第139期 2018年4月刊
 
 
 
发行人:林恭如所长  编辑委员:吴肇欣教授  主编:林筱文  发行日期:2018.04.30
 
 

本(2018)年3月27日本所林恭如教授于博理馆举办「VCSEL开发与应用趋势研讨会」,活动圆满完成。

VCSEL本身具备高速操作、低耗电、体积小以及制程成本的优势,逐渐成为新世代关键组件之一,可广泛应用于各领域,包含3D感测、手势辨识、时差测距(ToF)、资料中心(Data Center)、机器视觉、无人机,甚至是实现自动驾驶的光达技术等。本活动深入介绍VCSEL组件特性、模块化设计与提升终端产品实际应用效能,同时剖析相关技术与零组件进展。

本所林恭如教授发表于Nature子期刊Scientific Reports之论文,获选「Top 100 Scientific Reports Physics papers in 2017」,特此恭贺!

详情请参阅以下连结:

Top 100 Scientific Reports Physics papers in 2017

Blue Laser Diode Enables Underwater Communication at 12.4 Gbps

加拿大渥太华大学校长访团来访本所实验室

加拿大渥太华大学(University of Ottawa)校长访团由教育部及本校国际事务处代表陪同,于本(2018)年4月25日前来本所实验室参访,并于参访结束后于本校行政大楼校长贵宾室研商奈米与光学领域(photonics and nanotechnology)之合作计划机会。


本所5月份演讲公告:

日期

讲者简介 讲题 地点 时间

光电所专题演讲

5/4 (Fri) 张希成教授
国立台湾大学讲座教授

Let THz light shine out of darkness

博理馆
101演讲厅

14:20~16:00
5/11 (Fri) 张守进教授
国立成功大学电机工程学系暨微电子工程研究所讲座教授

InGaP/GaAs/Ge triple‐junction solar cells with ZnO nanowires

博理馆
101演讲厅

14:20~16:00
5/16 (Wed) 张希成教授
国立台湾大学讲座教授

Next Rays? T-Ray! 下一代光?T-光!

博理馆
101演讲厅

14:00~16:00
5/25 (Fri)

郭浩中教授
国立交通大学光电工程学系

Recent progress of VCSEL for communication 3D sensing and display

博理馆
101演讲厅

14:20~16:00

 

 

 

 
 
3月份「光电所专题演讲」花絮(花絮整理:姚力琪)
时间: 2018年3月2日(星期五)下午2时20分
讲者: Prof. Claude Guet (Nanyang Technological University of Singapore)
讲题: Quantum theory of surface plasmons in metallic and highly n-doped semiconductor nanoparticles
  本所孙启光教授推荐于3月2日(星期五)邀请Prof. Claude Guet于博理馆101演讲厅发表演说。本所教师及学生皆热烈参与演讲活动,演说内容丰富精彩,与现场同学互动佳,师生皆获益良多。

 

Prof. Claude Guet(右)与本所李翔杰教授(左)合影

 

时间: 2018年3月9日(星期五)下午2时20分
讲者: 林苍生先生(统一企业前总裁)
讲题: 现代企业的思维
  本所于3月9日(星期五)邀请统一企业前总裁林苍生先生于博理馆101演讲厅发表演说,讲题为「现代企业的思维」。林苍生总裁在统一企业服务将近半个世纪的年岁,退休后受邀各处演讲,分享自身的经历。本次演讲本所教师及学生皆热烈参与,演说内容丰富精彩,与现场同学互动佳,师生皆获益良多。

 

林苍生先生(右)与本所副所长黄建璋教授(左)合影

 

时间: 2018年3月16日(星期五)下午2时20分
讲者: 曾繁根教授(国立清华大学研发长)
讲题: Dual-Faced Nano-Mushrooms for Tri-functional Single Cell Diagnosis and Drug Delivery
  曾繁根教授于3月16日(星期五)莅临本所访问,并于博理馆101演讲厅发表演说。曾教授本次演讲题目为「Dual-Faced Nano-Mushrooms for Tri-functional Single Cell Diagnosis and Drug Delivery」。本所教师及学生皆热烈参与演讲活动,演说内容丰富精彩,与现场同学互动佳,师生皆获益良多。
 

