基于氧化石墨烯－微纳光纤的微加热器制备及其性能研究杨剑鑫;史可樟;李锡均;郑嘉鹏;史萌;蔡祥;朱德斌;邢晓波【摘要】利用近红外光在微纳光纤传输时产生的强烈倏逝场效应将氧化石墨烯沉积在微纳光纤表面，组装成具有优异光热转换性能的氧化石墨烯－微纳光纤，得到一种新型的光驱动微加热器。
通入较小功率的近红外光，微加热器能诱导各种液体（例如N，N-二甲基甲酰胺、去离子水）产生高温相变进而产生微泡，显示了良好的光热转换效应。
结果表明，在N，N-二甲基甲酰胺中，微泡按一定周期循环生长，重复搅动液体。
在微流芯片中，这些微泡可用于操控微纳米颗粒、微纳米线等。
在去离子水中，产生的微泡结构稳定、不易破裂，可用于聚集微粒等。
该微加热器具有制备简单、尺寸小、损耗低、激发功率小、效率高等优良特性，在微机电系统、微流控芯片等领域具有良好的应用前景。
%An optical technique is developed by depositing graphene oxide ( GO) onto a micro/nanofiber ( MNF) , which can act as a novel light-driven microheater based on the strong evanescent field from MNF and the photother-mal property of GO.Excited by the low-power near-infrared light, GO-MNF is capable of initiating the phase transi-tion of surrounding solvent ( such as N,N-dimethylformamide, deionized water) to generate photothermal microbub-bles.As a result, in the N,N-dimethylformamide, the microbubbles grows in a certain cycle, and stirs the liquid repeated.In the microfluidic chip, the microbubbles can manipulate micro/nano particles and wires.In the deion-ized water, the microbubble is stable and not easy to break, which can be used to gather particles.The microheater has the superiorities of easy fabrication, small size, low loss, low excitation power,and high efficiency, which would have prospective applications in micro-electromechanical systems, lab-on-a-chip, and other techniques.【期刊名称】《华南师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】5页(P30-34)【关键词】氧化石墨烯;微纳光纤;微加热器;光热效应;光热微泡【作者】杨剑鑫;史可樟;李锡均;郑嘉鹏;史萌;蔡祥;朱德斌;邢晓波【作者单位】华南师范大学华南先进光电子研究院，光及电磁波中心，广州510006; 华南师范大学物理与电信工程学院，广州 510006;华南师范大学华南先进光电子研究院，光及电磁波中心，广州510006; 华南师范大学物理与电信工程学院，广州 510006;华南师范大学物理与电信工程学院，广州 510006;华南师范大学华南先进光电子研究院，光及电磁波中心，广州510006;华南师范大学华南先进光电子研究院，光及电磁波中心，广州510006;广东职业技术学院轻化工程系，佛山528041;华南师范大学生物光子学研究院，激光生命科学教育部重点实验室，广州510631;华南师范大学华南先进光电子研究院，光及电磁波中心，广州510006; 华南师范大学生物光子学研究院，激光生命科学教育部重点实验室，广州510631【正文语种】中文【中图分类】O421世纪中期，随着光子器件向集成化和小型化方向发展，研究光与物质的相互作用受到越来越多的关注. 微纳光纤(MNF)作为一种典型的微纳光波导，具有强倏逝场效应、强光场约束、传输损耗低、制备工艺简易等优异特性，是构建微纳米级器件的重要元件[1]. 随着研究的逐渐深入，MNF与各种功能化材料(如荧光染料[2]、金属纳米颗粒[3]等)相结合，成功制备了功能化微光子器件. 通光后，MNF表面的强倏逝场与功能化纳米材料相互作用，产生诸如光致发光、等离子体共振等效应[2-3]，极大扩展了MNF微光子器件的研究与应用领域. 