（理论物理专业论文）基于激光加工石英微型通道用于光镊操纵的研究.pdf

摘要摘要本文首先综述了国内外微米通道的研究以及应用现状，介绍了现有微通道的加工方法并对其进行比较j 提出激光诱导等离子体法和激光诱导热能法加工石英微米通道的新方法。这种新型加工技术具有简单、方便、快捷的特点，而且能够实现三维可控的高精度加工，解决了现有微通道加工方法对石英材料的局限性，可望石英在微流体系统方面得到广泛的应用。激光捕捉技术被形象地称为光镊，是利用一束高度会聚的激光形成的三维势、阱实现对微小粒子( 亚微米到数十微米大小) 精确定位和操控。本文对这一新型技术的研究与发展状况以及具体应用领域进行了介绍。本人从理论和实验两方面对光镊技术进行了深入的研究，实现了光镊对各种微粒的捕获与操纵，设计实验装置对透明与不透明微粒捕获实现了统一。文中还对双折射晶体的旋转操作进行了初步的研究，在此基础上可望研制光致动微马达。文中创新性的提出光镊技术在微米通道内的应用，并且成功地在激光加工的石英微米通道内实现酵母细胞的捕获与操纵。基于以上实验可在石英基片上制作用于分离病毒和细胞的细胞过滤器。利用微纳米通道的尺度限制，同时利用光镊技术作为辅助手段分离细胞与病毒，以求在医学分析上找到一个用途。关键词微通道；光镊：梯度力；散射力：激光扫瞄式俘获；散射a b s t r a c tt h i sd i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e st h ei n v e s t i g a t i o na n da p p l i c a t i o n so nm i c r o c h a n n e la l lo v e rt h ew o r l d a l lk i n d so fm e t h o d so nm i c r o m a c h i n i n ga r ei n t r o d u c e da n dc o m p a r e dw i t he a c h o t h e ri nt h i sp a p e r t w on o v e lt e c h n i q u e sc a l l e dp l a s m a i n d u c e dp r o c e s s i n ga n dt h e r m a l i n d u c e dp r o c e s s i n gw h i c ha r eu s e dt om a k em i c r o c h a n n e la r ep r e s e n t e d t h en o v e lt e c h n o l o g yp o s s e s s e sm a n yv i r t u e s ，s u c ha ss i m p l e n e s s c o n v e n i e n c ea n ds p e e d y i tc a nn o to n l yb ec o n t r o l l e ds i m p l yb u ta l s of u l f i l lt h r e e d i m e n s i o n a lm a c h i n i n gw i t hh i g hp r e c i s i o n ，w h i c hi sn o ta c h i e v a b l eb yc o n v e n t i o n a lm i c r o - m a c h i n i n gt e c h n o l o g i e s i tb r o k et h el o c a l i z a t i o nt h a tq u a r t zc a n tb em a c h i n i n g e db yc o n v e n t i o n a lt e c h n o l o g i e s q u a r t zm a y b ew i d e l yu s e di nm i c r o f l u i d i cs y s t e m l a s e rt r a p p i n gt e c h n o l o g yi sc a l l e do p t i c a lt w e e z e r s w h e nat i g h tf o c u s e dl a s e rb e a mp a s s e st h r o u g ham i c r o p a r t i c l e ，t h ep a r t i c l ew i l lb eo r i e n t a t e da n dc o n t r o l l e dw i t hh i g ha c c u r a c y ，d u et ot h et h r e e - d i m e n s i o n a lo p t i c a lg r a d i e n tf o r c e r e s e a r c h ，d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n so nt h en o v e lt e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e di