微流控光學及應用3

微流控光學及其應用

OptofluidicsandTheirPotentialApplications

南京郵電大學微流控光學技術研究中心CenterofOptofluidicTechnologyNanjingUniversityofPosts&Telecommunications梁忠誠一、引言采用液體作為光學器件結構元素的概念可以追溯到18世紀，那時人們曾將旋轉汞池產生的球面反射鏡用于天文觀察，至今液體材料光學器件仍在光學技術中占有一席之地，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)光學系統(tǒng)主要采用玻璃、金屬和半導體等固體材料。隨著光學技術的蓬勃發(fā)展，固態(tài)器件體積大、成本高、可調性差等問題日顯突出，液體光學器件重又引起了研究者的興趣。隨著微流控光學這一新學科的誕生和新技術的發(fā)展，液體材料器件將會在未來的光學技術領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（Microfluidics)？在微米級結構中操控納升至皮升體積流體的技術與科學。（方肇倫：微流控分析芯片的制作及應用）Optofluidics技術發(fā)展軌跡MEMSMicroElectroMechanicalSystems微機電系統(tǒng)μTASMicroTotalAnalysisSystem

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

微流控光學MEMSμTASMicro-fluidicsOpto-FluidicsMicrofluidicSystem—

LabonaChipApplicationsofmicrofluidicsystemmainlyintheareaofchemistry,biologyandmedicine.–Biologicalanalysis–Medicaldiagnosis–Chemicalanalysisandsynthesis–Drugdiscovery–DrugDelivery微流控光學是現代光學、光電子學與微流控技術相結合而形成的新型交叉前沿學科與技術。微流控技術(microfluidics)意圖實現微量化學或生物樣品的合成與分析，而微流控光學技術則是在微觀尺度上通過操控流體達到調節(jié)系統(tǒng)的光學或光電子學特性的目的。微流控光學研究微流控系統(tǒng)中的光學現象，探索微流控系統(tǒng)與光子的相互作用規(guī)律，目的是開發(fā)具有結構重組和調節(jié)能力的微流控光學器件與系統(tǒng)。什么是Optofluidics？微流控光學系統(tǒng)的主要特點在于可調化、集成化和微型化?？烧{化是通過微流體的操控和置換實現系統(tǒng)結構的調整，集成化則是將微流控分析和光電檢測功能集中在同一芯片以實現系統(tǒng)的微型化。結構可調為自適應光學系統(tǒng)提供了新的技術途徑，功能集成將會促進微流控分析技術的廣泛應用和快速發(fā)展，而微流控與光學技術的融合同時為傳統(tǒng)光學器件的微型化、陣列化、低成本化以及高精度控制提供了可能。Optofluidics的特點和優(yōu)勢Optofluidics的主要應用領域

自適應光學結構可調為自適應光學系統(tǒng)提供了新的技術方案微流控分析功能集成將促進微流控技術的廣泛應用和快速發(fā)展光信息處理開發(fā)新一代微型化和可調控光信息處理器件和系統(tǒng)二、微流控自適應光學可變焦光學微透鏡是一種非常重要的自適應器件，廣泛應用于光成像、光通訊以及光刻技術等領域。相對于傳統(tǒng)可變焦光透鏡，微流控可變焦光透鏡工藝簡單，控制精度高，光學質量好。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首先提出基于介質上電濕潤（EWOD）效應的可變焦光透鏡的原型。此透鏡由一個1μL左右的小液滴組成，將液滴放置在低表面能疏水性介質層上，通過改變介質層下的電極電勢可以控制液滴與介質層的接觸角，從而調節(jié)透鏡的焦距。在外加電壓下，該透鏡的焦距最大可達初始焦距的1.3倍，響應速度約為100ms。EWOD透鏡UMR實驗室B.Berge的EWOD透鏡液體1:絕緣的非極性液體液體2:導電的水溶液。折射率不同，但密度完全相等。EWOD透鏡2003年，T.Krupenkin等提出了一種改進的基于EWOD的可變焦光透鏡。特點是通過電極結構的合理設計，不僅可以使透鏡焦距可調，而且可以使透鏡發(fā)生側向位移。微流控光學變焦透鏡2004年，Philips公司發(fā)布了實用化的液體變焦光學透鏡FluidFocus，該透鏡的結構如圖A所示。在柱狀容器內有兩種不同折射率的液體：一種是導電液體，另一種是絕緣液體。一層透明電極被涂覆在柱狀玻璃表面，然后在內側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圖A；當外加電壓后，由于EWOD效應的作用，外加電勢將降低導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，陳陶，徐寧，涂興華，電調諧微流控變焦透鏡陣列芯片.發(fā)明專利，申請?zhí)枺?00610161275.92.梁忠誠，涂興華，徐寧，陳陶，電調諧微流控變焦透鏡陣列芯片的制作方法.發(fā)明專利，申請?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光學系統(tǒng)的重要部件之一，采用液體表面形變的微流控光學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。最近荷蘭Delft技術大學的研究人員研制了一種液體形變反射鏡并用于動態(tài)波前校正。該反射鏡的鏡面是位于毛細管陣列上的液層表面，表面的形變是由毛細管內液體的流動引起的。6464毛細管陣列的液體表面變形反射鏡原型反射鏡結構示意圖微流控波前校正器在196V方波電壓的驅動下，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，化學合成和分析化學等諸多領域都有重要應用。盡管微流控技術已經實現了將諸多微流分析功能集成在一個芯片中的任務，但多數的光學部件，如光源，傳感器，透鏡和波導卻仍無法集成到芯片中。微流控光學將光學部件與微流體器件集成到同一個芯片上，從而提高微流控分析系統(tǒng)的功能集成度和便攜性。微流控芯片光學檢測系統(tǒng)的兩個最主要的組成部分是光源和探測器，因此光學檢測系統(tǒng)的微型化也就是光源和探測器這兩個主要部件的微型化。二、微流控光學檢測微流控芯片激光器