因此，将具有光波导的MNF巧妙地与功能化纳米材料结合起来，制备光激发MNF器件的方法，对于纳米光子学的发展具有重要意义.氧化石墨烯(GO)作为石墨烯的衍生物，既包含有导电的sp2杂化碳晶格，又含有绝缘的sp3杂化碳基体，使其具有非凡的光电、光热以及机械性能，在诸如光学、光电子学以及生物医学等领域具有潜在应用[4]. 最近研究表明，在近红外波段，GO具有强烈的光热效应，使之成为一种潜在的光疗药剂[5]. Zhang等[6]通过使用GO作为光疗药剂，提高了癌症的治疗效能. Markovic等[7]证明对于相同的辐射条件，GO展示出了比碳纳米管更优良的光热性能. 基于MNF倏逝场的微粒捕获技术已经成熟[8]，为MNF功能化器件的制作提供了新的思路.直径在微米量级的气泡，简称微泡. 它具有存在时间长、传输效率高、界面电位高等优良性质[9-10]，在微流阀、微流混合、微流泵等研究领域[11]有着广泛的应用. 常见的光热微泡是通过聚焦激光照射吸收性液体[12]、金属纳米颗粒[13]、金属薄膜[14]等发生光热效应或等离子体效应，从而诱发液体剧烈相变产生的. 然而，产生效率较低且所需的激光功率较大. 本文基于MNF的倏逝场效应和GO的光热效应，利用GO-MNF微加热器产生的热量诱导周围液体相变产生微泡，所需的激发能量仅40 mW，远小于其他案例[12-14]. 这里，N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的沸点为152.8 ℃，证明沉积少量GO的MNF能产生152.8 ℃的高温. 因此，GO-MNF 是一种性能优异、光驱动的微加热器.1.1 微纳光纤的制备及其倏势场效应通过熔拉法[15]拉制普通二氧化硅单模光纤得到MNF. 将单模光纤上的外层涂覆层剥离，并用酒精将裸纤上残留的碎屑、灰尘洗净. 此后将其固定在酒精灯外焰处加热至熔融态，同时开动步进电机往两端匀速水平拉制光纤. 如图1中插图所示，拉制出来的MNF表面光滑呈锥形. 与普通光纤以全反射的方式传输光信号不同，MNF将有大部分能量以倏逝场形式在纤芯外部传输. Tong等[16]从理论上证明了随着MNF直径的减小，以倏逝场形式传输的能量将会变强，相应的约束在光纤直径范围内的能量将会减弱. 本文用时域有限差分法(FDTD)，对锥形MNF(长为150 μm、最大直径5 μm、端面直径2 μm)的光传输特性进行了分析，模拟区域是1个250 μm×100 μm的矩形. 这里，MNF长150 μm，最大直径5 μm，端面直径2 μm,工作波长为1 550 nm，锥形光纤的折射率为1.47，矩形区域的折射率定为DMF的折射率1.428. 通过模拟可以看出，光场以MNF为轴线呈对称分布(图1). 光能量分为2部分，一部分将沿MNF表面以倏逝场的形式传播，随着MNF 直径的减小，倏逝场效应会越来越强；另一部分在MNF内部传播并汇聚在MNF 端面处，产生较强的光强梯度. 已有文献证明，倏逝场对其作用范围内的微粒存在梯度力，可应用于微粒的捕获与聚集[17-18]. 同时，光从光纤末端射出，端面附近的光也对微粒产生梯度力，用于光操控[19]. 这种捕捉微粒的效用与光镊相似，而光镊需要复杂的透镜系统对激光束进行聚焦准直. 基于MNF的捕获具有成本低、操作简便的优势，能弥补光镊捕获的不足. 本文利用锥形MNF的倏逝场以及末端出射的光场将功能化材料吸附在其表面，从而实现功能化材料与MNF的融合. 1.2 氧化石墨烯的制备及其表征通过改进汉姆法制备得到氧化石墨烯[20-21]. 首先在80 ℃水浴加热条件下，将天然鳞片状石墨加入盛有浓硫酸、过硫酸钾和五氧化二磷混合液的三口烧瓶中，搅拌2 h，随后自然冷却，再用去离子水(DW)洗至中性，并用0.2 μm微孔滤膜过滤，所得产品放入干燥箱中，在室温下干燥24 h，得到纯化的石墨. 将纯化后的石墨放入盛有浓硫酸的三口烧瓶中，在冰浴条件下，边搅拌边加高锰酸钾，反应2 h后，用DW稀释；接着，在50 ℃下，将体积分数为30%的双氧水加入到上述混合物中，释出GO. 用1∶10的盐酸溶液去除混合物中的残酸和金属离子，用离心机在8 000 r/min的条件下离心5 min，去除未反应的天然鳞片状石墨，即可得到纯化的GO. 将上述GO经透析、离心、干燥工序制成粉末状. 将GO粉末溶于DMF溶剂中，经过3 h的水浴超声(KQ218, 60 W)处理，即制成实验所需的GO-DMF悬浮液. 图2描述了在1 200～1 600 nm波段浓度分别为0、0.05、0.20、0.50mg/mL的GO-DMF悬浮液的吸收光谱图. 随着浓度的增加，悬浮液对光的吸收显著增强. 表明在近红外波段，所制备的GO具有优异的光热转换性能.1.3 器件的组装、原理和过程图3为组装GO-MNF微加热器的实验装置. 光源由自发辐射光源(ASE)连接掺铒光纤放大器(EDFA)而成，输出功率≤100 mW、波长范围在1 527～1 566 nm的近红外光. 利用装有CCD的倒置荧光显微镜作为观察工具，清晰观察并记录实验现象. 