中文摘要：

本申请项目拟开展利用亚波长微/纳米线对微颗粒进行光力捕获和操控的研究。主要内容包括研究亚波长介质线在水中的导光性质、倏逝场分布及相应的光梯度力光阱；研究亚波长介质线中的点缺陷和弯曲部分对倏逝场分布的影响；研究点缺陷形状、大小以及弯曲部分的弯曲半径、长度与倏逝场光梯度力的关系，确定获得最大光梯度力的条件；理论计算得到引入点缺陷或弯曲的亚波长介质线周围光梯度力和光散射力的空间分布，分析微颗粒在点缺陷或弯曲附近受力情况；利用单模光纤，通过热熔拉法拉制亚波长二氧化硅微/纳米线并引入点缺陷或弯曲部分；用制作出的器件对水中的微颗粒进行光力捕获和操控测试，并研究通光功率、器件结构、尺寸等因素对颗粒捕获和操控的影响。利用亚波长介质线对液体中微颗粒群体进行捕获和操控这一研究成果在纳米光子学/生物学领域尤其是大量微纳颗粒或生物大分子群体的捕获、传送和清除等方面有重要的研究价值和应用价值。

结论摘要：

通过光力作用、光泳或光热效应等对微纳尺度颗粒、生物大分子和细胞等微小物体进行非接触、无损伤捕获和操控的方法和技术在自然科学和工程技术的很多领域已成为了非常重要的微纳操控手段。而在狭小空间内实现对微颗粒或生物细胞的高效捕获和精确操控则是微纳操控领域的一个研究难点。针对这一问题，本项目开展了一系列基于亚波长微/纳米线对微颗粒进行光力捕获和操控的研究。主要工作内容包括三个方面（1）利用亚波长微/纳米线在液体中的光泳和光热效应实现对微颗粒或生物细胞的群体捕获和操控；（2）利用亚波长微/纳米线对微颗粒的光散射力和梯度力作用实现颗粒沿亚波长微/纳米线表面的各种传送和分离；（3）利用锥形光纤尖端出射光的梯度力实现生物细胞的排列。其中，工作内容（1）取得的主要成果包括（a）系统了研究亚波长介质线在水中的导光性质及相应的光泳力和温度梯度分布，实现了利用单根亚波长光纤产生的逆向光泳力对水中悬浮微颗粒和大肠杆菌细胞的群体捕获和迁移；（b）利用单根微米光纤对微流通道内微生物细胞的逆向光泳力，实现大量酵母菌细胞进行收集和移除，移除效率高达99.9%；（c）利用微米光纤对不同尺寸和材料颗粒所产生的不同大小光泳力，实现不同颗粒的分离；（d）将微米光纤制作成球拍型光纤环，利用逆向光泳效应和光热效应导致的温度梯度对颗粒进行捕获和迁移；（e）利用亚波长光纤尖端出射光的逆向光泳效应组装二维微颗粒晶体。工作内容（2）取得的主要成果包括（a）在亚波长光纤两端同时通入不同波长的近红外光，通过光纤表面倏逝场的光散射力实现了不同大小和折射率的微纳颗粒分离；（b）在亚波长光纤两端通入相同波长的近红外光，实现了微颗粒沿光纤表面的双向传送和定点控制；（c）在亚波长光纤一端通入近红外光，在定向流动的液体中实现了微颗粒的逆流传送。工作内容（3）取得的主要成果则是将单根锥形光纤置于大肠杆菌细胞溶液中并通入近红外光，将流动的大肠杆菌细胞在光纤尖端逐个捕获并排列成一排。这些研究成果结合了亚波长微/纳米光纤尺寸上的优势和近红外光场的较强光力和光泳效应，具有器件结构简单、捕获效率高、操控灵活、可重复使用等特性，可用于高效水净化处理、血液中病毒/恶性细胞的有效清除、新型微颗粒晶体的制备、微流通道或毛细血管等狭小空间内的微颗粒/生物细胞等的分离以及研究细胞间信息传递等方面，在生物化学、生物医学和材料科学等领域有着重要的应用价值。