nt h ep a p e r t h e o r i e sa n de x p e r i m e n t sa b o u tt h eo p t i c a lt w e e z e ra r es t u d i e di nd e t a i l a l lk i n d so fm i c r o - s i z e dp a r t i c l e sa r et r a p p e da n dm a n i p u l a t e db yl a s e rt r a p p i n g a nu s e f u ld e v i c ew h i c hi su s e dt ot r a pb o t ht r a n s p a r e n ta n do p a q u ep a r t i c u l a t e si si n v e n t e d b i r e f r i n g e n c ec r y s t a lc a nn o to n l yb em o v e da n dp u s h e db u ta l s ob er o t a t e db yt h er a d i a t i o np r e s s u r e b a s e do ni t ，am o t o rw h i c hi sd r i v e db yl a s e rc a nb ed e v e l o p e di nf u t u r e w ei n n o v a t e t h a to p t i c a lt w e e z e rt e c h n o l o g yc a nb eu s e di nm i c r o c h a n n e l a tl a s t ，y e a s tc e l lw a st r a p p e da n dm a n i p u l a t e db yt h ef o c u s e dl a s e rb e a mi nt h em i c r o c h a n n e lw em a c h i n i n g e d a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n ta b o v e ，af i l t e rm a d eo fq u a r t zc a nb eu s e dt os e p a r a t ec e l l sf r o mv i r u s b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n ts i z e so fc e l la n dv i r u s w ec a nf a b r i c a t e dm i c r o c h a n n e la n dn a n o c h a n n e lt of i l t r a t ec e l l s a n da b o v ea l l ，o p t i c a lt w e e z e rc a nb eu s e da sa ni m p o r t a n tt o o lt om a n i p u l a t ec e l l i tm a y b ei i摘要p l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nm e d i c i n a la n a l y s i si k e yw o r d s 】m i c r o c h a n n e l ：o p t i c a lt w e e z e r s ；g r a d i e n tf o r c e ；d i s p e r s i o nf o r c e ；l a s e r - s c a nt r a ps c a t t e r i n gi i i第一章前言1 1 选题背景、依据及意义第一章前言在科学迅猛发展的今天，单一学科的研究已不能适应科学自身发展的需求。多学科、多角度的交叉联合研究已成为当今自然科学发展的大趋势【1 】。这就要求开拓新研究领域，开发新的实验技术、方法和手段。特别是后者，往往成为交叉学科的切入点，新研究方向的生长点。近十年来微流体系统的，微型电子机械系统技术已应用于研究发展上，此技术更推动了微流体系统的微型化，例如气体套色板，液体套色板，电泳，聚合物链锁反应( p c r ) ，化学分解系统和微反应装置等。最近，微流体系统的应用更扩展至遗传基因及蛋白质分析，以及药物传递及药品发明。以上这些应用需要使用微米管道及洞穴空腔来作为流体或气体传递及储存。由于微流体系统变得普及，大大突显出微型管道系统的制作技术的重要性。、就加工的材料来说，硅、石英、玻璃、塑料各有优点。石英在强度、散热性、透光性和绝缘性方面与硅不相上下，但它批量加工的可行性小并且它的键合难度大，这些都影响了它的广泛应用于微流体方面。，为解决传统工艺在加工石英晶体制得微米通道的局限性并且应微流体系统对微纳米通道的要求，课题组开发出激光诱导热能法与激光诱导等离子体法两种比较好的加工石英玻璃片制得三维微米通道的方法，同时可以根据材料的力学性质控制裂纹的生长方向进而制作出纳米级通道。