 

曾繁根教授(右)与本所李翔杰教授(左)合影

 

 

时间: 2018年3月23日(星期五)下午2时20分
讲者: 卢廷昌教授(国立交通大学光电系)
讲题: Development of Photonic Crystal Surface Emitting Lasers
  卢廷昌教授应本所李翔杰教授邀请于3月23日(星期五)莅临本所访问,并于博理馆101演讲厅发表演说。卢教授本次演讲题目为「Development of Photonic Crystal Surface Emitting Lasers」。本所教师及学生皆热烈参与演讲活动,演说内容丰富精彩,与现场同学互动佳,师生皆获益良多。

 

 

卢廷昌教授(右)与本所张宏钧教授(左)合影

 

 

时间: 2018年3月30日(星期五)下午2时20分
讲者: 叶秉慧教授(国立台湾科技大学电子系暨光电所)
讲题: My journey in semiconductor lasers—from GaAs-based MOPA (master oscillator power amplifier) to GaN-based VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser)
  叶秉慧教授于3月30日(星期五)莅临本所访问,并于博理馆101演讲厅发表演说。叶教授早年任职于加州硅谷的SDL公司,于2007年回台任教于台湾科技大学电子系与光电所。叶教授应本所陈奕君教授邀请至本所发表演讲,演讲题目为「My journey in semiconductor lasers—from GaAs-based MOPA (master oscillator power amplifier) to GaN-based VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser)」。本所教师及学生皆热烈参与演讲活动,演说内容丰富精彩,与现场同学互动佳,师生皆获益良多。

 

 

叶秉慧教授(右)与本所张宏钧教授(左)合影

 

 

 

 
 
 
     

~ 与南京大学(Nanjing University)博士生交流活动 2017  系列报导 ~

【2017 第十届海峡两岸光电科技博士生论坛】

(时间:2017年10月29日至11月4日;地点:南京大学

【之六】

撰文:光电所博士班学生周昂升(代表团学生副队长)

才刚离开南京就开始想念了,和南大的朋友相处真的很愉快,很感谢他们对我的赞赏和亲近,我本来以为相熟是一件不容易的事,但没想到大伙儿都这么好相处,搭着游览车,我们和南大几位同样没有去过扬州和镇江的同学们,来了一段印象深刻的文化参访。这次我们造访扬州的瘦西湖、个园、东关老街以及镇江的金山寺、西津渡口,还有南京的中山陵、南京博物院和南京大学仙林校区。出发当天的天气出乎意料地晴朗,美景令我们大饱眼福,和台湾相比,这里由于土地面积较大,在工业开发的过程中也能在一定程度上维持环境绿化和某些原始的历史样貌,所以在都市的钢筋丛林中显得少了一丝冰冷。

先说说车上的趣谈吧!刚上游览车的时候,座位的安排对大家可算是一大考验啊!前两天大家仅是在正式会议上相识,除了在饭桌上的生活交流外其实算不上太熟悉彼此,当先上车的我们在车上各自分开坐好后,照老师们的用意是要让南大的同学自己选要坐在谁的旁边,这时其实我是暗自咬牙的,因为我比较不怕晕车,所以我就心想前面位子可以让给其它人而我往后坐,可此时南大的同学们上来后我观察那情势,似有一点「选秀」的感觉啊!而最逗趣的莫过于杨鑫当时是带着他的未婚妻上车的,结果我们差点要让人家拆散坐!不过也因为这一个插曲,大家在车上笑了开怀,擦起了友谊的火花。

到了首站瘦西湖,虽是平日但依然人山人海,尤其是几个拍照的好景点几乎都会塞满人潮,而大伙儿也是经常顾着摆姿势拍照就忘了跟上导游和老师们。我身在其中也渐渐地放开拘谨,被大家取笑我是个中翘楚。好吧!其实我内心可能确实是满自恋的,能藉此和大家嘻嘻哈哈地融洽相处,这点调侃我是欣然接受的!