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。流道中有長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，其波長為567.3nm、線寬是0.21nm，泵浦閾值約為0.8mJ/cm2。通過改變染料組分和機械形變的方法，這種染料激光器的輸出波長可以在60nm的范圍內調節(jié)。Z.Y.Li,Z.Y.Zhang,T.Emery,A.Scherer,andD.Psaltis.Singlemodeoptofluidicdistributedfeedbackdyelaser.Opt.Express.

14(2),696-701(2006).微流控光學顯微鏡（OFM）

OFM是基于一種時空合成原理的無透鏡成像顯微鏡。在微流道的下方沿流道方向放置CCD線列，而在微流道上設置通光孔線陣，CCD像元與光孔單元一一對應，但兩線陣方向相差一個角度。由于流動樣品的各點透光率不同，在均勻光波照射下，每個光孔的光通量是隨時間變化的，光通量的變化由CCD像元檢測，如圖4B所示。通過綜合各個單元的時變信號，可以獲得樣品的光學圖像(圖4C)。這種無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，很容易實現納米級分辨率成像。微流控光學顯微鏡（OFM）一種線蟲（Caenorhabditis）OFM像與普通顯微鏡像的對比，OFM圖像分辨率達到700-nm。微流控光學集成2003年Adams等人使用CMOS成像陣列制作了一個微流控芯片和光學檢測集成化的系統(tǒng)。整個系統(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，這樣就構成了一個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決定,可以達到10μm左右，基本滿足較大物體上的可見光光譜實驗的要求。M.L.Adams,M.Enzelberger,S.Quake,etal.Microfluidicintegrationondetectorarraysforabsorptionandfluorescencemicrospectrometers.SensorsandActuators,A104(1),25-31(2003).在微機電光學系統(tǒng)(OMEMS)之外，微流控光學為光學器件的微型化、集成化、低成本化和高精度控制提供了新的技術方案。利用微流控技術可以在芯片上構建波導、透鏡、開關和濾波等光學元器件，并實現交換、顯示和存儲等功能，這些新穎的微流控光學器件將在未來的信息領域中得到應用。

三、微流控光學集成器件微流控光開關——Agilent氣泡光開關Agilent氣泡光開關是一種較早開發(fā)的全反射型光開關，具有毫秒級交換速度、偏振不敏感性、低串擾、高消光比特性，88和3232光開關陣列已經達到商業(yè)化要求。Agilent氣泡光開關K.Campbell等人研制的一種基于PDMS材料和軟光刻（softlithography）技術制作的22全反射型光開關。該微流控開關的插入損耗小于1dB，響應速度小于20ms.(K.Campbelletal.Amicrofluidic22opticalswitch.Appl.Phys.Lett.2004,

85:6119–6121)微流控光開關——PDMS光開關

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。在未加驅動電壓時，油滴將自動平鋪在水層和疏水性絕緣層之間，顯示單元為“關”狀態(tài)，當可見光入射到顯示單元上時，反射光顯示油滴的顏色。在施加驅動電壓后，油滴收縮趨向一角，顯示單元為“開”狀態(tài)，當可見光入射到顯示單元上時，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).

微流控顯示器實驗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比度、低電壓、低功耗的特點，并可望達到視頻響應速度。

微流控存儲器2004年，Quake研究組發(fā)表了一種基于PDMS材料和軟光刻技術制作的微流控存儲器(MFM)。如圖所示，該存儲器芯片包含25×40個微腔存儲單元陣列，每個存儲單元可以通過行列尋址器獨立選址，并進行微流體的存取操作。微流控存儲器通過存儲液體染料拼成的字母CIT，這種存儲器同時可以用于信息顯示。微流控光學存儲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），數據的存儲通過納米阱對量子點的俘獲實現。采用具