激光微加工相比其它加工方法能显示出自己的优点，比如通道的质量较好，加工方法简洁，易于操作。它弥补了传统加工工艺在石英加工方面的不足，使石英微米通道的制作变得简单易行。通过、解决加工“瓶颈”使得石英可望在微流体方面得到广泛的应用。本论文创新性地提出将光镊技术应用到微米通道内细胞的操纵，通过激光加工微通道技术和光镊技术的交叉运用寻找到了一个新的研究切入点，这是比较有意义的工作。进一步可以在石英基片上研究制作细胞过滤器。利用微纳米通道的尺度限制，设计制作用于分离病毒和细胞的细胞过滤器。同时光镊技术也可以作为辅助分离细胞与病毒的有效手段。细胞过滤器的使用直接可用于医学分析。第一章前言同时，利用光镊装置实现了晶体微粒的旋转操作，可望进一步研制出光致动的微马达，微执行器。进而引入到微米通道内做一些前期探索性的研究工作，可能在医学上用于人体血管堵塞的清理工作。在以上研究的基础上，希望研制出微流体器件在m e m s 以及生物医学工程领域中找到新的运用。1 2 本论文的研究内容本课题的研究包括理论和实验两部分。深入研究光镊的关键技术、光与各种微粒互相作用的机理，从理论和实验上实现对各种微粒的捕获。为光镊技术提供理论指导和技术支持。用n d ：y a g 激光器加工石英玻璃片，对激光诱导热能法与激光诱导等离子体法两种加工方法的原理以及加工工艺进行了分析和说明。接着利用激光诱导热能法与激光诱导等离子体法两种方法加工得到了所需要的微米通道，并对两种加工方法的加工效果以及局限性进行了分析和对比。研究并搭建光镊系统。在此基础之上，将其应用于生物学方面，将细胞进样到石英玻璃片内的微米通道里面，运用光镊技术实现微米通道里面细胞的操纵，这也是夸课题的主要创新点。进一步对微米通道的厚度、曲率半径以及散射因素对光镊实验的影响进行了理论分析。论文中还有一个比较有趣的实验是对c a c 0 3 微粒的旋转操作，利用c a c 0 3 晶体微粒对光的双折射效应改变激光光束的角动量，从而实现c a c 0 3 晶体微粒的旋转。可望以此为契机研制出光驱动的微马达。1 3 本论文的组织结构本论文的第一章前言部分对立题背景及本论文的主要工作进行了阐述和说明，首次提出将光镊技术运用到激光加工的石英微米通道内，通过微通道加工技术和光镊技术的结合，寻找到新的研究切入点。第二章综述了国内外微通道及光镊技术的研究和应用现状。微通道主要应用在微流体领域；光镊技术的研究总体来说已经发展得比较成熟了，其应用主要集第一章前言中在生物学方面，目前它已在表面科学及凝聚态物理等领域得到了应用与发展。但目前为止尚未看见有将光镊技术引入到微米通道内的报道。第三章介绍微通道的制作方法，列举并阐述了当前微米通道的加工方法及工艺，指出现有加工工艺存在的弊端和局限性。重点介绍了激光诱导热能法与激光诱导等离子体法两种加工石英晶体方法的原理。该方法对加工石英晶体非常凑效，弥补了传统工艺对石英材料加工的局限性，文中还对这两种加工方法进行了比较。，第四章讲述了光镊的基本原理以及实验系统的搭建。对光镊的机理进行了较为深入的研究，从理论和实验上实现了光对各种微粒的捕获与操纵，设计一套实验装置实现了透明与不透明微粒捕获的统一。另外，还实现了双折射晶体微粒的旋转操作，对其给予了理论分析。第五章是光镊实验部分。采用激光诱导等离子体方法n i 石英玻璃片得到微米通道，然后将酵母细胞进样于微通道中制得光镊样品，在显微镜的载物台上成功实现了微米通道内细胞的捕获与操纵。对微米通道壁的厚度、散射和曲率半径等因素对光镊实验的影响进行了理论分析。第六章是对全文的一个总结与归纳，得到了一系列结论。第七章是对下一步工作的安排和打算以及微通道技术和光镊技术的展望。第二章微通道发光镪发展现状第二章微通道及光镊发展现状1 微通道的研究及应用现状微通道广泛的应用于芯片制造、微电子器件、生物芯片，传感器、执行器、光电子器件等多个领域，近来比较热门的是用微通道来构建生物芯片l 。自从l99i 年福多尔等人提出d n a 芯片至今，以d n a 芯片为代表的生物芯片技术已经得到了快速的发展。世界上第一个微流体器件由英国帝国理工大学的曼齐、美国橡树岭国家实验室的拉姆齐等科学家在1990 年代初研制成功。该器件是利用常规的平面加工工艺( 光刻、腐蚀等) 在硅、玻璃上制作的。最近怀特赛兹等人提出一种“软光刻”微加工方法，即在有机材料上印制、成型出微通道结构，从而能方便地加工原型器件和专用器件。另外这个方法还能构建出三维微通道结构，并能在更高层次上控制微流体通道表面的分子结构。目前，微通道的一个非常成功的运用领域就是喷墨打印机。压电式喷墨技术是将许多小的压电陶瓷放置到喷墨打印机的打印头喷嘴附近，利用它在电压作用下会发生形变的原理，适时地把电压加到它的上面。压电陶瓷随之产生伸缩使喷嘴中的墨汁喷出，在输出介质表面形成图案。因为打印头的结构合理，通过控制电压来有效调节墨滴的大小和使用方式，从而获得较高的打印精度和打印效果。图2 1 喷头结构剖面示意图微通道的一个典型的应用就是构建流体控制的微阀和微泵，最具代表性的工作是美国q u a k e 研究小组将3 5 7 4 个微阀、1 0 0 0 个微反应器和1 0 2 4 个微通道集成在尺寸仅有3 3 m m x 6 m m 面积的硅质材料上，完成了液体在内部的定向流动与分配。除了在生物芯片，微阀和微泵方面外，微通道还被用于构造热交换器。由于其4第二章微通道放光镊发胜现状自身在尺寸上的优势以及高的散热率，它极大的满足了便携式电子产品的使用要求。