接着来到个园,这里是以前富商家的庭园,「个」字是个简体字,意象为「竹」,有高风亮节的寓意,是其对子孙的希冀和告诫,看着许多庭园造景,不禁赞叹以前的室内设计相当讲究风水和文学的造诣。个园的旁边就是东关街,类似台湾的老街,不过可能是当时天色未暗,所以并没有夜市那种热闹感,大伙儿似乎也没有太多的购买欲,因此比预定行程提早回到了集合点休息、和同行的伙伴们闲聊,也留下了如下的珍贵合影。

(前排左起)爱珍、家硕、韵至;(第二排左起)向阳、宗毅、宗印、智皓、学艺;(后方)徐蕾、昂升

首先,看见穿着很亮的黄色衣服在后面手比爱心的路人了吗?那个人就是我,哈哈!旁边身穿白色衣服的是和我同个实验室的学姊徐蕾,她是一位陆生,老家在离南京不远的无锡,所以来到这里可以说是来到她的主场,也是我们和南大同学间的第一道沟通的桥梁。前方最左边的是南大的队长向阳,听名字时我本来觉得他应该是个很霸气的汉子,但其实他很细腻,而且整个活动的安排,都多亏了他与金老师的费心;向阳旁边的是我们台大的大哥宗毅,初见面时我觉得这位大哥应该很沉默寡言,但后来才知道他是个沉稳又善于交际的学长;宗印和智皓也都是台大的成员,比我小一届,不过相处起来没什么隔阂,我喜欢听他们分享他们各自的求学经历,我想每个博班生都有自己对学业的一番感触吧!最右边的学艺在前两天的博士生论坛中拿下了最佳人气奖,是个令人佩服的人,谈吐很有王者风范,而且后来得知他其实身体有略微的不适,但他还是坚持全程陪我们走访各处。前方中间被簇拥着的是我们台大的队长家硕,硕哥虽然比较内敛,但和南大接洽的时候和向阳一起把事情处理得井井有条。前排左方白色上衣的女生是爱珍,是个很娇小的女孩子,当初刚到机场时,我还以为来接机的爱珍是高中生,可能是工读来帮忙的呢!韵至是东北人,可她的外表给人一种高冷美的气质,跟我印象中的东北剽悍风格有点反差,在和她熟悉之后,也就此一改了我对东北姑娘的许多老旧观念。而镜头外还有我们辛苦的摄影师杨鑫,多亏有他才帮我们留下珍贵的纪念,此外他真的是一个见多识广的人,从他口中可以知道有别于导游介绍的历史之外许多当地好玩、好吃、有趣的情报,很有朝气的领队特质真的让我们尽兴而归。其实我在博士生论坛还结交了许多的朋友,但由于许多人另有要事所以不能陪同我们四处参访,不过这不代表我和他们的缘分仅此而已,例如方洲,在论坛过程中我和他聊过一些实验的创意发想,回台后我便联系他,很感谢他也一直记得我,并给予我意见、和我讨论,使得这个两岸交流的论坛有了更充分的收获和意义。

参访的第一天是最让我印象深刻的日子,因为我们大家是从这一天开始相熟的,从聊研究、两岸的生活形态,乃至最后能开怀互相打趣嘲笑就是在这第一天的晚上,我们凑在一个房间里玩桌游直到凌晨两点半,好似完全将隔天的行程忘记了一样,然而我们隔天依然准时起床出发前往镇江!

第二天的天气同样艳阳高照,先去吃了超级丰盛的早茶,各式各样的包子让我饱足到觉得午餐不用再吃了,来到南京后的每一餐都是菜色丰富且包含多种中国有名菜系,我只能看着自己肚子上的肉苦笑,但还是不能放过那些美食啊!不过饭后必须运动,因此我们来到了金山健走,不可错过的景点就是金山寺,我们去看了法海苦修的洞穴、江天一览的慈寿塔、以及这座古寺的庄严大殿。

接着我们来到西津渡口,一座历经千年风雨的古渡口,在这里据说可以「一眼看千年」,意指街道的地面可以看见不同时代留下的痕迹,而街道上的古老风格也很适合那些内心有故事的人来此好好沉淀一番。不过我还记得当时我们打闹得正欢乐,我就被怂恿做了一些奇怪的模仿,只能自圆其说地说自己是童心未泯了吧!

