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光流控芯片及其应用综述 前 言随着人类文明的不断进步，人们对光学的研究也逐渐深入，尤其是到了21世纪，光不仅在我们的生活和生产中扮演着越来越重要的角色，而且它也成为了很多科研工作者的重要研究方向。随着科学技术的发展，器件变得越来越微型化的，为了降低成本，减少人力投入，削减废料产生，提高通量和自动化程度，提高实验精准度和可重复性，现代科学研究常常需要将各种科学实验集成在一块小芯片上，即“芯片上的实验室”。光学器件也不例外，随着现代光学技术的蓬勃发展，光学器件的微型化、可调化和集成化已成为了光学技术的重要研究方向，因此科学家们创造了光流控芯片。顾名思义，光流控芯片是指将对光的产生、控制以及处理光信号的功能集成在一片芯片平台上的装置。它是以光流控学位理论基础并结合微加工技术的产物。光流控芯片的研究目前还刚刚开始，但已爆发处其巨大的潜力，目前在细胞生物学、分析化学、化学合成、显微技术、显像技术和激光技术的等诸多领域都得到了很好的应用。相信光流控芯片在未来几年将会得到快速的发展，其应用范围也大大扩展，并逐步走出实验室实现商业化。 第一章 光流控学 在具体谈光流控芯片之前，我们不得不先谈一谈光流控学（微流控光学Optofluidics）,它存在的意义是为在芯片平台上产生、控制以及处理光信号提供了一种独特的解决方案。不同于20世纪60年代的射流技术以宏观机械控制为目标，微流控技术意图实现微量化学或生物样品的合成与分析，而微流控光学技术则是在微观尺度上通过操控流体达到调节系统的光学或光子电子学特性的目的。微流控光学研究微流控系统中的光学现象，探索微流控系统与光子的相互作用规律，目的是开发具有结构重组合可调能力的微流控光学器件与系统。微流控光学是将微流控学与光学技术融合在一起的为传统光学器件的微型化、阵列化、低成本化及高精度控制提供了可能。而微流控光学又是由微流控学发展而来，它是将微流控技术与微型光学器件交叉集成的一门新兴学科。微流控学是微流控光学的基础，它的定义是：【1】在为尺度与介观尺度(纳升级)上研究流体行为，以及相关的设计与应用的，由物理、化学、微加工与生物技术等学科组成的领域；【2】在微米级、纳米级结构中操控纳升至皮升体积流体的技术与科学。微流控技术是微全分析系统和芯片实验室的支撑技术。 而微型光学器件有很多，像微型传感器、微型棱镜、波导管、光纤、微型反射镜、微型光源和微透镜等。然而，在诸多微型光学元器件中微透镜是一个重要研究目标，它们可以应用于光刻、光开关和光学成像领域。近年来，多种基于不同原理的自适应式液体微透镜已经在多个领域特别是生命科学中得到了应用，例如细胞分选、单细胞分析等等。这里想详细的讲诉一下基于微流控原理的微透镜的发展：在早期，科学家通过更换微镜芯片的液体来调节折射率，从而实现变焦功能。这其中存在的主要问题是器件的响应速度较慢。后来科学家发展出基于PDMS(聚二甲基硅氧烷)弹性高分子材料的微镜芯片。在这种芯片中，液体被灌入一个个由PDMS薄膜构成的微腔中以形成微镜。通过改变微镜单元的形状也就是曲率半径来实现变焦。但这种设计高度依赖外接压力源的稳定性，存在变焦不够精准、可控性不够好等问题。现今发展出了很多基于不同原理的微透镜，有通过向微镜单元内充入不同液体来改变折射率，从而实现变焦的功能；有通过改变微镜薄片微流道内液体的流速来改变其折射率来实现变焦的；有通过控制微镜液滴两端电势差的方法来改变微镜的形状实现变焦的；也有通过调节微镜单元内填充的液体的密度的方法来改变液体折射密度，从而实现改微镜变焦的目的。而黄岩谊研究组刚刚在芯片上的实验室（Lab on a Chip）第11期发表论文“Discretely tunable optofluidic compound microlenses”。他们利用PDMS，通过多层软光刻技术研制出一种新型的、具有大变焦比和焦距高精确度可调的液体复合微透镜集成芯片。