2 0 0 3 年l o 月6 ：日，由斯坦福大学机械工程学院的肯杜德桑、汤姆肯尼和胡安圣地亚哥3 位教授创办的c o l i g y 公司宣布研制成商品化的主动式微通道冷却器，散热潜力高达1 0 0 0 w a m 2 当前最高端的处理器的热输出量约为2 5 0 wc m 2 ) 。微通道的制造从开始的一维慢慢的扩展n - 维，三维。目前微通道的品质己经可以满足应用要求，未来的发展方向是将微通道同其他器件和外围电子线路键合，以及实现微通道制造的三维立体化。2 2 m 内外光镊技术的研究与发展状况1 9 7 0 年，a s h k i n 提出，可以利用会聚激光束产生的辐射压力影响可透光的微米尺度中性微粒的动力学特性，并提出了两种基本的光压力沿入射光束方向的散射力和沿光强梯度方向的梯度力。并在1 9 8 6 年首次实现了光钳操纵( 也可称为光镊) ，对位于水中的1 0 m 2 5 m 微粒的光学捕获【4 “。随后将光镊技术应用到了生物学领域，第一次观察到对生物活细胞、细菌、病毒等的捕获1 7 9 】。光镊技术发展的非常快，已经能够实现对细胞的捕获、分离操纵和测定驱动力。拉伸并延展d n a 分子，细胞的融合【1 0 12 1 。s t a n d r e w s 大学的s i m p s o n 等人利用l a g u e r r e g a u s s i a n 光束实现在水中悬浮的透明玻璃小球或聚四氟乙烯小球的旋转【1 3 。新发展的光纤光镊技术较好的解决了操纵位于狭窄位置( 如：深孔中) 的微粒1 1 7 】，而且也容易实现多光镊操纵。中科院物理所光物理实验室是我国首家建成可以测量纳米量级位移和皮牛顿量级力的光镊系统的单位。他们从1 9 9 8 年开始承担了基金委第一个物理与生物交叉的重大课题“发展进场技术，研究生物大分子体系特征”的子课题“双光镊研制及在细胞骨架蛋白力学测定上的应用研究”。经过五年的工作、设计、研制成了国内第一台能精确测定微小位移及作用力的双光镊系统，该系统对微米对象的操纵精度达纳米量级。位移和力的测量精度分别达纳米量级和亚皮牛顿量级，最大测力范围可达3 0 p n 1 8 “】。中国科技大学不仅对光作用力进行了理论分析【2 7 28 1 ，还对适合于在细胞、亚细胞层次研究的光镊微操作系统进行了构建及改进【2 9 - ”】。他们针对生物样品的特第二章微通道及光镊发展现状点，利用工作波长分别为o 7 8 、o 8 弘m 的激光器研制了近红外光镊系统，实现了对不同类别、形状、大小各异的酵母、烟草、水螅间细胞、红细胞、骨髓瘤细胞及小麦胚芽细胞器的捕获与操纵，并把光镊和光刀这两个各具特点的工具耦合到一起，为有效地进行生物学研究打下了较好的基础，成为国际上少数拥有这一设备的实验室之一。在生物应用领域，他们开展了对细胞生命周期的监控、j 激光诱导细胞融合及水稻染色体的分选与回收等研究课题【3 4 36 1 。此外，扬卅i t s - 院【3 7 】、南开大学【3 8 ) 、南昌大学【3 9 】、云南师范大学等单位也分别对光镊的机理与应用进行了分析与阐述，北京大学也进行了光镊的研究与构建【4 0 枷】。目前，中科院化学所、力学所等单位也正在着手进行光镊系统的构建与应用研究。2 3 光镊技术的应用目前光镊技术的应用研究的热点主要集中在生物学方面。a s h k i n 首先将光镊技术应用到了生物领域，为了减少对生物样品的损伤，他又将红外激光器应用到光镊系统，实现了对活体细胞的无损伤操纵。随后，人们逐渐将这一技术广泛地运用到了生物学的研究。1 9 9 1 年，s t e u b i n g 等人将单光束梯度力光阱与脉冲紫外激光微束组合进行激光诱导细胞融合，可以有选择地融合两个细胞而避免用化学和电处理所造成的致命的损伤。用波长为1 0 6 4 n m 连续的n d ：y a g 激光导入显微镜，通过一个高数值孔径物镜聚焦而形成光阱。紫外激光微柬由氮分子激光泵蒲染料激光器产生( = 3 6 6 n m ) ，并与光阱光束精确共轴。一旦两个细胞进入光阱，就可以用几个紫外激光脉冲诱导其融合。这种方法可以提高产生各种杂交细胞的选择性和效率【4 2 】。1 9 9 3 年，j o s 九g r i m b e r g e n 等人利用红外激光产生的光阱可以成功地分选单种酵母细胞，并把它们移植到培养板上培养。这是光阱通过高分辨显微镜，按照细胞形态结构的不同进行选择的一种新的分选方法。应用这种方法可以分选形态有变化的突变体和酵母亚群，以分别对它们进行研究或起始纯系培养【4 3 】。研究分子马达的机械特性是光镊的典型应用之。1 9 9 3 年，s v o b o d ak 等人利用光学镊子把载有单个动力原蛋白质一驱动蛋白分子的有孔的二氧化硅小珠放在微管上，用干涉量度学分析它们在不同的负荷下的运动。首次观测到了驱动第二章微通道及光镊发展现状蛋白沿微管以8 n m 为步幅的台阶式运动，得出结论驱动蛋白沿微管的运动是离散：的，且每步之间的时间间隔是随机的。之后，g m r w g u c h i 等人将光阱沿微管扫描j观测被光阱捕获的结合驱动蛋白的小球的受力情况，提出驱动蛋白的“h a n d o v e r h a n d ”运动模式。1 9 9 4 年f i n e r 等人用负反馈增强的双光镊系统测量了在肌肉收缩中起主要作用的肌球蛋白和微丝之间的作用力和相对运动步幅【4 5 】。