第三天的行程较为知性,先到了南京博物院参观文物,接着去参观了孙中山先生的衣冠冢,当我看到刘老师对国父脱帽行注目礼的时候,我也不禁肃然起敬。下午我们到了南京大学的仙林校区,看到了以前中央大学的旧址,并参观校史馆,看到了好几位南大教授的荣誉事迹,我内心也自许将来自己在学术上的成就也能有如此杰出的表现。

最后的一晚也让我印象犹为深刻,南京的朋友们带着我们去吃「九宫格」麻辣锅,不得不提的是这里的饮食口味比台湾重很多,我又不是很能吃辣,所以就被「洗礼」了一番,饭后舌头都有点失去知觉了!

在此再次感谢同行的硕哥、宗毅、徐蕾、宗印、智皓的互相帮助,以及南大的向阳、杨鑫、学艺、韵至、爱珍,还有一起参加论坛的所有同学们对我们的照顾,也谢谢两校师长们的组织筹划和细心关怀,参与了这一场充满知性与感性的学术及文化交流,我收获满满。

 

光电所参与欧盟 European Master of Science in Photonics (EMSP) 硕士双学位计划  系列报导 ~

【之五】

撰文:光电所硕士班学生杨子德

比利时的官方语言是荷兰语、法语和德语,根特大学位于flanders地区,属于比利时北边,主要的语言是荷语,不过几乎所有根特居民都会荷语和法语。而身为留学生,我们在根特几乎都是用英文和当地人沟通,当然有心的台湾朋友也有去修习学校语言中心所开设的初阶荷兰文课程,不过说英文在日常生活、学校讨论等等都完全没问题。

比利时人的语言能力相当不错,除了荷语和法语外,许多人还会说一些德语,再加上从各种管道学到的英文,几乎人人都能说三、四种语言,我想这大概是与比利时的地理位置以及历史缘由有关。身处大国环绕的比利时,没有自己的专属语言,而是灵活地学习各种邻国语言与文化,创造自己生存的空间。而在根特求学的这一年中,可以感受到国际学生在根特相当融入,不论是与当地学生,抑或是来自各国的同学,都可以很顺畅地交流自己的文化。

在比利时的娱乐生活与在台湾时有一些不同。台湾的外食文化相当发达,若晚上饿了,走出家门附近就有便利商店,甚至跑远一点也会有夜市可以边逛边玩。而根特的夜晚则是安静许多,走在街上唯一有开的可能是几家类似杂货店的night shop卖一些较贵的零食点心,剩下的就是酒吧。而比利时人,又或者说是欧洲人,喝酒的习惯相当盛行,不限于白天晚上。在寒冷的冬天里邀集三五好友,出门到喜爱的酒吧喝点啤酒、谈天说笑,也是相当特殊的体验。而各家酒吧都有各自的特色,比如这家的啤酒是私酿的house beer、那家的酒吧有免费的撞球可以打、另一家的酒吧是小船改建的,各有千秋。

 

而这一年中我们最常做的,其实是邀请一些朋友,每人出一道菜,轮流到各自家中吃晚餐,并找寻各种理由聚会。每到了圣诞节、跨年、新年、中秋节、生日等等,就会是一群在根特相遇的伙伴,聚集在一起玩牌、唱歌的好时机。我想其实娱乐活动不管在哪里大致上都是大同小异,不外乎大学玩过的团康、交换礼物、唱歌等等。而我在根特的回忆,却是因为那些一起谈笑、一起举杯邀明月的好友们而特殊得令人怀念。我想如果能够在异国,有缘遇到一群相互扶持、一起奋斗的伙伴,那么会是相当幸运的一件事。【精彩内容,下期待续~】

 

撰文:光电所硕士班学生林暐杰

除了生活上的食衣住行,在国外求学生活中另一个重点便是语言了。比利时因为地理和历史因素有三种官方语言,依照地理大致分为比利时北部靠近荷兰的荷语区和比利时南部靠近法国的法语区,最后是最小一部分靠近德国的德语区。虽然官方语言不是英语,但比利时位处欧洲的十字路口是欧洲真正的种族熔炉,也因此日常生活或学习上用英语沟通并不会遇到太多障碍,能身处英语非官方语言的国度反而是一种很有趣的体验。

