CN101375348B

CN101375348B - 滴变形

Info

Publication number: CN101375348B
Application number: CN2007800035085A
Authority: CN
Inventors: 安德鲁·大卫·沃德; 科林·大卫·贝恩; 克里斯多佛·丹尼尔·梅勒
Original assignee: SCIENCE AND TECHNOLOGY FACILIT
Current assignee: United Kingdom Research and Innovation
Priority date: 2006-01-25
Filing date: 2007-01-25
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2027-01-25
Also published as: GB0601503D0; EP1977431B1; JP2009524514A; JP5033140B2; US8183540B2; WO2007085854A1; US20100258964A1; CN101375348A; EP1977431A1

Abstract

公开了一种用于使滴成形的技术。使用多个光阱或者至少一个几何形状可变的阱来使滴变形。例如通过使用诸如气溶胶OT的表面活性剂，将滴的表面张力降低到与可以使用光阱对氯化钠溶液中的庚烷滴施加的力相当。可以利用聚合来实现变形滴的固化。

Description

滴变形

技术领域

本发明涉及用于使诸如乳液中的微滴的滴变形的方法和装置，并且还涉及用于形成对应成形颗粒的方法和装置。

背景技术

存在许多这样的应用，其中要求具有特定形状和属性的微型颗粒和结构。例如，微机电系统(MEMS)、表面涂层、光子学波导等。这种微型颗粒的制造是困难且昂贵的。

还利用甚小尺度技术来研究在油漆和食品工业中特别重要的胶状结构。这些应用中颗粒形态的控制限于颗粒和球形滴。

此外，在光子学领域中，表面涂层通常对光载结构的属性是必需的。这些器件中的某些特征可能很难制造。

当前制造微部件的方法为SU8工艺。该工艺从被硬化以形成成形物体的凝胶块开始。可以通过包括用激光照射的许多方法来实现硬化/成形工艺。一旦被照射，凝胶就固化，从而可以去除任何未被照射的区域以形成期望的形状。

发明内容

本发明试图提供改善的制作甚小尺度或微型颗粒和器件的方法。

本发明还提供在多种应用中都会有用的使滴变形的方法。

因此，本发明提供通过改变指向滴的一个或更多个光阱的几何形状和/或位置来使该滴成形的方法。具体地说，提供了一种使滴成形的方法，该方法包括：生成聚焦在所述滴上的多个光阱；以及操纵所述光阱以改变所述滴的形状。沿受控的方向平移所述光阱，以改变所述滴的形状。

作为代替或与上述方法相结合，可以通过以下方法使滴变形：生成至少一个几何形状可变的光阱；将所述至少一个几何形状可变的光阱指向所述滴；以及调整所述光阱的所述几何形状，以使所述滴变形。

所述滴典型地可以包括或由直接悬浮在第二周围流体内的第一流体形成。因此，第一和第二流体典型地为不能混合的，并且可以形成诸如水包油型乳液的乳液系统的至少一部分。然而，也可以使用其他系统，例如，所述方法可以被用来改变珠的形状，如悬浮在周围介质中的凝胶或其他柔性材料的珠。

可以例如通过包括在上述乳液系统中来添加或使用表面活性剂来降低滴和滴周围流体之间的表面张力。优选的是，滴和周围流体之间的界面张力被设置为小于约10^-4Nm^-1，并且更优选地低于约10^-5Nm^-1，因为光阱力典型地为约10^-5到10^-6Nm^-1。在不使用表面活性剂的情况下，典型的油水界面张力为约0.05Nm^-1。

光阱可以被聚焦成入射在滴内。然而，如果光阱入射在滴外部而入射在与滴相邻的周围介质中，由此在该相邻介质上施加力以改变滴的形状，也可以对滴进行成形。

因此，本发明还提供形成成形滴的方法，该方法包括：提供悬浮在第二流体内的第一流体的滴，同时使用表面活性剂来减小在滴和周围第二流体之间的界面处的表面张力；在滴处形成多个光阱(或一个或更多个几何形状可变的阱)；以及移动光阱(或改变阱几何形状)以使滴变形。