1 9 9 8 年m i c h e l l ew a n g 等人利用负反馈控制的单光镊系统测量了在基因表达中起关键作用的r n a 聚合酶以d n a 为模板转录r n a 的转录速度和作用力【4 6 】。在分子水平的应用还有很多，如s t e v e n m b l o c k 等人通过标定阱力和测量由这个力产生的扭转，确定了被束缚的大肠杆菌和运动的链霉菌的鞭毛扭转的顺应性【4 7 】，通过拉伸研究d n a 分子的弹性【柏】以及通过打结研究微丝的刚性【4 9 】等等。光镊的另一类典型的应用就是研究细胞膜的机械特性。有两种方法经常被采用，一种是通过细胞大面积变形来测量其弹性；另一种是通过点提拉使细胞膜局部变形成丝的方法，根据丝的长度、直径、成分及受力情况来研究细胞膜的机械特性。具体是在细胞的径向两端分别粘一小球，用双光镊分别夹住- d , 球，移动其中的一个光阱使细胞膜产生变形，测量其形变和受力的关系进而了解其弹性。1 5 0 4 2 】。当然，光镊的应用并不局限于生物领域。目前它已在表面科学及凝聚态物理等领域1 5 3 - 5 7 1 得到了应用与发展。其中，以m i s s a w a 为代表的日本r e s e a r c hd e v e l o p m e n tc o r p o r a t i o no fj a p a n 研究组设计了一种光镊分时操作装置【5 8 1 ，使一束光可形成多达8 个独立的光阱他们利用这一装置对乳胶微粒操作技术进行了多方面的研究，能有效地控制粒子的流动方向、选择颗粒的大小以及空间图案的排布。他们还发现表面结合了极性或非极性功能分子团的聚苯乙烯小球与溶液中的荧光探针分子相互作用，可使后者发射的荧光波长和强度发生变化，从而通过荧光信号可以探知小球表面的化学性质。这种荧光分析法过去是将小球与溶液作为一个整体加以研究，只能得到样品的平均荧光信息。现在，结合光谱测量技术，光镊可以随意地操纵或固定单个小球的空间位置，因此可以探测单个小球表面结合物发射荧光的细节，从而确定小球表面的分子结构。金属颗粒由于具有反射特性，所以一向认为不便利用光镊对其进行有效操第二章微通道发光镊发展现状纵。现在理论和实验都已证明了光镊可以有效地操纵金属微粒。目前关于光镊操纵金属颗粒作为探针在纳米技术中的应用正在探索中。除此之外，光镊技术在基础物理学、大气物理、重力场和流体场等精密测量领域的应用也正在研究中。总之，光镊技术已受到世界各国，特别是技术发达国家和地区科技工作者的广泛关注，这一技术已被广泛地应用于生物学和物理学众多领域的研究。随着光电器件性能的提高和光镊技术的进步，光镊技术必将得到越来越广泛的应用。2 4 本章小结本章主要对国内外微米通道的研究与应用以及光镊技术的研究与应用情况进行了综述。由于市场对廉价、高效、低功耗、微型化器件的巨大需求，微通道已经广泛的应用于微电子器件，生物芯片，传感器，执行器，光电子器件等多个领域。光镊技术近几年也发展的非常快，主要是应用于生物领域。然而，笔者尚未见过将光镊技术应用到微米通道内的报道，想在这方面找到个切入点，做一点开创性的研究工作。第三章石英微米通道的加工第三章石英微米通道的加工3 1 现有微通道加工方法简介微细孔结构在工业中有着广泛的应用。主要应用于汽车和柴油机的油泵油嘴j 化纤喷丝板、计算机喷墨打印头：电子显微镜光栅、集成电路板、高速通讯设备中的光导纤维连接器，航空、航天、航海仪表元件，涡轮发动机叶片、以及红血球细胞过滤器等产品上。，制作微通道的材料通常有单晶硅、玻璃、石英等。最近，也有些学者报道了采用有机聚合物加工微通道的方法，本节主要介绍目前应用较多的硅微加工制作微通道的方法。然后简要介绍几种其它特种微细加工方法f 5 9 删制作微通道方法。3 1 1 硅加工硅微加工源自集成电路制造技术，是目前微细加工的主要制造技术【6 l 】。先利用光刻、刻蚀在硅衬底上形成微通道结构，最后通过键合工艺形成封闭的微通道。如下图3 1 所示：d e )i 0 2 、s i , n + 二二二硅( b )口口口图3 1 体硅加工制作微通道工艺【6 l j制备工艺为：( 1 ) 首先在晶面硅衬底上双面氧化一层s i 0 2 ，接着淀积一层s i 3 n 4 ；( 2 ) 对硅衬底背面进行光刻，刻蚀掉裸露的s i 0 2 s i 3 n 4 层，得到微通道的进出口图形：岂第三章石英微米通道的加工( 3 ) 用k o h 溶液对硅衬底进行各向异性刻蚀，直到将整个硅片刻穿为止：( 4 ) 接着进行正面对准光刻，刻蚀掉裸蒯s i 0 2s i 3 n 4 层，得到微通道的图形；( 5 ) 用湿法或干法对硅进行刻蚀，于是在硅体上形成微通道的结构；( 6 ) 用硅或玻璃作为微通道的顶盖，通过键合工艺，形成封闭的微通道。硅加工工艺较为成熟，但难以得到具有较大高宽比的三微结构。目前，已经有报道利用这种技术加工得到微米通道，如下图3 2 n 示：图3 2 先刻蚀后键合得到的微米通道【6 2 l首先是在硅基片上刻蚀出微小的凹槽( 如图下部分所示) ，然后用另一层晶片覆盖，通过键合工艺结合成微米通道。我们可以看出这个工艺过程比较复杂。而且仅仅只是能够在基片表面进行加工。石英在强度，散热性，透光性和绝缘性方面与硅不相上下，但它批量加工的可行性小并且它的键合难度大，这些都影响了它的广泛应用。