在课堂上老师或同学来自欧洲各个国家,因此一开始需要适应教授和同学不同地方口音的英语,只有少部分课堂当老师和学生大多都是比利时人时会偶尔出现用荷兰语沟通的状况,不过老师也都会再用英语说明,或之后询问同学都可以明白。根特属于荷语区,一开始在日常生活上由于周遭的环境都是荷兰语,需要一段适应期,举凡签订合约的公司网站、一般的通知信件、火车站或超市商品的标示都是荷兰文,一开始去的前几周在超市内一直拿着手机在翻译各种商品,不过语言即生活,久而久之也都熟悉那些单字,超市店员的荷兰语也慢慢能听得懂。因此整体而言我在比利时感受到当地对于外国人是相当友善的。

在欧洲求学的一个特色便是能很方便地到不同国家旅游,因此我们都会利用长假探访不同的国家。例如在冰天雪地的冰岛环岛体验所谓的冰与火之岛,看到难忘的紫色和绿色极光;或是造访文化的起源—希腊的克里特岛,有着最迷人的小镇和梦幻的粉红色沙滩;或者身处最美夜景金光闪闪布达佩斯的第一次东欧跨年,我将那些以前出现在地理、历史课本的城市以不同方式再次探索了一遍。除了出国旅游,我也很爱比利时的深度探访,参与当地丰富的节庆与活动,除了当作休闲之外,也是了解比利时文化和历史的方式,比如根特的博物馆之夜能参访根特各大博物馆,那一晚犹如不夜城,全根特的人都出门参与十几个博物馆的活动。或是在比利时悠久小镇的班什狂欢节,是欧洲四大狂欢节之一,也是难得的世界非物质文化遗产,整个小镇锣鼓喧天,涌入来自世界各地的民众,就是想一睹这个从中世纪开始的热闹节庆。

除了旅游和当地活动外,和同学朋友的聚会和派对也是生活中很愉快的一部分。每次聚会我总会作出不同料理让外国友人品尝亚洲特色料理,变化多端的亚洲菜色从菠萝虾球、泰式椒麻鸡、醉鸡等,每次都让欧洲人感到惊艳,而在派对能体验到比利时多采多姿的啤酒和热情的舞会,每次都是很好的文化交流。我在前往欧洲前便滴酒不沾,因此除了酒吧外,和朋友一起野餐或是划船和攀岩运动也是另一种在欧洲的特别休闲方式。【精彩内容,下期待续~】

根特当地盛事—根特节

比利时悠久的文化节庆—班什狂欢节

 

 

 

 
     
 
 

Interferometry-based EUV spectrometer

Professor Sheng-Lung Huang’s laboratory

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 黄升龙教授

A compact and wavelength-calibration-free interferometric scheme was numerically and experimentally investigated using an extreme ultraviolet (EUV) source generated by a laser-produced plasma (LPP). The LPP-EUV source was excited by a 4-stage Yb3+-doped fiber MOPA system with a pulse energy of 1.01 mJ, a peak power of 161 kW, and a pulse width of 4 ns at a 20 kHz repetition rate. A Michelson-type interferometer with a common path, formed by a Si/Mo-multilayer-based beam splitter and mirror, was utilized to achieve system compactness. Based on the Wiener–Khinchin theorem, an accurate EUV spectrum was obtained by numerically analyzing the measured signal autocorrelation without performing wavelength calibration. Our theoretical results demonstrated that the employed Si/Mo multilayer structure did not distort the interferometric signal as long as the layer thickness was less than the center wavelength of the incident light. The achieved spectral resolution of 30 pm was comparable to those of flat-field spectrometers. Various high-oxidation states of Sn and residual O were identified. This compact and calibration-free spectroscopic tool could be useful for plasma characterization and mask evaluation in the EUV lithography range.

Fig. 1. Measured EUV interferometric signal.

Fig. 2. EUV spectrum computed using measured interferometric signal, where various forms of ionized Sn and residual O were identified.