该微透镜结构包含三个联动的微镜单元，里面可以根据需求填充合适的光学介质。在控制层阀门的数字式调控下，各个微镜单元产生可调控的形变，一组尺寸700微米的微镜的焦距可以在数厘米至数百微米之间精确变换，实现可控的大变焦比和显微成像。相比以前报道的各类光学芯片，这种新型复合微镜具有几个方面的优势，包括高度自动化、大变焦比（7x）、更广的可调视角（1580度）、大的应用范围（从毫米以下级到厘米级）、大数值孔径（最大可达0.44）、以及更小的镜头尺寸（直径数百微米）以及更短的响应时间（约100毫秒）。黄岩谊研究员在接受自然光子学采访时说，该项技术不仅解决了过去十多年来光流控微透镜研究者所面临的多个棘手问题，而且为构建其他类型的可调节光学微型器件提供了新的可能性。从上边的例子可见液体透镜特性的调节通常都是通过微流控的方法来实现的。调节液体棱镜的折射率和液体反射镜的反射率以及调节液体微流道内液体的折射率使其表层实现全反射等诸多微型光学元器件功能也都是通过微流控的方法来实现的，可见微流控在光流控芯片的制造原理中起着非常重要的作用及其与光流控学联系的紧密性。 第二章 光流控芯片概述一，光流控芯片的结构光流控芯片一般可分为三层：第一层也就是顶层，它的上面一般集成了一些微流控器件如微型泵和微型阀门等。这一层的作用是实现了对芯片内微流道内液体的主要控制。中层通常是以PDMS(聚二甲基硅 图 一氧烷)为基板，并在基板上刻蚀处具有一定功能的微流道这一层是芯片的主要功能区，它通常实现了光的处理和控制。因此中层也是主要的研究目标。第三层也就是低层通常集成了光学水晶、波导管、探头和光源等。这一层的功能是提供光源和对处理过的光信号进行收集。图一是常见光流控芯片的实物图和演示图。二，特点及优势光流控芯片在近几年得到了很快的发展，它具有一下特点：将光学器件集成在一块芯片上，实现对光信号的生产、控制及处理。实现了光学系统的结构的可调化、功能的集成化和系统的微型化，可调化是通过微流体的操控和置换实现系统机构的可调，集成化则是将微流控分析和光电检验功能集中在同一片芯片以实现系统的微型化，结构可调为自适应光学系统提供了新技术途径，功能集成将会促进微流控分析技术的广泛应用和快速发展，而微流控与光学技术的融合同时为传统光学器件的微型化、阵列化、低成本化以及高精度控制提供了可能。由于具有以上的这些特点，光流控芯片在科研及生产方面就具有了成本低、人力投入少、废料产生少、自动化程度高、精准度和可重复性高等优势。三，应用范围 虽然光流控芯片目前还处于研究的初级阶段，但其潜力是巨大的，目前科研工作者已在很多领域尝试使用光流控芯片，如：细胞生物学、化学合成、化学分析、显微技术、显示技术、光开关数据储存等等，并得到了很好的效果。尤其是在生物学方面已经开始走出实验室，部分技术已达到应用层面。 第三章 光流控芯片应用实例及原理分析 图二所示的是一种只做在芯片上的显微镜，它是由美国加州理工学院（caltech）的微流控光学光学集成中心研制的。与传统的透镜成像显微镜不同，OFM是一种基于时空合成新原理的无透镜成像显微镜，其基本结构如图二（a）所示。在微流道的下方延流道方向放置CCD线阵，而在微流道与CCD之间设置通光线孔线阵，CCD像元与通光孔一一对应，两线阵方向相差一个很小的角度。由于流动样品的各点透光率不同，在均匀光波照射下，每个光孔的通量是随时间变化的，光通量的变化由CCD像元检测，如图二（b）所示。通过综合各个单元的时变信号，可以获得样品的光学图像图二（c）。这种无透镜显微镜的分辨率主要取决于通光孔径的尺寸以及光孔横向间距，很容易实现纳米级分辨率成像。图二（d）是一种线虫的OFM像与普通显微镜像的对比，OFM图像分辨率可达490nm,因此图二（e）所示的OFM芯片堪称目前世界上最小的显微镜。一，世界上最小的显微镜（OFM） 图 二 图 二 二，一种光处理芯片的原理右图是一种光处理芯片的示意图，它的功能主要是分光和光扫描，而实现这些功能主要是通 图 三过调节微棱镜内薄片微流道内苯甲醇（ ethylene glycol黄色）和去离子水（DI water白色）的流速使棱镜的顶角在（75度135度）之间变化，这一变化导致光线的偏离角在（-13.5度22度）内发生变化，左下角为棱镜改变的示意图。