本发明还提供滴(或珠)变形装置，该变形装置包括：用于保持悬浮在流体中的至少一个滴的样品空间；被设置用来生成指向滴的多个光阱的阱生成器；以及被设置用来操纵光阱以改变滴的形状的控制器。

所述装置还可以包括至少两个用于从至少两个视位对滴成像的摄像机。可以垂直或以其他方式排列这些视位，以提供示出滴三维形状的图像。

本发明还提供制作通过光镊成形的聚合体颗粒的方法，该方法包括：生成指向包含单体的滴的多个光阱；平移光阱以使滴成形；以及引发滴的聚合。

滴可以悬浮在还包含引发剂的乳液中。该引发剂可以是光引发剂。

附图说明

现在将参照附图仅通过示例来描述本发明的实施方式，其中：

图1是现有技术的光镊生成和样品监控系统的表示；

图2a例示了将多个光阱指向样品的现有技术；

图2b例示了图2的光阱的束腰的形状；

图3示出了使用两个光阱的滴的拉伸；

图4例示了使用三个光阱将滴变形为三角形；

图5例示了使用四个光阱将滴变形为正方形；

图6例示了如何使用四个光阱在三维上使滴变形以产生四面体；

图7示出了用于从侧视方向观察成形滴的装置；

图8示出了修改为包括光引发剂装置的光镊系统；以及

图9示出了使用两个光阱形成的针结构。

具体实施方式

图1示出了用于生成光阱的典型系统100。该系统100包括向阱光学器件(trap optics)120提供高强度光束115的激光器110。需要时，阱光学器件将该光束转换成多个光束，并且以适合于产生光阱的方式处理这些光束。典型的是，使用声光偏转器(AOD)执行到多个光束的转换，所述声光偏转器在时间上将光分成要求数目的光束。然后，从阱光学器件输出的光束穿过分束器130并被显微镜物镜或其他高NA透镜140聚焦。在光束的焦平面上提供样品台150，以致于邻近样品台的顶面形成每个光束的捕获区。样品145被放置在台150上。灯160照射样品以供观察。

可选的是，摄像机(170)和成像系统(可以包括已经描述的光系统的部件)可以用来向阱控制部(180)提供反馈，以调整阱的位置。

具体地说，尽管可以使用其他波长，但是激光器是在1064nm下工作的Nd:YAG并且通常使用在红外工作的激光器。其他波长的有效性取决于要约束在光阱中的物体的光属性。阱光学器件的光束输出功率为约30mW。显微镜物镜具有1.2的数值孔径和63x的放大倍率。

然而，本领域技术人员应当明白，上面描述的方法和装置是示例。存在许多其他技术用于生成多个光束。激光器和显微镜特性也是示例，并且可以使用不同的装置。

在“Creating Multiple Time-Shared Laser Traps with SimultaneousDisplacement Detection Using Digital Signal Processing Hardware”，Analytical Biochemistry 326，153(2004)，Guildford et al.中，详细描述了创建光阱的技术。

图2a示意性地例示了一种可以将使用图2的设置生成的多个阱指向样品145的方式。该图示出了有三个光束入射在样品上的显微镜物镜140。用直线表示光束的边沿(可以考虑为1/e²强度级)。用线201表示光束1，用线202表示光束2，而用线203表示光束3。当然，和该图的示意表示相反，如图2b中所表示的，光束的腰部直径是有限的。典型的是，光束腰部和光阱约为0.2-10μm级。图2a的示意性例示图示出了可以如何通过单个物镜来设置多个光束，并在样品平面内提供光束腰部且由此提供光阱210。