3 1 2 微细电火花加工电火花加工利用在低电压和高电流密度的放电过程中，每一次脉冲放电造成材料微团的去除和放电坑的产生，无数个相继产生的微小放电坑最后形成了所需要的最终形状和表面状态。其特点是加工阻力极小，加工对象是金属等导电材料，主要用于加工微孔、槽、窄缝，以及微电极、微冲头和定位销等微细轴类零件，加工孔径可达m 级，加工厚度为数肿级，加工精度为1 帅，可实现三维微细加工。缺点是不适合批量生产。1 0第三章石英微米通道的加工3 1 3 电子束和离子束微细加工电子束加工是在真空条件下，幂4 用聚焦形成的高密度电子束冲击零件表面使材料局部熔化和汽化来进行加工。这一技术可用于某些微细加工，如：打孔、。切缝、刻蚀。在微米量级微孔加工中，电子束可实现每秒数千孔甚至数万孔的高效加工。电子束也是一种重要的光刻技术。离子束加工原理与电子束相似，也是束流经过加速、聚焦后冲击到材料表面。不同之处在于离子的质量要比电子大几个数量级，因此离子柬具有更大的动能，主要是靠撞击效应来进行材料去除。在离子束加工中，其束流密度和离子能量可精确控制，所以离子刻蚀可以达到纳米级的加工精度。离子束的加工效率很低，适合于微量去除的场合。3 2 激光微加工随着近代工业和科学技术的迅速发展，越来越多的产品向着微型化及精密化的方向发展，在这些产品上使用硬度大、熔点高的难加工材料越来越多，而使用传统的加工方法已不能满足微细孔加工的工艺要求。激光是一种具有亮度高、方向性好和单色性好的相干光，经聚焦后形成直径为亚微米级的光点，焦点处的功率密度可达到1 0 8 - 1 0 11 w c m 2 , o o o o c 以上，可在瞬间熔化和汽化各种材料。激光加工就是使材料局部加热，进行非接触加工，它适用于各种材料的微细加工，主要应用有打孔、焊接、修整、光刻等。实验室使用的是武汉大华激光科技有限公司提供的n d ：y a g 激光器。型号为d p s s 7 5 ，打标频率为2 0 0 0 h z ( 可调) ，光斑大小3 4 1 a m ，额定激光功率7 5 w ，激光模式为基模或低阶模，波长为1 0 6 4 n m ，脉冲宽度1 4 0 n s ，峰值功率4 0 k w 。3 2 1 石英的物理性质石英是硅质原料中的重要矿物，其主要成分是s i 0 2 ，一般为无色或白色，具有玻璃光泽，比重为2 6 5 ，性脆，断口呈油脂光泽及贝壳状，摩氏硬度为7 ，密度为2 6 5 9 c m 3 - 2 6 6 9 c m 3 ，在正常大气压下，熔点为1 7 1 3 。c ，结晶完好透明的石英，则是水晶( 6 3 1 。石英具有独特的化学、物理特性，以及独特的光学特性。石英晶体在紫外与红外波段( 0 1 4 7 4l - tm ) 有较好的透过率，如图3 3 所示，虚线为天然石英晶体第三章石英微米通道的加工的透过率曲线，实线为人造石英的透过率曲线【6 4 】，被测石英玻璃片厚度为1 0 m m 。倚捌缎图3 3 天然及人造石英的透过率曲线l ”j石英玻璃是以二氧化硅单一组分构成的特种工业技术玻璃，是玻璃态的二氧化硅，s i 0 2 纯度高达9 9 ，9 9 5 ，又称熔凝石英。石英玻璃中s i 一0 键强很大( 1 0 6 千卡摩) ，因此就决定了石英玻璃具有软化温度高、耐高温、硬度大、化学稳定性好等特征。石英玻璃具有一系列优良的物理化学性能，它耐高温，热膨胀系数极小，仅为5 1 0 c ，故热稳定性极好，并具有良好的电绝缘性，透光性能好，既能透过紫外线，也能透过红外线，更是良好的耐酸材料，其真空性能好，高温真空度可达l 1 0 。7 泊。因此石英玻璃被称为“玻璃之王”。石英玻璃被广泛应用于高新技术，如半导体技术、集成电路制造、光纤通讯、激光技术、航天技术以及国防军工等部门。本实验组从上海石创光学玻璃仪器有限公司购入石英玻璃片样品，石英玻璃片如下图3 4 所示：图3 4 石英玻璃片1 2第三章石英微米通道的加工激光微加工法是单步加工工序，工艺简单并且有很强的灵活性。具有非接触加工、打孔速度快、无污染、对工件热影响小等优点，对脆硬材料的加工更突显其优越性【6 5 1 。下面介绍激光加工石英阿两种方法。，3 2 2 激光诱导热能法在光学材料中，石英对所有可见光几乎都是透明的，在紫外波段和近红外( 如1 0 6 4 微米) 也有很好的透光性能，且吸收系数不变，这种现象为一般吸收；只是3 5 5 0 微米的红外光却是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，这种现象为选择吸收 6 6 1 。尽管石英对可见光和近红外光的吸收都非常的小，但只要激光束的光密度达到一个极限照射功率大约1 0 1 3 w m 2 时，也可以实现石英的加工。而且当石英表面有缺陷或污垢时极限功率会大大降低【6 7 j 。占孔是通过蒸发而非通过液相逐出产生的，实验事实己经表明，产生感光作用与热效应的是光波中的电场矢量e ，刻蚀的的驱动力认为是电场引起的【6 8 】，激光束中的电场可以用公式计算。由于在空气材料分界面处的反射作用，表面处的电场将与在空气介质中计算出的结果不一样。让我们先计算一下在石英晶体的入射面与出射面的电场强度。石英晶体n 3 5 激光入射石英晶体相变示意图【6 7 】如图3 5 所示，入射的激光束在介质表面处部分的被反射部分入射到晶体中在上表面处被反射的光束的相位变化为1 8 0 。