利用微纳光纤对微流控芯片中的微颗粒和生物细胞的光泳操控研究

Sieving and sorting of micro-particles and cells in microfluidic channel are hot topics in the fields of micro-/nano-photonics, biological photonics, life science and medicine. With numerical simulations, we firstly study the optical field distribution of the micro-/nano-fiber and the irradiated micro-/nano-particles in liquid to analyse the proper condition for producting obvious positive/negative photophoresis at a low optical power. Based on the simulation and analysis, we design and fabricate the microfluidic chip to meet the demand of different functions. Then the device will be assembled by embedding the micro-/nano-fiber into the chip by a fiber-positioner. Because of the strong positive/negative photophoretic force induced by the light leaked from the micro-/nano-fiber, we can achieve the effective sieving and continuous sorting of micro-particles and cells on the microfluidic chip with low optical power, less damage and non-contact manipulation. In addition, we will further study the mechanism of photophoretic manipulation for different micro-particles/cells in different liquid environment by changing the wavelength and optical power of light source. The photophoretic manipulation method based on microfluidic chip and micro-/nano-fiber can be further applied in drug screening, removal of virus and maliganant cells in blood.

对微流通道中的微颗粒和生物细胞等的筛选以及分离研究是目前微纳光子学、生物光子学、生命科学、医学等交叉学科领域的前沿研究热点。本项目拟通过研究不同直径的微纳光纤在液体中的导光特性，以及受光照后的微颗粒和生物细胞在液体中的光场分布及热分布情况，研究发生正向和逆向光泳的条件以及光泳力的作用范围。以此为基础设计和制作功能性微流控芯片，将微纳光纤嵌入该芯片中，借助于微纳光纤泄露光场产生的光泳力实现对微流控芯片中微颗粒和生物细胞的有效筛选与连续分离操控。该方法具有自由灵活、无损伤等优点。其结果将在药物筛选、病毒/恶性细胞的有效清除等的进一步研究方面具有重要的学术价值和应用前景。

对微流通道中的微纳米结构物体和生物细胞等的捕获和操控研究是目前微纳光子学、生物光子学、生命科学、医学等交叉学科领域的前沿研究热点。本项目通过研究不同直径、不同形状的微纳光纤在液体中的导光特性，以及受光照后的微纳米结构物体和生物细胞在液体中的光场分布及热分布情况，研究发生正向和逆向光泳的条件以及光泳力的作用范围。以此为基础设计和制作功能性微流控芯片，将微纳光纤嵌入该芯片中，借助于微纳光纤倏逝光场产生的光力实现了纳米颗粒的双向传输和可控性定位操控；借助于锥形光纤实现了微流通道内细胞与细胞的接触性排列操控；借助于相向放置的两根锥形光纤实现了银纳米线的可控性定向操控；借助于单根锥形光纤实现了对ZnO纳米线的捕获和阵列操控；借助于麦克斯韦张量方法精确计算线偏振光照射下的任意尺寸的等离子体纳米棒所受到的光学力矩；将银纳米线嵌入PMMA纳米光纤中，借助于其等离子体效应，实现了对纳米颗粒的稳定捕获；借助于双光束聚焦的干涉光束实现了对较大直径银纳米颗粒的三维捕获和对银纳米线的持续旋转操控；使用一束平行的光子纳米喷流实现了纳米颗粒和细胞的捕获和探测；发明了一种结构紧凑、自由灵活的可捕获和迁移微颗粒及生物细胞群体的光学方法和一种可有效分离液体中混合微颗粒的光学方法。我们提供的光学方法具有自由灵活、无损伤等优点，其结果将在药物靶向治疗、药物筛选、血液中病毒/恶性细胞的有效清除、水净化等方面具有重要的学术价值和应用前景。以上研究成果在国际高水平学术期刊上发表SCI 论文6篇，在审SCI论文3篇，申请相关发明专利3项。