基于光微流环形谐振腔的纳米生物光镊的制作方法
【专利摘要】本发明属光学【技术领域】，具体涉及一种基于光微流环形谐振腔的纳米生物光镊。本发明由硅基芯片式环形微腔和Y分束器或多模干涉型分束器组成，使用可调谐激光光源将光场通过分束器耦合到环形微腔中并在微腔内形成回音壁驻波模式，利用驻波模式产生的光学梯度力实现纳米颗粒定域操纵。该器件突破现有构型的非定域性操纵这一技术瓶颈，结合微流和高品质因子光学微腔的特点，具备低功耗，100纳米尺度内的生物分子定域操纵等优点。
【专利说明】基于光微流环形谐振腔的纳米生物光镊
【技术领域】
[0001]本发明属光学【技术领域】，具体涉及一种基于光微流环形谐振腔的纳米生物光镊。 【背景技术】
[0002]光镊技术作为一种无损伤操作生物颗粒的有利工具，自从上世纪80年代以来已 经被广泛的应用于细胞生物学、分子生物学以及医学等领域。然而，随着生物医学研究对象 尺度的逐渐减小(由微米量级到纳米量级)，传统的聚焦光束光镊已无法产生足够的梯度力 去操控纳米颗粒。近几年研究者体术使用近场光学操控技术来克服这一困难。所谓近场光 学操纵，就是利用光在全反射或金属等离子体激元共振在器件界面处产生的倏逝场来捕获 或操纵纳米量级的目标颗粒。由于倏逝场通常在百纳米尺度内衰减为零，光强的空间变化 率很大，因此，光场能提供足够强的，用于约束纳米颗粒的梯度力。目前，基于近场光学操纵 原理的器件主要有三种:光波导器件，光学谐振腔器件以及等离子激元型器件。其中光学环 形谐振腔被认为是最具发展潜力的近场光学操控器件之一。
[0003]利用光学环形谐振腔进行颗粒操纵的研究主要优势在于:(1)和光波导相比，环 形谐振腔通常具有高的Q值，因此只需要较低功率的输入光即可以在微腔内形成足够强的 内建光场，产生可以束缚小尺度颗粒的梯度力；(2)制备工艺与集成光学工艺相兼容(3)便 于制备光微流集成器件，提供一种微量、高通量快速的光学操纵方式。然而，目前环形谐振 腔光学操纵技术还无法真正得以应用，因为现在环形谐振腔构型都是非定域操纵方式。由 于腔内的光子只朝一个方向环绕运动，其切向动量只能为目标颗粒提供单向推动力，导致 颗粒被迫做定向圆周运动，无法静止或移动到其他位置。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提出一种便于在环形谐振腔对纳米量级生物分子实施定域操 纵的纳米生物光镊。
[0005]本发明提出的纳米生物光镊，使用微流基片光学环形谐振腔中的驻波光场取代行 波光场的光镊，从而实现定域操纵纳米量级颗粒。
[0006]本发明提出的光微流环形谐振腔的纳米生物光镊，由如下部分依次组合构成:Y 型分束器或多模分束器1，相位调节电极2，环形谐振腔3，微流室4。相位调节电极2位于Y 分束器或多模分束器I的一个臂上，环形谐振腔3位于Y分束器或多模分束器I的两个臂 之间；Y分束器或多模分束器1、相位调节电极2、环形谐振腔3三者集成于硅基片上，封装 于微流室4内，构成便携式lab-on-chip器件；微流室两端和特氟龙软管相连，含被操纵颗 粒的溶液通过软管输入到微流室中。
[0007]本发明中，环形谐振腔3采用双向耦合微腔构型。
[0008]本发明中，分束器波导和环形谐振腔可由SiN薄膜或聚合物薄膜材料构成。
[0009]本发明中，环形谐振腔的谐振环直径可为I微米到200微米。
[0010]本发明中，相位调节电极可由电、热或光敏材料构成。本发明原理如下:为了能够实现定域操纵，要求环形谐振腔中的回音壁模式光子对目 标颗粒的切向推动力必须是双向的。因此，可使用如图2所示的双向耦合微腔构型，通过分 束器两臂将两束相干光反向耦合到同一个微腔中，激发起双向的回音壁模式。由于光子在 正反两个方向上都存在切向动量，目标颗粒具有两个方向相反的切向推动力，当微腔内形 成回音壁驻波模式时，其稳定的光场分布就可以提供定域捕获目标颗粒的梯度力，通过控 制其中一入射光束的相位可以改变驻波的光场分布，从而实现目标颗粒的切向定位操纵， 而激发不同阶数的回音壁模式光场可以实现目标颗粒的径向定位操纵。