在此表面处电场的计算可以表示为：e 。= e + e ，= 2 e ；( n + 1 )( 3 1 )从上面的图可以看出，上表面处光是从光疏介质到光密介质的入射，反射光第三章石英微米通道的加工束的相位变化为1 8 0 。，下表面处光是从光密介质到光疏介质的入射，反射光束的相位不变化。假设介质的折射率为n ，空气的折射率近似为l ，在出射面处电场的计算表示如下：e 。= e ，2 十& = 4 n e i ( n + 1 ) 2( 3 2 )根据数学知识& ：e 。= ( n + 1 ) 2 n 1( 3 3 )从公式( 3 3 ) 可以看出，在出射面处光的强度较入射面处更大，可以预言：石英晶体片在激光束的照射下是从晶体的光出射面处优先开始加工，而不是在上表层。这个效果也确实在实验中得到了验证，应用调o n d ：y a g 激光从石英晶体的下表面开始加工，开始的第一个激光脉冲形成_ 个小黑点，这个点又会对后来的激光脉冲有吸收作用，这样占孔过程就形成了，如图3 6 所示。图3 6 激光诱导热能法制作微米通道示意图 6 9 】激光诱导热能法得到的微米通道如下图3 7 所示，可以看出加工时产生了一些次级裂纹，通道入口处如图3 8 所示。图3 7 激光诱导热能法加工石英得到的微米通道中间部分1 4第三章石英微米通道的3 w r图3 8 激光诱导热能法得到的微通道入口处激光诱导热能法即传统意义的激光钻孔法，该方法导致的热裂纹会减低微通道的光洁度。通过对材料的内应力进行分析和研究，在热加工的过程中，控制裂纹的生长方向，可以得到纳米级通道。如图3 9 所示，1 ，2 ，3 处所示为激光诱导热能法得到的微米通道的入口处，入口之间为形成的纳米通道。钻孔时通道入口之间的距离一般取为2 - 3 m m ，这样得到的纳米通道的尺寸为4 5 0 2 0 0 0 n m 。图3 9 纳米通道制作示意图【8 9 l3 2 3 激光诱导等离子体法激光诱导等离子体法是通过控制在激光加工过程中的石英等离子体的产生，利用激光诱导等离子体的极度高能高热来对石英基片进行微钻孔，该方法可加工出内壁光滑的、内径可控的高质量微型通道，但该方法制作的通道长度取决于激光诱导等离子体可产生的深度。基于石英晶体的激光诱导等离子体加工方法已经有部分学者作了比较深入i”第三章石英微米通道的加工的研究。j z h a n g ，k s u g i o k a 和k m i d o r i l 【a w a 合著的文章【7 0 】介绍了影响通道加工品质的一些因素。他们发现激光脉冲的功率与消融速率呈一个非线性函数的关系：随着激光脉冲功率的增加，消融速率也会增加，另外激光脉冲频率也是个重要因素。1 9 9 9 年，他们发表文章【7 1 】对不同材料的加工情况以及用不同波长的激光器进行加工的效果进行了对比。通过分析用不同波长激光对材料进行加工时消融速率的变化关系得到结论：在低激光能量密度时，2 6 6 n m 的波长所取得的加工效果较好，在高激光能量密摩时，1 0 6 4 n m 的波长加工效果较好。采用调q 纳秒级n d ：y a g 激光器发出波长为1 0 6 4 - m 的激光加工石英晶体块，利用激光诱导等离子体法加工的方法，通过激光加工时产生的等离子体诱导表面物质融化，汽化并且液相逐出，形成一个孔穴，然后形成一个通道。从而实现石英材料占孔 7 2 。，其特性是局部温度高、离子密度大、气体压力大、空间直径小( 约l m m ) 。如图3 1 0 所示，让激光束聚焦到石英晶体的上表面，当焦点处光斑的功率达到一定值时，就会产生等离子体并开始加工。从原理上看，激光加工存在一个能量的平衡：激光束的辐射能量和传递到加工件中的热量( 包括散失到周围环境中的能量和相变所需要的能量) 。m 3 1 0 激光诱导等离子体法加工示意图叫用激光光束烧蚀材料表面，在高温的情况下材料被等离子化，形成等离子气体，由于等离子气体的温度极高( 材料被等离子化需很大的能量) ，因此用它来进一步加工材料是很合适的。激光占孔时通常采用基模t e m 0 0 ，这种光束的能量，在空间呈高斯分布，如第三章石英微米通道的加工下图3 1 1 所示强度1 0图3 iit e m 。o 模激光束的空间强度分布p 越激光诱导等离子体加工的方法较之传统的其它方法有简单、方便、快捷的特点，虽然石英是一种光学性质非常透明的材料，质地坚硬而且易碎，但用这种方法能够显示出独特的能力。如图3 1 2 所示为用激光诱导等离子体加工方法在石英玻璃片的一个角里面加工出来的微米通道。左右两侧黑色区域为玻璃片的边缘，加工方向为从左侧到右侧。可以看出用此方法在石英晶体内部能生成光滑内壁的微米通道。测得的通道的直径范围是6 0 9 0 帅，右边的通道的直径可以通过设置占孔式样的直径进行调节，激光占孔实际上是在燃烧材料。图3 1 2 石英晶体中的微米通道拍照得到了石英通道入口处的照片如图3 1 3 所示，用激光诱导等离子体加工方法得到的微米通道的入口比较光滑。入口直径尺寸约为1 5 0 m 。第三章石英微米通道的加工问题图3 1 3 石英通道入口激光诱导等离子加工法比较好的解决通道壁的多裂纹和壁面平整度不高的3 2 4 两种激光微加工方法的比较激光诱导热能法的优点是可以自动控制激光会聚光斑的移动方向，可以得到任意形状的三维微米通道，如下图3 1 4 所示，缺点是得到的微米通道有很多的次级裂纹，使内壁很粗糙。