金 虎，白曉淞，王 鵬，鄭偉強(qiáng)，薛懷慶，牛福龍，周曉燕

(1.甘肅聯(lián)合大學(xué)師范學(xué)院，甘肅蘭州 730000;2.中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510275;3.蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州 730000)

隨著生物光子學(xué)的發(fā)展，采用生物相容性材料制作微納光子學(xué)器件并應(yīng)用于生物領(lǐng)域已成為一個研究熱點(diǎn)。微納光纖是納米光子學(xué)中的一個重要研究領(lǐng)域，對微納光纖特性、微納光纖光子器件以及微納光纖的應(yīng)用等研究正受到越來越多的關(guān)注［1－5］。蠶絲作為一種天然的蛋白纖維，具有良好的機(jī)械性能、光學(xué)特性［6－7］、生物相容性［7－12］、生物可降解性和生物可植入能力［7－8，11～13］，展現(xiàn)出很高的研究價值。蠶絲的絲素蛋白成分具有很好的導(dǎo)光性能，因此可以用來制作生物光纖。蠶絲主要由絲膠和絲素構(gòu)成。絲膠是線型肽鏈彎曲盤繞而成的球狀蛋白質(zhì)，它含有較多的極性氨基酸，水溶性較好，易溶于弱堿溶液;絲素是纖維狀蛋白質(zhì)，是由生物大分子肽鏈以β－折疊形式構(gòu)成，不溶于水，在弱堿環(huán)境中穩(wěn)定。絲素蛋白由18種氨基酸組成，具有良好的生物親和性，對機(jī)體無毒性、致敏和刺激作用，且可部分生物降解，其降解產(chǎn)物不僅對組織無毒副作用，還對如皮膚、牙周組織等有營養(yǎng)與修復(fù)作用，在體內(nèi)會被緩慢吸收。正是由于蠶絲蛋白具有上述性質(zhì)，在生物醫(yī)用領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用［11，14－18］。最近，美國 Tufts 大學(xué)的Omenetto研究小組［19］，將蠶絲制作成蠶絲蛋白，利用蠶絲蛋白成功制作了各種生物光子器件。而Parker等［20］將蠶絲蛋白溶液裝進(jìn)一個針孔直徑為5 μm的注射器中，注射器在三維控制系統(tǒng)下將蠶絲蛋白溶液 (折射率n=1.54)直接“寫”在玻璃基底 (折射率n=1.52)上，形成了生物相容性光波導(dǎo)。在蠶絲薄膜和二維光學(xué)元件基礎(chǔ)上，Manocchi等［21］又成功制作了二維生物聚合物平面光波導(dǎo)。綜上所述，生物蛋白被用來制作生物光子器件，能很好的與生物體相容，同時還可在生物體內(nèi)降解，是未來生物光子器件理想的材料。但是目前制作的光波導(dǎo)尺寸較大，工藝較復(fù)雜，需要探索制作更小尺寸以及更加靈活的生物光波導(dǎo)，所以本文進(jìn)行了基于蠶絲纖維制作微米生物光器件的實(shí)驗(yàn)研究。

1 樣品制作

首先將如圖1(a)所示的蠶繭放置在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05% 的Na2CO3水溶液中煮沸30 min，再用去離子水沖洗，并重復(fù)三次，以完全去除絲膠，然后將其吹干，蓬松，便可得到實(shí)驗(yàn)所需的分離狀蠶絲纖維，如圖1(b)所示。接著用鑷子抽取出單根蠶絲，抽出的蠶絲長度大約30 cm，直徑在5～15 μm之間，折射率n=1.557 6，將抽取出來的蠶絲固定在帶有兩個支撐臂的固定架上，讓蠶絲纖維懸空，利用掃描電子顯微鏡 (SEM)和透射電子顯微鏡 (TEM)觀察蠶絲的形貌特征，如圖2所示。

圖2(a)給出了四根平行放置的蠶絲纖維的SEM圖;圖2(b)為 (a)中小框部分的放大SEM圖，蠶絲纖維的直徑為12.5 μm，結(jié)果表明蠶絲纖維表面光滑、直徑均勻;圖2(c)為兩根并排的彎曲蠶絲SEM圖，從左至右直徑分別為10.2 μm 和9.9 μm;圖2(d)為一根直徑11.6 μm 蠶絲被打成結(jié)狀的SEM圖;圖2(e)為兩根直徑分別為 13.3 μm 和 11.0 μm 的蠶絲被扭纏三圈的 SEM圖;圖片說明蠶絲具有良好的柔韌性;圖2(f)為蠶絲的透射電子顯微鏡 (TEM)圖片，蠶絲纖維直徑為2.2 μm，結(jié)果再次表明蠶絲內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分均勻，無雜質(zhì)，且表面十分光滑。通過這些電子顯微鏡圖片，能夠發(fā)現(xiàn)蠶絲纖維具有良好的機(jī)械性能和表面光滑度，且柔韌性也十分優(yōu)良。

圖1 實(shí)驗(yàn)中所用蠶絲的光學(xué)照片 (a)蠶繭的實(shí)物圖片;(b)經(jīng)處理后得到的分離狀蠶絲纖維Fig.1 Photographs of the silk (a)For raw silk;(b)For the silk fiber after process

