面向生物操作与标识的微透镜阵列制造光诱导方法

It is of great significance to investigate the behaviors, functions and interaction mechanisms of biological entities such as proteins, viruses and cells at micro- and nano-scale. However, lack of high-resolution microlens arrays makes it impossible to carry out high-throughput and parallel manipulation and simultaneous detection of these individual proteins, viruses and cells using optofluidic techniques. Hence it has been extremely hampering the development of relevant disciplines. In this application, a novel optical-induced method is proposed for the effective and efficient fabrication of microlens arrays, and the studies include: improving optical-induced electrohydrodynamics model through introducing electrothermal flow into the perfect dielectric model; implementing quality control and surface optimization of microlens arrays through investigating the underlying mechanism that polymer materials shrink in the solidifying process under ultraviolet (UV) light or heating; studying the technology of system integration and establishing an experimental setup based on the optical-induced principle for the fabrication and experiments of microlens arrays. With its unique capability of optical manipulation and simultaneous detection, the optical-induced setup will be applied for precisely manipulating and detecting biological molecules for further study. This study will significantly improve the manufacturing technologies for the fabrication of micro and nano-optical components and devices, and promote the ability of original innovation in the interdisciplinary fields including micro/nanofabrication, micro optics and biology.

在微纳尺度上，研究蛋白、病毒及细胞等单个生物分子的行为、功能及相互作用机制，具有重要的生物学意义。然而由于缺乏高分辨率、易于集成的阵列化微透镜光学元件，光流体技术还无法有效地对蛋白、病毒及细胞等进行单分子水平、高通量并行操控和同步检测，这极大地制约了相关学科领域的发展。本项目提出一种基于光诱导的微透镜阵列制造新方法，通过引入电热流修正完美电介质模型，建立更为精确的光诱导电流体动力学模型；研究热/光固化过程聚合物材料的收缩性变规律，实现微透镜阵列面形优化控制；在此基础上，开展系统集成技术研究，构建一体化的光诱导微透镜阵列制造实验系统。利用其独特的光操控与同步检测的能力，开展生物分子精确操控与检测研究，为生物单分子功能与相互作用机制奠定技术基础。该研究不但对提高我国微纳光学元件制造水平具有重要意义，还将进一步提升我国在微纳制造、微光学与生物学等多学科交叉前沿领域的原始创新能力。

在微纳尺度上，研究蛋白、病毒及细胞等单个生物分子的行为、功能及相互作用机制，具有重要的生物学意义。开展基于光诱导的介质液体电场操控理论建模研究；引入温度场引起的热毛细流，修正完美电解质模型；仿真分析光敏材料被激发后产生的异质电场分布、温度场分布；结合重力与表面张力的作用，建立介质液体光操控的光-电流体动力学模型。开展微透镜面形控制实验研究；研究非晶硅光敏材料光电转换规律，实现电场的精确施加与控制；研究高分辨率光投影图形的生成方法，构建高分辨率的光诱导微透镜制造实验系统平台；优化光诱导微透镜制造的条件参数，通过研究微透镜热/光固化过程的收缩变形规律对后处理过程进行优化；开展基于 AFM 与 SEM 的微透镜阵列面形分析与测量；实现加工获得的面形与设计保持一致；开展多次套刻原理的微透镜直径倍减方法研究，实现亚微米/纳米尺度的微透镜阵列；构建微透镜阵列光学成像系统，验证微透镜阵列的并行成像能力。.在完成课题任务的基础上，开展了基于机械调制界面不稳定的微纳制造方法研究，实现更小尺寸的微透镜阵列加工。开展了基于数字微镜阵列的紫外光诱导制造方法研究，进一步拓展基于光诱导微纳制造方法的应用范围。该研究将进一步加强我们在微纳制造、微光学与生物学等多学科交叉前沿领域的创新能力。