若使棱镜的顶角固定，可以实现对混合光的分光，如果使顶角角度不停地有规律的变化，那么就可以实现射出光线扫描的功能。三，核磁共振远程探测器 2010年美国芝加哥大学的 James Franck Institute 发表了一篇关于一种新型探测器的论文，他们研制出的这种新型的探测器的基本原理与传统的核磁共振探测器并没有区别，都是通过核磁共振的方法探测不透明物体的内部结构，不同的是传统的核磁共振仪是将被测物整体探测、成像和分析，这样就导致其分辨率很低，而且未定性差，很难将其应用到细胞工程和探测分子、原子量级，而吉姆斯学院所研制出的新型核磁共振远程探测器利用了稀疏采样和远程检测的原理恰好克服了它的这些缺点。它的原理如图（四）， 所示：首先稀疏采样的概念是将采样的范围缩小，将要分析的细胞或是物质通入基板上的微流道，这样就实现了检测的针对性，排出了其杂质的干扰，减少了测试信息的采集量。而远程测试则是指将一个核磁线圈悬在微流道周围将其圈住， 图 四当有被测物通过微流道时，线圈就会采集到它们的信息并将信息编码传送到远处的分析成像系统中，便实现了探测分析的功能。四，基于手机平台的细胞计数器图五是一种基于手机平台的细胞计数器，它的优点是方便、实用 和廉价等，这是美国加利福尼亚大学的研究成果。它是的原理是这样的：将荧光标记过的样品通过PDMS基板上微流道进入成像空间，而成像空间的上面则放置了一个LED光源，光源照射荧光物标记过的微粒样 图 五品，样品发出荧光，这时样品就会被放置在成像空间下方的手机摄像头所拍到，并成像。其成像结果如图六，这样的图像在经过专门的软件处理就能获得通过微流道的微粒的具体个数了。 图 六五，微流控存储器美国加州理工学院的微流控光学光学集成中心COI研究了一种基于量子点/纳米阱结构的微流控光学存储器，其基本原理结构如图七所示。电寻址纳米微腔阵列用于俘获纳米颗粒（量子点），数据的存储通过纳米阱对量子的俘获实现。采用具有不同荧光特性的量子点，可以进行多 图 七阶段编码存储。基于类似原理COI进行了所谓鸡尾酒式量子点光谱编码存储实验。他们将能够发出不同荧光色的量子颗粒按不同比例混合后进入纳米阱存储单元，实现数据的写入。用激光照射纳米阱，通过荧光谱相对强度的检测就可以实现数据的读出。六，光开关 右图是Agilent气泡开关，它是较早开发的一种全反射型光开关，这种开关基于平面波导光路，在 图 八波导交叉处刻蚀一条沟道，并注入与波导相匹配的液体，如图八（a）所示。当波导交叉处为折射率匹配液体时，开关处于“通”状态。此时，若光信号从输入端输入，光信号将沿着通到行进，在交叉处直线传播，不发生全反射，因此大部分光信号都从相应的输出端输出；当波导交叉处为气泡时，光波导和液体界面满足全反射条件，开关处于“关”状态。此时，若光信号从输入端输入，信号在交叉处发生全反射，光路发生改变，因此大部分光信号从另一端输出端输出。Ahgilent开关具有毫秒级交换速度、偏振不敏感性、低串扰、高消光比的特性，经过不断改进，32*32光开关阵列应经达到商业化要求，图八（b）是带有光纤连接的光互连阵列系统照片。 第四章 总结与未来前景展望 光流控芯片是一种集成了微型光学器件并融合了微流控技术的芯片平台。它具有结构的可调化、功能的集成化和系统的微型化等优点，结构可调性为自适应光学提供新的技术途径，光学检测与微流分析功能的集成将促进微型全微分析系统技术的应用和发展，光学与微流控系统的融合则为传统光学器件的可调化和微型化提供了可能。在器件越来越微型化的今天，科学研究常常需要将各种科学实验集成在一块小芯片上，即“芯片上的实验室”。用于科学实验的光流控芯片被称为“芯片上的实验室”恰到好处。它的优点在于降低成本，减少人力投入，削减废料产生，提高通量和自动化程度，提高实验精准度和可重复性等，虽然光流控芯片离商业化应用还不多，但相