光纤被固定在三维微调整架(MR)上，一端与光源相连接，另一端被拉制成MNF并浸没在GO悬浮液中.图4为GO-MNF的组装过程. 打开光源初期,在MNF尖端的光场作用下，悬浮液中的GO汇聚移动并排列成一条线，之后向两边扩展. t=25 s时，GO开始附着在MNF的尖端(图4B). 由于激光被GO吸收和散射，激光对悬浮GO的作用力减弱，因而无法驱动GO微粒. 由于GO的光热效应，GO不断吸收光并产生热量，形成温度梯度，诱导产生自然对流[22]. 自然对流作为新的驱动源，不断驱使悬浮的GO进行环流运动，其驱动的速度远大于光场梯度力的驱动速度. 在此过程中，悬浮的GO微粒靠近光滑的MNF时，散射产生的倏逝场将GO捕获[19]. 因此，GO 沿着光源传播的反方向不断沉积. t=50 s时，在MNF上的GO沉积长度为52.5μm(图4C). t=75 s时，断开光源，沉积停止，组装的GO沉积长度达81 μm(图4D). 表明通过控制光源的开关可以简易地控制GO的沉积状态.在范德瓦耳斯力的作用下，GO沉积即使在无光作用下也能紧紧吸附在MNF上.图5为GO-MNF的扫描电子显微镜(SEM)观察形貌的图像，GO在MNF上沉积不均匀，但吸附紧密，不易脱落.本文基于GO的光热效应，利用GO沉积的MNF在小功率红外光射下产生的热量诱导周围液体相变产生微泡.为了定量描述各种液体内光热微泡的生长现象，以光热微泡的直径来表示其生长情况. 由图6A可知，t=0 s时，微泡开始出现，持续生长至t=10 s时达到最大(微泡直径D=129.94 μm). 然后，微泡爆裂并在相同位置重新生长. 按上述生长规律不断地循环. 由图7可知DMF溶液中微泡的生长具有周期性(t=10 s)，直径最大值在128～138 μm范围. 与DMF溶液不同的是，DW微泡始终固定在生长点处，持续生长(图6B). t=10 s时，D=87.14 μm；t=20 s时，D=124.01 μm；t=30 s后，直径基本保持在D=127.14 μm. 如图7所示，DW微泡的生长经历了快速增长与稳定不变2个阶段. 整个生长过程并未发生爆破.通过大量的实验发现，在DMF中产生的微泡，按一定周期循环生长，具有循环周期短、直径大的特性.在短时间内，微泡大范围重复搅动周围液体，因此，可应用于微流操控领域[23]. 而在去离子水中，微泡在生长过程中结构稳定，不易破裂. 当生长到极大值后，长期稳定存在，可用于聚集微粒等领域[14].利用MNF的倏逝场效应成功组装了GO-MNF光控微加热器. 利用GO优异的光热转换性能，在DMF、去离子水等溶剂中生成性质各异的光热微泡. 各类微泡可按其生长规律应用于不同的微操作领域. DMF微泡大范围重复搅动周围液体，可应用在微粒操控领域. 水微泡具有极强的稳定性，可应用在微粒聚集等领域. 因此，GO-MNF光控微加热器在微机电系统、微流控芯片等领域具有良好的应用前景.【相关文献】[1] Wu X Q, Tong L M. Optical microfibers and nanofibers[J]. Nanophotonics, 2013, 2(5/6): 407-428.[2] Park D H, Kim N, Cui C Z, et al. DNA detection using a light-emitting polymer single nanowire[J]. Chemical Communications, 2011, 47(28): 7944-7946.[3] Wang P, Zhang L, Xia Y N, et al. Polymer nanofibers embedded with aligned gold nanorods: A new platform for plasmonic studies and optical sensing[J]. Nano Letters, 2012, 12(6): 3145-3150.[4] Loh K P, Bao Q L, Eda G, et al. Graphene oxide as a chemically tunable platform for optical applications[J]. Nature Chemistry, 2010, 2(12): 1015-1024.[5] Robinson J T, Tabakman S M, Liang Y Y, et al. Ultrasmall reduced graphene oxide with high near-infrared absorbance for photothermal therapy[J]. Journal of the American Chemical Society, 2011,133(17):6825-6831.[6] Zhang W, Guo Z Y, Huang D Q, et al. 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