 

Reference:

 Y. Y. Li, Y. W. Lee, T. S. Ho, R. T. Wei, P. Y. Lai, K. S. Jao, I. C. Wu, S. H. Chen, and S. L. Huang, “Interferometry-based EUV spectrometer,” IEEE Photonics Journal, 9, No. 4, 3400108, 2017.

 

In Situ Monitoring of Chemical Reactions by Femtosecond Acoustics

Professor Chi-Kuang Sun

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 孙启光教授

Recently, we have applied our invented “femtosecond acoustics” imaging techniques, which is a femtosecond version of the photoacoustic tomography, to "see" the interfacial and sub-interfacial chemical reaction in a solid-water interface, for the first time with a sub-atomic resolution in situ. Our work entitled “In Situ Monitoring of Chemical Reactions at a Solid−Water Interface by Femtosecond Acoustics” was recently published in The Journal of Physical Chemistry Letters, which is the number one journal in the field of Physics Chemistry, on October 23, 2017. In this study, we demonstrate that “femtosecond acoustics” is a subatomic-level-resolution technique to be able to longitudinally monitor chemical reactions at solid–water interfaces and subsurface area under atmospheric conditions, by taking the photoelectrochemical (PEC) water splitting as our example. Furthermore, whenever the oxide layer thickness equals an integer number of the effective atomic layer thickness, the measured acoustic echo will show higher signal-to noise ratios with reduced speckle noise, indicating the quantum-like behavior of this coherent-phonon-based technique. As a result, femtosecond acoustics was proved to be able to provide the long-desired tool for investigating reactions occurring at solid−liquid interfaces and to provide a non-invasive imaging tool to explore the next-generation energy conversion devices, with a sub-atomic level resolution.

 

 

Figure 1. (a) Femtosecond-acoustics-measured thicknesses of the Ga2O3 layer and the etched n-GaN cap layer versus PEC water splitting time. (b) The signal-to-noise ratio (SNR) of the measured acoustic echoes versus PEC water splitting time. The black line is a regression line. When the thickness of Ga2O3 equals an integral number of the effective atomic-layer-thickness, the measured acoustic echo will show a higher SNR, indicating the quantized behavior of our coherent-phonon-based measurement. (c) Corresponding M-mode image showing the oxidation process at the water−anode interface during the PEC water-splitting reaction.

 

 

     
 
 
论文题目:脉冲操作有机发光二极管及蓝色组件寿命延长之研究

姓名:林伯彦   指导教授:李君浩教授

 

摘要

本论文有二部分,第一部分以tris(8-hydroxyquinolate)aluminum (Alq3) 作为发光层及电子传输层制作绿色有机发光组件(OLEDs),并以脉冲方式驱动。相较于直流驱动,发现在脉冲驱动下,组件之电流密度和亮度会下降, 透过电压-电容(C-V)量测和位移电流(displacement current)量测分析,得知其原因来自Alq3材料中之电子陷阱效应( electron trapped effect)。而我们可以施以负偏压在脉冲关闭的区间来提升电流密度及亮度,并可以超过在直流驱动下的电流密度及亮度。图一为不同负偏压下的亮度表现,在负偏压超过-4V可超过直流驱动下的亮度。同样藉由位移电流量测可以知道是陷阱正电荷(positive trapped charge)在Alq3与阴极的接口帮助了电子的注入。在正偏压与负偏压之间加入一段约~2毫秒长的零偏压,可以发现亮度与电流密度会降低至与没施加负偏压下的情况相同,此现象是由于陷阱电荷随时间的消逝。

在论文的第二部分,我们使用彩丰精技股份有限公司所开发的一系列电子传输材料,制作蓝色三重态—三重态消灭有机发光组件(blue triplet-triplet annihilation OLEDs),并探讨其衰退机制。我们发现组件衰退的主因,来自于电洞传输层的损坏,因为复合区较接近电洞传输层和发光层的接口。为改善组件操作寿命,我们使用具较深最低电子未占据轨域(LUMO)之电子传输材料,搭配合适主体材料,并藉由膜层厚度最佳化,及发光层结构调变,得到了长寿命的蓝色三重态-三重态消灭有机发光组件,其组件的操作寿命在1000 nits的初始亮度下约有56,048 小时,可由图二之该组件在不同初始亮度对寿命图推得,可以得到如此长寿命的原因为减少了电洞传输层的损坏,较宽的复合区,以及较少的激子淬熄(exciton quencing)。

