光流控芯片及其应用综述

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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》（LabonaChip）第11期发表论文“Discretelytunableoptofluidiccompoundmicrolenses”。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

7、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（15～80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