集成光流控芯片中的微纳粒子操控及分选

发布时间：2020-09-30 13:31

　　随着现代的医学以及生物化学的发展,相关的研究已经深入到了分子级别,研究人员愈发需要从单细胞乃至分子级别去分析解决问题。由于单细胞以及分子尺寸非常微小,传统的操作方式精度已经不能达到需求,微流控技术便逐渐发展起来。同时,如何捕获单细胞乃至分子,分子的传送以及不同大小分子的筛选都成为相关研究的热门方向。传统的光镊技术通过聚焦激光,利用聚焦形成光斑的光学力来对微米级别的目标进行捕获和操控。然而传统光镊技术由于激光聚焦本身的衍射极限,无法实现更小面积的聚焦,这导致传统光镊对亚微米以下目标样品进行操控时需要更高的光功率。并且传统光镊还有所需设备庞大、无法批量操作目标样品的缺陷,所以面对亚微米以下的目标样品时,需要用到新型近场光学颗粒操控技术。新型近场光学颗粒操控技术主要包括基于波导近场光学力的粒子操控技术、基于光学谐振腔的粒子操控技术以及基于表面等离子体共振的粒子操控技术。近场光镊不仅能够规避激光聚焦热效应的影响,还能够实现在光流控芯片上对纳米级别颗粒的捕获,存储,传输以及分选。并且近场光镊的芯片结构微小,有利于实现在光流控芯片上的大规模集成。基于表面等离子体共振的光学颗粒操控技术,我们设计了一种新型的以纳米颗粒为固体载体的抗体快速检测芯片。该芯片通过改变入射光的偏振方向,可以捕获和传输尺寸合适的纳米颗粒。我们使用抗原抗体修饰不同大小的纳米颗粒,抗体颗粒能够在椭圆间传输,抗原颗粒只有与抗体颗粒结合才能被拖拽并传输,通过鉴定出口处抗原颗粒的荧光标记来测定抗体。我们的芯片设计提供了一种新的二维平面的粒子分选方案,并且由于具有并行检测的能力,我们的设计为快速、高通量的微流体通道抗体检测提供了一个有吸引力的方案。基于微环谐振器倏逝波的光学捕获力,我们设计了一种可调谐的光学流体分选装置,用于通过局部热相位调谐来实现微纳米粒子的分选。随着谐振器内场增强系数的变化,捕获势阱的深度以及捕获粒径的阈值是可调的。此外,通过从统计角度考虑被捕获粒子的布朗运动,我们验证了势阱的临界捕获阈值,通常假设为1KBT 阈值不仅取决于光学功率和粒径,还取决于耦合区域的长度。与波长调谐机制相比,局部热调谐的方式可实现许多独立可调谐振器的大规模集成。我们提出的功能单元对于光流控系统的片上大规模集成具有重要意义。综上所述,本文中我们设计了两种芯片结构。第一种芯片基于金纳米椭圆结构实现了二维平面粒子的操控以及分选,并且以纳米颗粒为载体能够实现抗体颗粒的快速检测。第二种芯片基于环形谐振腔实现对亚微米级别颗粒的捕获、寄存以及分选,并且该结构是基于热调谐方式进行操控颗粒,有利于微环在芯片上的大规模集成。
【学位单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN491
【部分图文】：

示意图,锥形,光学镊子,红细胞

＿■逡逑■■逡逑图１．３单个红细胞捕获｜３１］：邋（ａ）当启动光阱时，血流速度太快，无法区分单个细逡逑胞。（ｂ）然后流量逐渐减慢，以便可以在光学镊子上区分单红细胞。（ｃ）邋４．２９秒后，光学逡逑镊子捕获红细胞，而其他红细胞仍在流过。（ｄ）细胞被保持在诱捕器中，并且其他红细胞逡逑流出视野。白色十字标记表示光阱中心，箭头表示血流方向。逡逑（ａ）逦（ｂ）逦逦逡逑ｗｍｍ逡逑＾邋ａｍ逡逑图１．４光摄捕获锥形虫丨３２丨：（ａ）用于捕获运动锥形虫的光学镊子设置示意图；（ｂ）逡逑不同流动条件下捕获的锥形虫图像的叠加，锥形虫被以流速■的速度从光阱中拖出。逡逑还有Ｅｒｉｃ邋Ｓｔｅｌｌａｍａｎｎｓ等利用光镊和实时成像系统能够直接捕获锥形虫并在逡逑空间受限的情况下分析细胞的运动性。如图１．４所示，在运用光镊捕获锥形虫后逡逑观察了锥形虫的运动特性。逡逑同时，光镊聚焦的光斑照明具有一定的强度，可以促进一定空间内的光化学逡逑５逡逑

示意图,光阱,血流速度,红细胞

ｗｍｍ逡逑＾邋ａｍ逡逑图１．４光摄捕获锥形虫丨３２丨：（ａ）用于捕获运动锥形虫的光学镊子设置示意图；（ｂ）逡逑不同流动条件下捕获的锥形虫图像的叠加，锥形虫被以流速■的速度从光阱中拖出。逡逑还有Ｅｒｉｃ邋Ｓｔｅｌｌａｍａｎｎｓ等利用光镊和实时成像系统能够直接捕获锥形虫并在逡逑空间受限的情况下分析细胞的运动性。如图１．４所示，在运用光镊捕获锥形虫后逡逑观察了锥形虫的运动特性。逡逑同时，光镊聚焦的光斑照明具有一定的强度，可以促进一定空间内的光化学逡逑５逡逑

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