用Comsol软件仿真微纳光纤对酵母菌细胞的捕获与推运开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

光能够影响物体的运动这一事实在经典电动力学中就被证明了。关于光与物质相互作用的研究在最近40多年里取得了巨大的成就，其中一个非常重要的成果是利用光来改变微小物体的运动状态，被称为光捕获和光操控。这些微小物体小至原子、维纳微粒，大至生物大分子甚至细菌等生物细胞。 自从l970年美国贝尔实验室的Ashkin等人首次利用强聚焦的激光束稳定地捕获和操控微纳颗粒以来，光捕获和光操控技术得到了迅速的发展，并在物理、医学、微纳光子学及生物光子学等领域具有非常广泛的应用前景。光捕获和光操控最开始是通过激光光镊来实现的，可以高精度、无损伤地对微纳颗粒和生物细胞等进行三维的捕捉和操控，但同时由于衍射极限的存在，很难实现长距离操控。后来人们发现，介质界面的倏逝波也能够捕获和操控微粒，微小粒子处于强消逝场中将受到一个横向的捕获力和纵向的散射力，从而被捕获并沿着波导面运动。最近的研究还表明，利用光泳和光热效应也能够实现对微小颗粒或生物体的捕获和操控。 随着光操控技术的日益发展，对于如何降低光操控成本、提高其效率和精确度的研究已成为当前的热点之一。本研究以倏逝波操控微粒的方法为例，采用微纳光纤作为波导介质，酵母菌细胞作为被捕捉和操控的微粒，在仿真软件中模拟光操控过程。 当光在微纳光纤中传播时，大部分光功率以消逝场的形式“泄漏”到包层中，导致包层中消逝场的强度大幅度增加，使光纤表面存在着较强的倏逝波。当微粒如酵母菌细胞处于光纤附近的消逝场中时，将受到梯度力的影响被捕获到光纤表面，并受到散射力沿着光纤表面运动。通过在仿真软件中分析光波长、光功率、微粒尺寸等因素对光操控过程的影响，得出提高光捕获和光操控效率和精确度的方法和措施，从而给实际操作以仿真结果参考和理论指导。 通过建立模型仿真并分析利用微纳光纤进行的光捕获和光操控过程，有助于细致地分析其过程和微粒的状态变化，能够为实验提供理论支持和参考对比，从而提高结论的可靠性，对其在微纳光子学等领域的发展和应用具有重要的意义。

2. 研究的基本内容与方案

研究内容1. 微纳光纤基础知识（概念、模式分析方法、制备方法）；2. 了解光捕获和光操控的原理和发展历史，了解微纳光纤在其中的应用;3. 了解maxwell应力张量以及粒子受力计算方法；4. 学习comsol软件基本操作（课题的几何建模、网格剖分、物理场设定以及边界设置、扫描参数的设置）。

研究目标分析微纳光纤捕捉并推运细胞的过程中，微粒尺寸、折射率、纤芯尺寸对粒子受力以及推送速率的影响，并得出结论。

研究方案采用模拟法进行研究。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需背景知识（微光纤概念，模式分析方法，研究概况等）。

确定方案，完成开题报告。

第4周：完成对相关英文文献的翻译。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] J. D. Jackson著，朱培豫译. 经典电动力学[M]. 北京：人民教育出版社，1978.[2] Limin Tong, Michael Sumetsky. Subwavelength and Nanometer Diameter Optical Fibers[M]. Hangzhou: Zhejiang University Press, 2009.[3] Hongbao Xin, Baojun Li. Targeted delivery and controllable release of nanoparticles using a defect-decorated optical nanofiber[J]. Optics Express, 2011, 19(14):13285-13290.[4] KeirC Neuman, StevenM.Block. Optical trapping[J]. Review of Scientific Instruments, 2004,75(9):2787-2809.[5] Furqan Fazal, Steven M Block. Optical Tweezers Study Life Under Tension[J]. Nature Photonics, 2011,5(6):318-321.[6] Ying Li, Linlin Xu, Baojun Li. Optical delivery of nanospheres using arbitrary bending nanofibers[J]. Journal of Nanoparticle Research, 2012,14(4):1-7.[7] 李宝军, 辛洪宝, 张垚, 雷宏香. 光捕获和光操控研究进展[J]. 光学学报, 2011(9):224-233.[8] 李英, 胡艳军. 用纳米光纤捕获和输送鸡血红细胞[J]. 激光与光电子学进展, 2013,50(10):82-85.[9] 李英, 胡艳军. 用弯曲的纳米光纤定点输送和释放聚苯乙烯微球[J]. 东莞理工学院学报, 2014(1):74-77.[10] Hongbao Xin, Rui Xu, Baojun Li. Optical trapping, driving, and arrangement of particles using a tapered fibre probe[J]. Scientific Reports, 2012,2(11):5225-5235.[11] Hongbao Xin, Xingmin L, Baojun Li. Massive photothermal trapping and migration of particles by a tapered optical fiber[J]. Optics Express, 2011,19(19):17065-74.[12] Gaugiran S, Gétin S, Fedeli J, Colas G, Fuchs A, Chatelain F, Dérouard J. Optical manipulation of microparticles and cells on silicon nitride waveguides[J]. Optics Express, 2005,13(18):6956-6963.[13] Brambilla G, Murugan GS, Wilkinson JS, Richardson DJ. Optical manipulation of microspheres along a subwavelength optical wire[J]. Optics Letters, 2007, 32(32):3041-3043.[14] 李银妹, 楼立人. 纳米光镊技术——新兴的纳米生物技术[J]. 激光与光电子学进展, 2003,40(1):1-5.[15] 李英, 胡艳军. 激光波长对纳米光纤俘获和输送聚苯乙烯微球的影响[J]. 物理学报, 2014,63(4):48703-048703.