[0011]本发明将分束器和环形谐振器集成，通过分束器将两束相干光反向耦合入微腔 中，在腔内形成回音壁模式驻波光场，通过调节输入光的相位和激发不同阶数的模式来实 现对颗粒的定域操纵。本发明为近场光学操纵提供了新的思路，可解决环形谐振腔对纳米 量级生物分子的定域操纵难题，并使之朝生物医学实际应用方向更进一步。本发明突破现 有构型的非定域性操纵这一技术瓶颈，结合微流和高品质因子光学微腔的特点，具备低功 耗，100纳米尺度内的生物分子定域操纵等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为基于光微流环形谐振腔的纳米生物光镊结构图示。其中，(a)硅基光微流 环形谐振腔平面示意图，(b)硅基光微流环形谐振腔光镊示意图。
[0013]图2为双向耦合微腔构型示意图及回音壁驻波模式。
[0014]图3为硅基光微流环形谐振腔光镊制备流程示意图。
[0015]图中标号:1为Y型分束器或多模分束器，石英管，2为相位调节电极，3为光学环 形谐振腔，4为PDMS微流室。
【具体实施方式】
[0016]下面通过具体实施例进一步描述本发明:
实施例:微米尺寸聚苯乙烯(polystyrene, PS)小球的操纵实验。
[0017]1.样品制作及参数设定:制备方案如图3所示，首先，以具有厚SiO2薄膜层 (d>2 u m)的硅片为衬底，通过制备SiN薄膜或聚合物SU-8薄膜作为波导层；再利用紫外 光刻技术和干法或湿法刻蚀技术制备环形微腔结构；制备低折射率(掺氟化合物，如CYTOP 等)上覆盖层，并制备单模波导区域的相位控制电极；通过套刻技术，刻蚀微腔区域的微流 通道；最后，用PDMS封装成微流盒。
[0018]2.测量方法:首先，将微米尺寸的聚苯乙烯小球水溶液输运到微流通道中；采用 1550纳米或850纳米窄带可调谐激光光源，通过光纤将激光耦合入微腔器件，测量微腔的 谐振波长，再将光源的输出波长固定在谐振波长附近；通过带有CCD的显微镜系统实时观 察PS小球在微腔上的束缚状态；再通过调节相位电极的电压改变回音壁模式的相位使小 球发生移动。通过以上实验步骤，可以系统地研究该构型对目标颗粒的定域操纵。
【权利要求】
1.一种光微流环形谐振腔的纳米生物光镊，其特征在于由如下部分依次组合构成:Y 型分束器或多模分束器，相位调节电极，环形谐振腔，微流室；其中，相位调节电极2位于Y 分束器或多模分束器的一个臂上，环形谐振腔位于Y分束器或多模分束器的两个臂之间； Y分束器或多模分束器、相位调节电极、环形谐振腔3三者集成于硅基片上，封装于微流室 内，构成便携式lab-on-chip器件。
2.根据权利要求1所述的光微流环形谐振腔的纳米生物光镊，其特征在于环形谐振 腔采用双向耦合微腔构型。
3.根据权利要求1所述的光微流环形谐振腔的纳米生物光镊，其特征在于分束器波 导和环形谐振腔由SiN薄膜或聚合物薄膜材料构成。
4.根据权利要求1所述的光微流环形谐振腔的纳米生物光镊，其特征在于环形谐振 腔的谐振环直径为I微米到200微米。
5.根据权利要求1所述的光微流环形谐振腔的纳米生物光镊，其特征在于相位调节 电极由电、热或光敏材料构成。
【文档编号】G02B6/28GK103592782SQ201310505909
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年10月24日 优先权日:2013年10月24日
【发明者】吴翔, 李明 申请人:复旦大学