蛋白质微纳光子器件的飞秒激光直写与特性研究

发布时间：2020-09-29 19:31

　　蛋白质是生命活动得以进行的重要物质基础。经过长期的自然进化，多种多样的蛋白质分子结构、性质、功能独特而又千差万别，且很多都难以被人工材料所模仿和替代。近年来，人们将各种蛋白质（及衍生物）基生物材料与先进微纳加工和集成技术有机结合，以蛋白质（及衍生物）为重要、关键乃至核心材料，实现了各种新型功能化微纳结构、器件与集成系统——这已成为蛋白质基生物材料的一个重要的最前沿研究方向、应用领域和发展趋势。尤其是，蛋白质（及衍生物）在微纳光/电（子）相关的多学科领域交叉性应用方兴未艾。但是，大部分微纳加工成型技术在亚微米乃至纳米精度真三维等能力上的不足或缺失，限制了蛋白质（及衍生物）基生物材料在微纳尺度应用的进一步发展（尤其是三维光子器件与系统）。而另一方面，利用飞秒激光直写技术，人们已经成功的制备了各种器件构型的高质量二维和三维微纳光子器件。但是，其中大多为基于合成聚合物等传统人工材料，一般仅由各异的器件几何结构来实现各种基本原型功能——这又很大程度上限制了飞秒激光直写制备的微纳光子器件的功能多样化及其在传感检测、生物医学等众多领域的应用拓展。针对以上问题，在本文中，我们使用飞秒激光直写方法，定制各种蛋白质基功能化微纳光/电器件。主要研究内容包括：一，飞秒激光直写获得蛋白质基功能化微透镜器件：1，蛋白质基球面微透镜和谐衍射连续浮雕微透镜，实现其优良的器件质量、光学性能、生物兼容性，尤其是“智能”环境响应（pH，离子浓度等）动态调焦能力；2，蛋白质基相位衍射微透镜，在其优良的原型光学特性基础上，进一步实现了环境变化不敏感、可拉伸弯折的柔性、生物降解等特性。二，蛋白质基微纳光波导器件的飞秒激光直写定制和功能化：1，蛋白质基单纳米线光波导，测得其接近人体组织的光学透过窗口（约600纳米附近）和光透过损耗，并且通过加工过程中共聚“探针蛋白”实现了特异性识别光传感；2，灵活设计和制备了多种蛋白质基功能化微纳波导器件（如微型多模耦合干涉光功分器、Y型结微纳光波导功分器）。三，真三维蛋白质基回音壁模式（WGM）微激光器：1，通过综合优化可光加工蛋白质基有源原凝胶、加工参数、“共形”扫描方式，飞秒激光直写制备了高质量的蛋白质基WGM三维微盘；2，无需退火后处理即实现了三维蛋白质基WGM微激光器在空气中乃至水相环境中的高性能、稳定激射（水中品质因子达~3300）；3，测试了器件激射谱中心峰位的环境（盐浓度）响应特性。四，飞秒激光直写定制以丝素蛋白为“核心材料模块”的多样化微纳器件：1，实现了纯丝素蛋白的多光子光刻，表征证明了所得二维和三维丝素蛋白微纳结构的远高于其它蛋白质微凝胶的机械强度（杨氏模量，空气中为~2.2GPa，水相中为~0.22GPa）；2，飞秒激光诱导丝素蛋白交联和金属单质还原装载同步进行，获得了丝素蛋白/银、丝素蛋白/金复合微纳结构与器件，尤其是实现了丝素蛋白/银复合微电导线的长期稳定优良导电性；3，“多维度”调控丝素蛋白/金属复合微纳结构中的金属单质装载量（预曝光还原装载、pH值、溶液组分比例等）；4，ATR-FTIR表征证明各种以丝素蛋白为核心材料的微纳结构中，丝素蛋白发生β折叠结晶（高机械强度的原因），其荧光特性也得到表征；5，首次提出丝素蛋白飞秒激光直写微纳加工的可能机理。综上，在本文工作中，利用蛋白质材基飞秒激光直写技术，首先，获得亚微米乃至纳米级精度的各种高质量二维和三维蛋白质基微纳光/电器件，较好的实现其原型功能，即以蛋白质基材料作为人工合成聚合物的环境、生物兼容理想替代材料。然后，充分挖掘、利用蛋白质本征性质，赋予所制备器件新颖多样的特性与功能。再进一步，在飞秒激光直写加工过程的之前、其中和之后，运用共混复合、化学修饰、矿化还原装载等方法，进行多样的功能化，以得到具备各种“定制”功能的蛋白质基微纳光/电器件。于是，本文工作实现了在材料功能特性和器件几何构型上“双重”任意设计和可控的飞秒激光直写定制，而有助于推动其多样化的应用拓展。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TN248
【部分图文】：

示意图,直写,飞秒激光,双光子吸收

第一章绪论的高能量密度光焦点内与物质发生的非线性作用，例如，多光子吸收引起料聚合、还原、相变、烧蚀、化学键断裂等[71,72,73]。通过计算机控制飞秒激点在目标材料表面或内部的二维和三维直写扫描，完成微纳精度的材料加工型。飞秒激光微纳直写技术在很多场合，也被称为多光子光刻加工技术ultiphoton Lithography）。作为一种非线性光加工技术，它与传统光刻技术相有诸多显著的优点[71,72,73]：

钢箔,皮秒激光,飞秒激光,微孔结构

图 1.2 飞秒激光（a）和皮秒激光（b）烧蚀钢箔制备的微孔结构[96]。2. 真三维、易集成加工、高可设计性与可控性飞秒激光直写多采用波长位于很多材料透明窗口的可见红区或近红外波约 800nm），使激光无（低）损耗的聚焦到材料内部并扫描直写，从而具有的真三维加工成型能力。三维加工虚拟构型由计算机辅助设计，并由计算机扫描直写动作进行三维逐层加工构建。于是，飞秒激光直写加工技术具有高可设计性和可控性，以及复杂结构环境（如微流控系统）中的集成加工能

飞秒激光,罗丹明B,双光子,单光子

【参考文献】