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光纤操控微球及其浓度传感研究

光纤操控微球及其浓度传感研究

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作者：邹文亮电子科技大学

学位级别：硕士

光纤操控微粒技术可用于微纳加工工艺中微小颗粒的装配,也可用于生物、医药研究领域中微粒的分选、细胞分离以及微粒精确定位操作等。微流芯片应用中,微流浓度传感对其应用和发展具有十分重要的意义,本文提出了基于平端面单模光纤的单... 详细信息

光纤操控微粒技术可用于微纳加工工艺中微小颗粒的装配,也可用于生物、医药研究领域中微粒的分选、细胞分离以及微粒精确定位操作等。微流芯片应用中,微流浓度传感对其应用和发展具有十分重要的意义,本文提出了基于平端面单模光纤的单根操控探针,并结合光纤操控与微流芯片,实现了高集成度的光纤微流传感器。由于平端面的单模光纤的出射场是发散的,基于该结构,本文提出两种不同原理的操控方法:(1)在狭小的微流通道中利用斯托克斯阻力和光的散射力共同对单个聚苯乙烯微球进行操控,并研究微流的浓度传感特性;(2)结合负光泳力和散射力,对聚苯乙烯微球实现大规模操控,并研究了光功率以及微球尺寸对操控的影响。微粒在流体中运动会受到流体的阻力,微流通道中的阻力可以通过斯托克斯阻力公式描述为:6F(28)pηrv。通过控制微流的流速和光功率,使得微流对微球的斯托克斯阻力F与光纤出射激光对微球的散射力F达到平衡,即F=F。微流浓度增加,粘滞系数随之增大,光纤端面与被操控微球之间的距离变小。本文提出通过测量微球与光纤之间的距离实现微流浓度传感。实验采用980nm激光提供散射力,被操控微球的直径为7μm,在340 mM至510mM范围内,灵敏度可达7.1μm/mM。更重要的是,通过调整激光功率和微流流速,其灵敏度和动态范围均可进行调节,从而适应更为广泛的应用环境。另一方面,与传统光操控不同的是,负光泳操控范围广,可以对大量的聚苯乙烯微球同时进行操控。使用1550nm激光进行操控时,可以在实验中观察到负光泳现象,通过增大光功率,可加快聚苯乙烯微球的汇聚速度。另外,根据不同尺寸的微球在相同光场的负光泳力作用下运动时的速度不同,可以将液体中粒径不同的聚苯乙烯微球进行分离。

关键词：光纤操控微球光微流浓度传感

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