Particle sorting by optical radiation pressure with low energy density

Abstract

This paper presents the development of a microfluidic device for particle sorting using optical radiation pressure with low energy density. The need for efficient particle manipulation in the microchannel has led to the recent development of a couple of advanced techniques of particle manipulation. An optical approach to sort particles in a microchannel by the optical radiation pressure can provide non-contact and remote handling technique of manipulating the particles. We utilized a two-dimensionally focused laser beam, namely light sheet, for a light source to enable the optical-based particle sorting with low energy density leading less damage to the sample and device. A microfluidic device in this study consisted of the channel structure made of SU-8 between silicon substrate and PDMS lid. Since SU-8 has higher refractive index than other materials, the total reflection of the optical wave occurs to serve the channel walls as a waveguide leading the 2D focused laser beam with less scattering. Particle migration to the direction of light propagation was verified without any damage in the chip under an irradiation of a 2 W laser beam, which had enough strong power to damage the polymer chip using a spot, namely 3D focused beam. Reasonable agreement of our experimental results with theoretical prediction was also confirmed.

Cet article présente le développement d’un dispositif microfluidique pour le tri de particules en utilisant la pression de radiation optique à faible densité d’énergie. Le besoin d’une gestion efficace des particules en microcanal a conduit à la mise au point récente de techniques avancées de manipulation. L’utilisation de la pression de rayonnement optique permet de développer une technique de manipulation des particules dans un microcanal sans contact et à distance. Nous avons utilisé un faisceau laser plan avec une faible densité d’énergie pour minimiser les risques de dommages de l’échantillon. Le dispositif microfluidique étudié ici consiste en un canal en SU-8 déposé sur un substrat en silicium et fermé par un couvercle en PDMS. Puisque le SU-8 a un indice de réfraction plus élevé que les autres matériaux, la réflexion totale de l’onde optique utilise les parois du canal comme guide d’ondes afin que le faisceau laser 2D focalise avec moins de dispersion. La migration de particules dans la direction de propagation de la lumière a été vérifiée sans dommage pour la puce sous une irradiation d’un faisceau laser de 2 W, puissance qui serait suffisamment forte pour endommager la puce en polymère si le faisceau n’était pas plan mais focalisé en un point. Un accord raisonnable entre nos résultats expérimentaux et la prédiction théorique a également été observé.

• Optical radiation pressure
• Particle sorting
• Planar waveguide
• Microlens
• Microfluidics

• Pression de rayonnement optique
• tri de particules
• guide d’ondes plan
• microlentille
• microfluidique