2微纳光纤热场的方向运动(图4)，并最终吸附于GO-SiO2微纳光纤表面. 图中的亮斑是聚苯乙烯小球对光的散射引起的.

图4 利用温度梯度场捕获聚苯乙烯纳米粒的光学显微镜图像

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

3 结论

通过在微纳光纤表面涂覆上一层GO胶体薄膜，制备出具有良好光热转换性能的微加热器. 将低功率的近红外光耦合进微纳米光纤，在GO薄膜周围产生温度梯度场. 该温度梯度场具有光镊的性质，可实现大范围的光热捕获. 结果表明，该GO-SiO2微纳光纤对微粒具有良好的捕获作用，可长时间、大范围地捕获分布于周围液体中不同形状、密度的微粒. 该装置具有操作简单、易于制备、耗能功率低的特点，在微粒捕获、微纳米器件加工等领域有良好的应用前景.

[1] 林炳承,秦建华. 微流控芯片实验室[M]. 北京:科学出版社,2005:456-463.

[2] 李战华,吴健康,胡国庆,等. 微流控芯片中的流体流动[M]. 北京：科学出版社,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.

【中文责编：成文英文责编：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 《华南师范大学学报(自然科学版)》网址：http://journal.scnu.edu.cn/n

国家自然科学基金项目(61177077,81371877)；广东省自然科学基金项目(2013B090500123,2014A030313432,2016A020221030,2013B090500034)；广东省创新团队项目(201001D0104799318)

O43

1000-5463(2016)05-0015-04

*通讯作者:朱德斌，研究员，Email:zhudb@scnu.edu.cn.