典型的是，使用光阱来操纵直径最高达约10μm的颗粒，尽管有时颗粒可能比该直径大。操纵颗粒的光阱通常称为光镊。

还可以对专用乳液系统使用光镊，以使所述乳液系统内的滴的形状变形。

图1的样品145可以由乳液的浅池组成。所述浅池被放置在样品台150上。典型的是，乳液系统由悬浮在氯化钠溶液中的庚烷滴组成(典型地为0.05M)。池可以包含100μm深的乳液池。

正常情况下，油和水之间的界面张力约为光镊可以提供的任何力的大小的1000倍。然而，通过向乳液中添加表面活性剂可以减小两种组份之间的表面张力。例如，可以使用表面活性剂气溶胶OT(Aerosol OT)，若存在NaCl盐，则在约20～23℃找到界面张力极低(＜3×10^-6Nm^-1)的区域。

图3示出了两个光阱入射在所描述的样品145的溶液中悬浮的油滴上。在图3a中，两个光阱被指向到滴内的同一位置，并在该点捕获滴。在图3b中，沿相反方向移动了两个阱。然而，它们仍然如此靠近，以至于所述阱交叠，从而滴将发生很小的变形。转到图3c，两个阱入射在滴的分离区域上并开始使滴形状变形。在图3d中，阱位于滴的边沿，从而提供力来拉伸滴，导致滴具有拉长的形状。

通过增加滴上入射的光阱数，可以增加滴形状的复杂性。图4示出了滴已使用三个光阱拉伸而产生三角形滴。和上面参照图3的描述一样，通过将光阱移动得相互分开来拉伸滴。为了产生等边三角形形状的滴，阱的移动方向按120°划分。阱在单个平面内开始并移动。图4a和4b示出了光阱120的最终位置。具体地说，在三角形的每个顶点附近设置有一个光阱(图4b)。图4c示出了通过上述方法产生的三角形滴的照片610。开始时的滴直径为约5μm，但是也表现出在2到10μm范围内的滴变形。与原始滴的体积相比较，变形后的滴的体积未改变。在图4c中还可以看出，表面张力使三角形的边略微弯曲。

上面的方法可以扩展到用四个光阱产生正方形、梯形或菱形形状的滴。图5示出了通过单个平面700内的四个阱120产生的正方形滴。图5c示出了产生的5μm正方形滴的照片710。

上面的方法可以扩展到使用更多的阱来产生更为丰富和复杂的形状。然而，随着形状复杂性的增加，对乳液极低表面张力要求的需求也增加。

通过在单个平面内移动光阱来使图4c和5c中示出的滴变形。不过，滴是三维体，还可以进一步扩展该技术来产生三维变形的滴，例如产生四面体或立方体。这种技术扩展要求光阱在单个平面之外的方向上施加力。例如，图6示出了产生四面体滴的光阱的位置。将滴变形为四面体和上面描述的二维形状之间的主要区别在于，需要在第二个平面内产生光阱以对滴形状变形提供深度。

适合于三维变形的装置可以类似于参照图1描述的装置。另外，激光束可以被分成两个分离的光束。第一光束可以如上所述被指向标准阱光学器件120和AOD，以在第一平面内产生阱。图6示出了位于两个平面Z＝0和Z＝1内的阱。第一平面810内的阱与图4中的阱相同，并且可以在x、y方向上移动(即，在平面内)以使滴的基部变形。第二光束形成阱820，在x、y样品平面外的z方向上控制该阱820的位置。通过第二光束产生的光阱的位置平移来实现滴在z方向上的拉伸。可以通过平移光系统中的最后光束扩展透镜的位置来实现z方向上的这种平移。根据光束的焦点要求受限的移动量，因此光阱需要约4-10μm的移动。如图6中所示，三维空间中的阱的最终排布将为三个阱的基部上方的一个固定顶点。图6a和6b示出了以在第一平面(Z＝0)中设三个阱而在第二平面(Z＝1)中设一个阱的方式产生的四面体。