图一
图二

 
 
 

— 资料提供:影像显示科技知识平台 (DTKP, Display Technology Knowledge Platform) —

— 整理:林晃岩教授、孟庆棠 —

瞬时捕获之形成

在生物医学和生物化学研究中,微流体芯片信道中的捕获系统通常用于捕捉目标微粒或所感兴趣的细胞。然而,流体动力学捕捉的形式通常有几个限制。首先,许多微粒或细胞倾向于忽视捕获系统的结构,因为微捕获系统的水压阻力比自由微通道的水压阻力大,导致低捕捉效率(<10%)。第二,流体动力学的捕获系统具有固定的设计,因此无法实现建立具有可调整大小和几何形状的可调捕获系统数组。第三,捕捉多个细胞或粒子是不可能的。为了克服这些技术的困难,Bing Xu及来自中国和日本的同事们现在已开发一种名为「瞬时调控流体的双光子蚀刻(two-photon-lithography in controlled flow, TPL-CF)」的捕获方案,该方案可以有效地利用激光建立原位捕捉系统(Lab on a Chip, https://doi.org/10.1039/c7lc01080j; 2018)。

该方法如下:藉由标准软性蚀刻技术,使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)来制造微芯片。在初始使用二氧化硅微粒的捕获实验中,微通道的高度设计约为24μm,以确保每个捕捉系统仅捕获单个二氧化硅粒子(直径20μm)。然后用盖玻片覆盖PDMS微通道。将二氧化硅颗粒与液体光固化树脂混合,然后注入微芯片中。

为了进行选择性捕获,使用电荷耦合器件(CCD)照相机来成像目标二氧化硅粒子。在停止液态树脂流动之后,操作在中心波长800 nm、重复频率80 MHz以及脉冲宽度75 fs之下的飞秒激光照射于目标粒子周围的区域以产生捕捉系统柱(如图一)。最后,使用酒精溶液冲洗未曝光的树脂区域。为了制造四柱捕捉系统结构,它总共只需要400 ms,包括10 ms的时间间隔,用以将制作位置从这个步骤移到下个步骤。捕获效率接近100%。

 
图一、飞秒激光照射于目标粒子周围的区域以产生捕捉系统柱。

瞬时调控流体的双光子蚀刻制作的微流道捕获系统如图二所示:其中(a)显示其系统的完整图标;(b)是捕获微粒的斜视图;(c)是捕获微粒的侧视图;(d)是瞬时捕获的流程;(e)被捕获粒子在系统中移动;(f)四柱的捕获系统;(g)八柱的捕获系统;(h)不同数目与形状的捕获柱;(i)微流道芯片。

 
图二、瞬时调控流体的双光子蚀刻制作的微流道捕获系统与其操作。

TPL-CF方案优于传统的捕获方法,因为它可以建立任意图案的单粒子捕捉系统的数组,以允许捕获多个粒子(如图三)。作者期望此技术能够找到广泛的应用,包括微粒捕捉、单细胞分析以及用于成像和细胞计数的光流体微透镜的建立。

 
图三、任意图案的单粒子捕捉系统的数组,以允许捕获多个粒子。

 

参考资料:

[1] Noriaki Horiuchi, Instant trap formation, Nat. Photonics 12, 65, 2018

Published on line: 28, Jan. 2018
https://www.nature.com/articles/s41566-018-0096-5

DOI: 10.1038/s41566-018-0096-5

[2] Bing Xu, Yang Shi, Zhaoxin Lao, Jincheng Ni, Guoqiang Li, Yanlei Hu, Jiawen Li, Jiaru Chu, Dong Wu, and Koji Sugioka, Real-time two-photon lithography in controlled flow to create a single-microparticle array and particle-cluster array for optofluidic imaging, Lab on a Chip 18, 442-450, 2018

https://doi.org/10.1039/c7lc01080j

DOI: 10.1039/C7LC01080J

   
 
 
 
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