光流体颗粒捕获和处理

光流体颗粒捕获和处理

翟玉翠

中国人民武装警察部队警官学院 基础部，四川 成都 610000

摘要：在微流体中的光捕获和生物微纳米粒子的精确控制提高微系统的分析能力，因为粒子能够传递和控制在传感/成像位置，而不是依靠简短，短暂的相互作用。力图，在微流体通道中的力可以被用来控制细胞成像位置或者在传感区域聚集生物分子来提高检测极限。另外，基于等离子体捕获可以利用等离子体传感器捕获被分析的粒子。本文论述了光捕获与处理，强调了光流体在加强分析性能的应用，讨论了光流体在生物/化学分析方面的潜在进展。

关键词：光流体技术，光捕获。

光流体方法与光流体传感的结合导致微系统中的生物微纳米粒子分析的固有的集成方法。许多近期报道的光流体粒子处理技术和包含的物理机理都在Schmidt 和Hawkins的相关评论中被谈到，也在一些相关评论上出现。下面我们将介绍选择已被证明的生物应用微纳米粒子的光流体操作的应用。

ARROW液体核波导装置已经被强调了由于其独特的光流体性能允许光沿着样品的微流体通道传播。Kuhn等人最近运用ARROW构造作为针对包括大肠埃希氏大肠杆菌细菌小粒子低能光流体捕获。如图3a所示，光耦合进入每个光流体波导端部；光能量梯度导致波导损失捕获力朝向通道的纵向中心。此外，固体波导位于垂直和邻近ARROW，可以分析捕获粒子的荧光光谱。在最近的设计中，作者减少了捕获所需的光能量至接近1μW，显著低于典型的光镊系统。还可以预想一系列对于集成光流体捕获和分析装置有趣的应用，如当抗生素通过该通道传递监视一个特定病原菌的完整性，或动态地记录一个被困生物受体的配位体的结合。

有一种利用光谐振器的特性替代创建高光能量梯度来在微流体环境中捕获粒子的方法。在这篇文章的前面，我们描述了以为光子晶体谐振腔如何来反射耦合到波导中进行反射率传感。在谐振腔中能够形成驻波的频率的光在缺陷处具有高密度场。Mandal等人报道了利用这种谐振器来捕获小到48nm的粒子。同样，Arnold等人和Lin等表明光环性谐振器的回廊模可以捕获纳米粒子并沿着环形谐振器移动它们。这些基于谐振器的捕获可以用反射率或荧光激励来实时分析捕获的例子。Arnold等人报道了微球轮播捕获可以决定被不捕获粒子的大小；由粒子径向的布朗运动引起的基于反射率的信号波动显示了了径向势井和纳米粒子尺寸。

光镊已经成为处理如哺乳动物细胞一样的大生物粒子典型工具。尽管有用的光镊与微流体结合已经被证明，这些系统可能笨重且常常需要高光功率。替代品已经在发展中，来用微流体芯片实现同步的光控制和大量细胞处理。Chiou等人研发了光电子镊，利用在微流体环境中光电流诱导介质电泳（图3b）。这项技术包括应用交流电压加载在微体通道上，通道被夹在ITO层和光导体层中间。照射该光导材料，把它转换成导电性的电极，由于液体介质的电场梯度产生介电力。在光导电层投射光学图像引起电场梯度仅仅来源于被照区域；这使介电电泳通过投影图像控制细胞。Chiou等人利用这种方法创建了15000平行的捕获，使用的光功率低于典型的光镊五个数量级。这项技术具有领先的光流体成像和分析的潜力，通过呈现复杂化的操作还有平行和选择性在分析前捕获细胞。可以设想利用基于微电子机械系统的影像科技来针对同步捕获，复杂操作和多样细胞分类创建动态图像。

前景

光流体是利用光子进行生物/化学分析的最有意义和活跃的进展之一。在过去的五年中，光流体概念确实已经被终端用户的外部遥感社区接受，许多正处于研究的光流体微系统和科技将毫无疑问地商业化以更简单和更有效的方式来解决生物化学和生物医学问题。为了充分利用光流体，我们期望一些新的研究方向。

成像 光流体已经被广泛用于开发高分辨率（亚微米）和低成本的成像系统（或光流体显微镜），可以替代传统的笨重和昂贵的显微镜。这种系统通常依赖于样品传输的微流体，用于成像的CCD/CMOS芯片和掩模和重建高分辨率图像的分析后电脑算法。这些对于细胞分析的成像技术在遥远或资源有限的地方有很大潜力。

气体分析 光流体对于气体检测具有重要应用。一个检测装置包括PCF运用，可以引导气体和光沿着它的长度充分利用光和分析物的相互作用。基于反射率和吸收的PCF气体检测目前都已经被报道。然而，反射率检测缺乏特异性，而吸收虽然具有高度特异性却需要激光覆盖所有气体分子的光谱宽度。为了解决这些问题，研究者们最近运用OFRR连同微气体色谱来实现快速特定气体分析。OFRR作为气相色谱柱和柱上光谱气体传感器，减小连接和在传统微气体色谱结构中的无效体积。已经报道了在四分钟分离和检测十二种气体被分析物。

增强光与物质相互作用同时减少样品体积。改善光子和微流体工程使光和样品局限在费米量级体积，这表示比多数标准光流体装置减少100-1000倍的样品体积。在这种小体积中的强相互作用允许免标记单分子检测或者SERS检测而不需要荧光标记。

利用光流体系统集成 光流体系统或子系统（而不是组件）的发展通过采用和结合色谱法，电泳，光泳和纳米孔将样品分离、纯化、和预浓缩阶段将显著增强目前的生物/化学分析能力。此外，多模检测涉及的结合反射率、荧光和SERS在线性和非线性体系中可以被用来提供生物/化学分析的补充信息。

提高粒子控制和传感之间的协同作用 尽管光流体粒子控制和传感可以被用来检测，我们设想它的最大影响将关于生物过程在细胞和分子水平的发现。例如，这项技术可以替代目前用来研究蛋白质折叠能量景观和蛋白质结合能的大型的光镊系统。

此外，广泛应用的光流体可能会导致不可预见的研究方向。微流体不再是简单的流体元件的小型化，而基于光子学的分析已经超越了仅仅实现更小的生物/化学传感器的目标。光流体协同连接了这两个领域，引起智能微系统能够实现生物和化学分析中的新应用。

作者简介：翟玉翠（1988—），女，汉族，安徽巢湖人，讲师，理学硕士 研究方向：大学物理和实验教学