清楚的是，可以扩展这种技术，以通过使用更多设在多个不同平面中的光阱来产生许多不同形状的滴。

图1中示出的装置仅允许从上方观察滴。与该观察平面垂直的滴变形很难看到。在图7的装置中，提供附加的透镜840和摄像机850。透镜840是长工作距离显微镜物镜。在这种情况中，使用20x的放大倍率。透镜840位于样品平面内并收集被滴偏转的光。然后，可以使用摄像机850来观察滴收集的光，以提供滴的侧视图像。当在三维上使滴变形时，希望有这种额外的观察方向。

上面使滴变形的方法并不限于形成具有两个、三个或四个顶点的滴，而是可以扩展到使用许多不同平面内的任意数目的光阱，以产生更多形状的滴。

在上面描述的实施方式中，在Z＝0平面内的光阱垂直入射到样品平面。然而，所述方法并不限于这种排布结构。Z＝0、Z＝1或任何其他平面中的阱可以从其他方向入射到样品上。

上面描述的乳液-表面活性剂系统是示例性的，并且可以使用许多其他乳液-表面活性剂系统，而不限于油和水溶液。例如，在液体中可以捕获凝胶滴。

此外，尽管在上面描述的实施方式中光阱入射在滴内，但是通过改变乳液系统，光阱可以入射到恰好在滴外侧的溶液中，并从外侧挤压滴。

在上面描述的实施方式的变型例中，可以使用衍射光元件(DOE)、空间光调制器(SLM)或其他技术来生成多个光阱。典型的是，这种装置使用可寻址全息照相元件，以利用衍射将一个激光束分成多个光束。这些技术在空间上分割光，而不是如上面实施方式中描述的那样使用AOD在时间上分割光。可以按允许快速且容易地创建并移动多个阱的视频速率寻址DOE。这种技术有时称为动态全息照相光镊，在“Opticaltweezer arrays and optical substrates created with diffractive opticalelements”，E.R.Dufresne and D.G.Grier，Rev.Sci.Instr.69，1974-1977(1998)中可以找到更多信息。

在又一变型例中，使用衍射光元件或其他技术来生成多个光束，以产生具有可控几何形状的单个光阱。操纵分离的光束来改变阱的形状，由此改变阱内保持的滴的形状。当然，还可以使用这里描述的任何技术的组合。

可以扩展上述滴变形技术，以例如通过滴中单体的受控聚合工艺来产生一定范围内的成形颗粒。在乳液配方中还可以包括相容的引发剂。

而且，乳液系统可以使用庚烷、气溶胶OT以及氯化钠溶液。添加到系统中的是单体和引发剂。合适的单体是通过二苄基酮(DBK)引发的苯乙烯。可替换的单体可以是使用2，2′-偶氮二(2-异丁腈)(AIBN)引发的甲基丙烯酸甲酯。这些引发剂可溶于油，因此将驻留在滴中。可替换的是，可以使用诸如2，2′-偶氮二(2-脒基丙烷)的水溶性引发剂。然而，这将驻留在滴外部，而且可能比位于滴内部的引发剂低效。

通过特定波长的光(光引发剂)的作用来激活上面的引发剂。对于DBK和ABAP，使用313nm的波长来引发聚合工艺。对于AIBP，使用366nm的波长。一般来说，对于光引发剂使用300-370nm范围内的UV波长来开始聚合。

可以使用的另一种聚合引发剂系统是基于丙烯酸酯的系统(例如，丙烯酸异冰片酯和二季戊四醇五丙烯酸酯)，对于所述基于丙烯酸酯的系统，光引发剂为2-苯甲基-2-二甲氨基-1-(4-吗啉基苯基)-1-丁酮。

可替换的是，可以使用通过加热、辐射、超声波或其他手段激活的引发剂。

上面描述的变形滴的聚合优选地快速发生，以避免滴形状的损失。根据使用的配方，滴表面的界面张力在聚合期间会显著增大。因此，如果聚合工艺缓慢发生，则激光捕获力和界面张力之间的平衡可能导致滴尝试恢复为球形。还可以通过促使滴中心先于表面聚合从而尽可能长时间地维持低界面张力来克服此问题。