圖2 蠶絲的形貌表征SEM及TEM圖Fig.2 Morphology of the silk

2 實(shí)驗(yàn)測試

采用倏逝波耦合的方法［22］，將光信號導(dǎo)入微米蠶絲波導(dǎo)中。首先利用火焰法從普通單模SiO2光纖拉制出微納米尖錐，并將微米蠶絲波導(dǎo)懸空固定在兩個支架上;利用微調(diào)節(jié)架將SiO2微納尖錐慢慢靠近蠶絲纖維，由于靜電力和范德瓦爾斯力的作用，兩者吸附在一起;然后通過倏逝波耦合，將來自SiO2微納尖錐的光信號耦合進(jìn)微米蠶絲光纖。實(shí)驗(yàn)中，利用三維控制系統(tǒng)移動顯微CCD觀察蠶絲纖維的導(dǎo)光情況，將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行分析，利用功率計(jì)和光譜儀來測量微米蠶絲光纖的輸出功率。

實(shí)驗(yàn)中采用了三種方法將光耦合到蠶絲纖維中，如圖3所示。圖3(a)為SiO2微納光錐與直徑為4.5 μm的蠶絲纖維重疊一部分，進(jìn)而將波長為671 nm的紅光耦合到蠶絲纖維中;圖3(b)為SiO2微納光錐末端靠在直徑為4.8 μm蠶絲纖維上，將波長為532 nm的綠光導(dǎo)入蠶絲纖維中;圖3(c)為SiO2微納光錐與直徑為5.2 μm蠶絲纖維交叉接觸 (接觸點(diǎn)的交叉角為6°，使波長為473 nm的藍(lán)光導(dǎo)入蠶絲纖維的暗場光學(xué)照片。

圖3 SiO2微納光錐與蠶絲纖維以不同方式耦合Fig.3 Different methods for coupling from SiO2microfiber taper into silk fibers

圖4給出了光學(xué)性能檢測裝置示意圖，插圖為CCD采集到的光學(xué)照片。利用一根光錐將波長671 nm的紅光耦合到一條長度為1 cm，直徑為12.0 μm的蠶絲纖維中。觀察發(fā)現(xiàn)，紅光能很好的在蠶絲纖維中傳輸。圖4(1)－(3)顯示紅光沿蠶絲的表面和內(nèi)部共同傳輸;在圖4(4)－(6)中，由于用膠帶將蠶絲纖維粘貼在支架上，膠帶表面粗糙而將光信號散射，沿蠶絲表面?zhèn)魅氲募t光被損耗;而由于圖4(7)－(10)不在同一平面，實(shí)驗(yàn)中三維控制CCD的移動，在不同聚焦平面采集得到光學(xué)圖片，發(fā)現(xiàn)光在蠶絲內(nèi)部傳輸，且在蠶絲纖維末端觀察到一個光斑。從光錐耦合位置到末端，蠶絲纖維長度為2.5 mm。接著采用“截?cái)喾ā睖y量了光在蠶絲纖維中傳輸時的損耗［23］。圖5給出了波長為532 nm的綠光在蠶絲纖維中傳輸?shù)侥┒说墓獍邎D，其中圖5(a)為明場的光學(xué)照片，圖5(b)為暗場的光學(xué)照片。實(shí)驗(yàn)中測量到波長為532 nm的綠光在直徑9.0 μm的蠶絲纖維中傳輸時損耗為0.78 dB·mm－1。

實(shí)驗(yàn)中利用蠶絲纖維制作了不同的光子結(jié)構(gòu)。圖6是把直徑為4.2 μm的蠶絲剪成兩段制作的一個2×2分束結(jié)構(gòu)，其中圖6(a)為未通光時的光學(xué)照片;圖6(b)為利用一根SiO2微納光錐以重疊耦合的方式將波長為671 nm的紅光耦合進(jìn)入的暗場光學(xué)照片 (箭頭表示光的傳輸方向，下同);圖7為利用一根SiO2微納光錐以一定交叉角靠在一個3×1的叉狀結(jié)構(gòu)上，將波長為473 nm的藍(lán)光耦合進(jìn)入蠶絲纖維中的暗場光學(xué)照片，其中蠶絲直徑依次為:上 10.9 μm、中 8.0 μm、下 9.5 μm;圖8是將波長為532 nm的綠光利用光錐耦合進(jìn)入一個1×4的蠶絲叉狀結(jié)構(gòu)中的暗場光學(xué)照片，其中蠶絲直徑依次為:上6.7 μm、中 (偏上)7.4 μm、中 (偏下)4.5 μm、下5.8 μm;而圖9 是將波長為532 nm的綠光利用光錐耦合進(jìn)入直徑為160 μm環(huán)形結(jié)構(gòu)蠶絲纖維中的暗場光學(xué)照片，其中蠶絲直徑為 6.6 μm。

以上實(shí)驗(yàn)說明微米蠶絲纖維具有良好的導(dǎo)光性能、柔韌性和機(jī)械性能，可以用來制作生物光纖。

3 結(jié)論

分析了天然蠶絲的成份，通過簡單的方法制備得到直徑為5～15 μm的蠶絲生物纖維，觀察了其形貌特征，發(fā)現(xiàn)蠶絲纖維具有良好的柔韌性和機(jī)械性能。采用倏逝波耦合的方法，用不同方式使波長為671 nm的紅光、波長為532 nm的綠光、波長為473 nm的藍(lán)光分別耦合進(jìn)入不同直徑的微米蠶絲纖維，分析了其導(dǎo)光特性，采用“截?cái)喾ā睖y量了波長為532 nm的光信號在直徑為9.0 μm的蠶絲纖維中的傳輸損耗為0.78 dB·mm－1，并利用蠶絲纖維制作了2×2、3×1、1×4、環(huán)形等不同的光子結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)證明蠶絲微米生物光纖具有良好的柔韌性和表面光滑度，其傳輸損耗低于1dB·mm－1。蠶絲微米生物光纖提供了一種能運(yùn)用于生物體植入的新型光纖，由于蠶絲纖維具有優(yōu)良的生物相容性，它在生物光子器件領(lǐng)域?qū)⒂兄匾难芯績r值。

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