再加上酵母细胞的出芽生殖的特点会使进样带来很大的困难。图3 1 4 激光诱导热能法得到的兰维微米通道【6 9 1激光诱导等离子体加工能够得到内壁比较光滑的微米通道，当然这种方法也有其局限性，通过实验验证微米通道加工的最滦尺寸为4 唧，如下图3 1 5 所示为在石英玻璃片中个未被打通的微米通道第三章石英微米通道的加工图31 5 激光诱导等离子体加工未被击穿的微米通道激光加工总体的技术还不完全成熟，目前这项技术还处于实验室阶段，我们f可以考虑将激光加工法与其他工艺相结合，来提高通道的品质。3 3 本章小结本章先对现有微细加工方法进行了介绍，重点介绍了现有比较好的制作微米通道的方法硅加工，这种技术采用先在硅基片刻蚀一个槽后在上面覆盖一层玻璃键合的方法能够得到比较理想的微米通道，但是制作程序比较麻烦。由于石英的键合难度大，故不适宜采用此方法。本实验组加工石英得到微米通道的方法有激光诱导热能法与激光诱导等离子体法两种，本节对两种加工方法的原理进行了介绍。激光诱导热能法能够加工三维可控的微米通道，但加工时会产生次级裂纹，通过控制裂纹的生长方向可以加工出纳米通道，缺点就是加工的微米通道内壁粗糙，不适合酵母细胞进样。激光诱导等离子体法能够加工出比较光滑的微米通道，但加工通道的深度具有局限性最多只能够加工到4 r a m 即停止。第四章光镊技术4 1 光镊的基本原理第四章光镊技术光镊是利用光学梯度力形成的光阱来俘获和操纵微观物体。通过移动光束我们可以方便地实现迁移或翻转俘获物体。因为这种光学技术在另一个尺度实现了传统机械镊子的功能，所以被称为光镊技术。光镊操纵的对象一般是细胞、d n a ，细菌等大分子。一般透明或半透明，尺寸比波长大。光镊是利用光与物质问动量传递的力学效应形成的三维梯度光学势阱。其最基本的组成单元是一束经过扩束的平行激光束和一高数值孔径的物镜。当强会聚的g a u s s 光场作用于一透明物体时，如果粒子的折射率大于周围介质的折射率，无论是在光的传播方向z 轴，还是在垂直于z 轴的x y 平面内梯度力将把粒子推向光场最强处，即激光焦点【7 4 1 。如下图4 1 所示：，譬出射a动量变化图4 1 光镊形成的示意图光线a 和b 经小球折射，动量发生了改变，也即分别有动量传递给小球，它们的合动量指向焦点，相应的有一指向焦点的力作用在小球上。同样可以证明，在一定条件下，锥光束中所有光线施加在小球上的总合力也是指向焦点的i 这样就形成了一个回复力，把小球捕获在光束的焦点处。为了便于观察被捕获物体的运动图象，通常将激光束偶合到显微镜中，实现光镊捕获与观察同时进行。第四章光镊技术4 2 激光器和显微镜的选取4 2 1 激光器的选取a 激光的波长捕获颗粒所用激光的最优波长依赖于被捕获颗粒的尺寸。一般来讲，激光束的柬腰大致与激光波长相当，当同样尺寸的颗粒处于激光柬的束腰时，光阱的刚，度达到最大值，若捕获颗粒的直径小于光波长时光阱刚度将急剧减小，而若捕获颗粒尺寸相对光波长增大时，光阱刚度的减小变得缓慢 7 5 j 。一般细胞和细胞所在的液体主要是水，细胞在阱中可能因为光吸收而变得过热而受到损害，因此必须避开粒子的吸收带。光镊激光波长越大时，细胞的光吸收少，光镊光源一般选用红光或红外线，a a s h k i n 认为6 8 0 - 9 5 0 n m 是较适用的波长范围f 7 6 j 。本实验组所用的是波长为8 0 8 n m 的半导体激光器。b 激光器功率和稳定性的考虑实现对粒子捕获的一束光称为捕获光源。根据光镊的基本原理，单光束光阱需要二个具有高斯光束特性的t e m 。基模光束，粒子对该波的光吸收率低。因为要捕获一个粒子并且要持续一定时间，所以激光器的工作方式应选用连续的或准连续的。根据光学知识，物镜的放大倍数越高则数值孔径越大，光阱的捕获力也越大而且有利于分辨物体的精细结构，但工作距离( 焦点到物镜的距离) 越小。因此，普通激光器光源只能使用高倍数( 1 0 0 x ) 的浸油物镜方能实现对目标微粒的捕获，这为系统的操作带来了麻烦。而本系统使用半导体激光器输出功率最大值为3 0 0 m w 并且连续可调，可以提供足够大的捕获力，因此在较低的放大倍率下( 2 5 x 一4 0 x ) 即可实现对微粒的捕获及移动。4 2 2 生物显微镜的选取a 载物台的操作精度被捕获的粒子都是微米量级，相应的要求三维阱台的操作精度在微米或亚微米量级。本系统载物台使用螺旋分度头控制，自行设计的千分尺上面加一个游标卡尺，移动精度达5 微米。因此可实现对目标微粒精确的捕获及移动，易于操作2 1第蹦章光镊技术和控制样品，同时还具有样品旋转功能。b 高数值孔径物镜数值孔径n a 1 0 ，以获得高度会聚的激光焦点，产生足够的光阱梯度力。4 3 光镊系统的搭建在搭建光路图时，我们最先按照前人的经验采用倒置光镊系统。倒置光镊系统的物镜是朝上面的，基本光路如下图4 2 所示：图4 2 光学微操作系统基本光路图这套实验装置的特点是在样品池底部直接将介电小球束缚住，普通的波长为6 3 2 8 n m 的h e n e 连续激光器的功率输出最低为4 0 mw 。在光镊激光的输出功率比较低的情况下为了获得足够大的梯度力，一般需要采用数值孔径最大的油浸物镜才能够实现俘获。我们的实验目的是在石英加工出来的微米通道内实现酵母细胞的光镊俘获，通道壁本身具有一定的厚度。油浸物镜的工作距离小于o 3