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华南师范大学邢晓波课题组:应用于微粒/细胞捕获和分选的光流微镊

2018-12-30

华南师范大学邢晓波研究员课题组在片上光流控技术的研究中取得重要进展,提出了一种对介观微粒进行操控的光流涡旋微镊。该涡旋微镊具有单光源激发、吞吐量大、灵活性强、易于集成的优点,实现了对不同尺寸微粒/细胞的捕获和分选。

研究微纳米尺度流体特性和流体中的微纳米材料操控是当前的国际研究热点。基于微流控芯片与光波导的有机结合,用于捕获和操纵介观粒子的片上光流控技术已经取得了一定的成果。目前,光流控的研究主要集中在光镊技术,传统光镊操作范围达到数百纳米,可对生物细胞进行选择性捕获。光纤光镊技术具有制备简单、易于集成的特点,在单元芯片上实现了目标样品的制备、反应、分选、检测等基本操控。但是,光镊难以对介观物质进行高吞吐量捕获和高纯化率分离。

作为光流控技术的另一重要分支,光控微流涡旋的研究尚处于初步阶段。本研究发展了基于光热波导的光控微流涡旋,将其应用于捕获和分选介观颗粒。首先,将氧化石墨烯(GO)引入光波导系统,成功地制备了GO-SiO2光热波导。当工作波长为1.55 mm的光信号输入波导中时,GO包层产生热量,使得周围液体形成椭球型温度场。当光热波导工作在气液界面时,温度场将产生以激发热源为中心并平行于液面的光流涡旋阵列。在光流涡旋内,微粒受到指向涡旋中心的剪切梯度升力FL和平行于流速方向的粘性力FI,从而被捕获到涡旋中心区域。研究证明,剪切梯度升力FL与微粒粒径D呈正相关,不同尺寸的微粒稳定在不同的涡旋轨道上旋转。通过光热波导与三角形通道的集成,验证了沿三角形通道移动光热波导可以连续调节温度场的椭圆度和涡旋强度,从而实现了微粒旋转轨道的调谐,同时在外部流的协助下,实现了对不同尺寸微粒的分选。


图1 (a)光热波导产生以激发热源为中心并平行于液面的光流涡旋阵列;(b)光流涡旋捕获微粒示意图;(c)三角通道中,光流涡旋分选微粒示意图。


图2 (a),(c),(e)不同通道宽度下的流速分布模拟图;(b),(d),(f)当光热波导移动到等腰三角通道的不同位置时,800 nm和2 μm PS颗粒运动轨迹,通道宽度分别为(a,b)d5 = 120 μm、(c,d)d6 = 100 μm和(e,f)d7 = 75μm。

该研究成果以Size-tunable capture of mesoscopic matters using thermocapillary vortex为题,发表在Applied Physics Letters [113, 13, 131602 (2018)]上。本文第一单位为华南师范大学,第一作者为硕士生杨剑鑫,通信作者为邢晓波研究员。该研究得到了何赛灵教授的大力支持。

近年来邢晓波课题组一直致力于光控微流涡旋技术的研究,取得了多项优秀的研究成果,本文得到了国家自然科学基金和广东省自然科学基金的支持。

论文链接:https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5037862

课题组链接:https://mp.weixin.qq.com/s/f1pM4wS_wnktktpTvXWD5g