光流控芯片集成操控技术机理与应用研究

With the rapid development of nanotechnology and its interaction with biological sciences and chemistry sciences, the demand is even more urgently for manipulating tiny objects, such as nanoparticles, cells and biomolecules, and controlling the process of reactions among them. Optical trapping and manipulation based on near-field effects of nanostructures has unique potential for large-scale integration, which can be used for optofluidics by combining with microfluidic chip. This proposal focuses on the principles of key technologies for realizing large-scale integrated optofluidic chips, which includes optical manipulation based on integrated waveguides and plasmonic meta-surface. On theory, target particle captive probability in a potential trap and the manipulation based on it were analyzed through statistical mechanics, meanwhile the high density integration schemes based on near-filed effects had been explored. Experimentally, the manipulation mode had been regulated by adjusting the parameters of exciting-light, such as wavelength, polarization, phase, intensity and so on, which expended the application range for multifunctional use. And various logical units based on optical manipulation had been structured and demonstrated for applications in optofluidic chips. Our technology shows promise to become the core technology for low-cost and high-integration optically driven nano-fluidic chips.

随着纳米科技的发展及其同生物、化学等领域的交叉融合，人们对操纵微小物体（纳米颗粒、生物大分子等）之间的相互作用及反应流程控制的需求越来越急迫。基于微纳结构近场光学效应的光捕获和光操控技术是一种可实现大规模集成的微纳操控技术，其与流体芯片的结合即构成了光流控芯片集成操控技术。本申请将通过采用集成波导光操控及等离子超表面光操控两种方式，通过理论分析、数值仿真及实验研究三种手段相结合，研究光流控芯片集成操控的关键技术及其机理。理论方面，从统计力学出发，研究势阱的捕获机理及动态操控机理；探索实现近场光操控手段高密度集成的方法。实验方面，通过宏观调节激励光参数（波长、偏振、相位、强度等）实现对“操控臂”的调节，从而实现对微纳样品的多样化精细操控。进而构造并演示各种类型的逻辑功能单元，并探索其在微小物体之间反应控制芯片中的应用。本技术将有望成为低成本、高集成度的光驱纳流控 “片上实验室”的核心技术。

随着微纳流控芯片技术的发展，基于微纳结构近场光学效应的光捕获和光操控技术是一种可实现大规模集成的微纳操控技术，其与流体芯片的结合即构成了光流控芯片集成操控技术。本项目通过采用集成波导光操控及等离子超表面光操控两种方式，通过理论分析、数值仿真及实验研究三种手段相结合，研究光流控芯片集成操控的关键技术及其机理。 1）研究微纳光学结构表面近场光学的捕获机理及动态操控机理，从粒子运动的郎之万方程和粒子分布的F-P方程出发，探究了近场光学情况下粒子的捕获情况以及在其他操控（如传送、分拣、交换等）方面的应用。更深入的，还进行性了粒子捕获时间的分析，将传统的捕获二元问题转化成了捕获时间的分布问题，进一步拓深了粒子捕获的理论基础。2）探索在纳流控芯片中高密度地集成光操控手段的原理，从表面等离子体以及波导等结构出发，探索了微纳结构能够进行粒子捕获、传送、分拣等功能的条件，并实际情况下探索了多种微纳结构用来进行微纳粒子的操控，并分析实际操控的性能。相关的成果均发表在国际知名期刊中。3）通过宏观调节激励光参数来实现对微纳样品多样化的精确操控的方法，我们探索了从宏观的泵浦光的参数的调整来控制微纳层面的粒子的运动，以便能够更精确、方便的控制微纳层面的粒子，我们设计了多种结果，分别从波长、偏振等因素进行泵浦光的调节，结果均具有很好的微纳粒子操控的效果，相关成果均已发表在国际知名期刊中。4）采用集成波导倏逝波光操控及等离子超表面光操控方式进行粒子调控，根据前期一些基本理论的阐述以及研究，根据微纳粒子操控的一些基本原则，我们设计了波导，sagnac环、表面金阵列等多种波导或者等离子结构。他们也可以通过相应的波长、偏振等参数进行结构热点的控制，从而实现粒子的传送、分拣、交换等多种功能集成的微纳光芯片。经过本项目的研究，在以上4方面都取得了较大的进展，有望成为低成本、高集成度的光驱纳流控 “片上实验室”的核心技术。