可以修改图1中用于使滴成形的装置，以包括用于激活光引发剂并开始聚合工艺的装置。图8中示出修改的装置的实施例。除以下附加部分外，该装置与图1中描述的装置基本类似。附加了额外的分束器901和引发剂光源902。分束器901以位于物镜903前方的方式而放置在光阱生成激光束中。引发剂光源提供入射在分束器901上并被它偏转以穿过物镜的光束。

物镜将来自引发剂光源的光聚焦到滴上。可以一次照射整个滴，以保证整个滴同时开始聚合。因此，入射在滴上的聚焦引发剂光束的大小应当大于阱的大小。

在聚合期间，滴内部的力可能大到足以将滴从光阱中喷射出。可以通过增大捕获光束的强度来克服这个问题。

在“Micro-emulsion polymerisation of methyl methacrylatephotoinitiated by symmetrical azocompounds of different hydrophobicity”，Encinas et al，Langmuir 14(20)，5691-5694，1998中，描述了关于使用具有单体的乳液和微乳液来方便聚合的进一步信息。

当然，可以产生的形状并不限于上面描述的那些，而是可以使用任意数目的光阱来形成任意的形状。可能在医疗领域特别有用的器件是极细针。这可以用于探测细胞。可以使用如图3中描述的两个阱来形成这种器件。通过如图10所示那样一步步移开阱，可以获得哑铃形状。在聚合后，可以在中间劈开聚合体，以提供细针。类似地，可以制作许多其他用于细胞显微分析的工具，和用于操纵或聚集胶体的工具。

实验表明，可以使用描述的技术将单个滴分离成两个或更多个更小的滴，或者从单个更大的滴中拉出多个子滴。这些滴通过滴流体的薄线保持连接。我们已经演示了具有约1到20μm的长度和约1～1000μm的直径的线。滴流体能够沿或通过这些线流动，从而在滴之间交换流体。可以实现线流体的聚合，以形成诸如针和探尖的极细结构。在微流体应用(例如在微流体装置内部仅流体可以接近的位置现场创建固态的成形阀结构)和针对流体流的芯片上实验室(lab-on-chip)应用中找到了使滴变形的其他使用。

滴的固化并不限于上述聚合技术，而是可以使用通过加热、引发剂或者两者的作用而可固化滴的液体滴。可替换的是，可以通过快速冷冻来固化液体。

本领域技术人员应当清楚所描述的实施方式的其他变型例。

Claims

1.一种使滴变形的方法，该方法包括：

生成多个光阱；

将所述多个光阱指向所述滴；以及

移动所述多个光阱中的至少一个光阱，以使所述滴的形状变形，

其中，所述滴由第一液体形成，并且所述滴悬浮在第二液体中，该第二液体也称为周围液体。

2.如权利要求1所述的方法，其中，彼此相对地移动所述光阱，以使所述滴的形状变形。

3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述光阱入射在所述滴内。

4.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述光阱入射在所述滴外部。

5.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述滴悬浮在作为乳液的一部分的所述周围液体中。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述乳液包括表面活性剂，以降低所述滴和所述周围液体之间的表面张力。

7.如权利要求5所述的方法，其中，所述乳液为水包油型乳液。

8.如权利要求5所述的方法，其中，所述乳液包含气溶胶OT、庚烷以及氯化钠。

9.如权利要求1或权利要求2所述的方法，该方法还包括固化所述滴的步骤。

10.如权利要求1或权利要求2所述的方法，该方法还包括促使包含在所述滴中的单体聚合。

11.如权利要求10所述的方法，该方法还包括光触发引发剂以促使聚合。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述引发剂被包括在所述滴中。

13.如权利要求1所述的方法，其中，所述滴和所述周围液体之间的界面张力小于1×10^-4Nm^-1。

14.滴变形装置，该滴变形装置包括：

用于保持由第一液体形成的至少一个滴的样品空间，所述滴悬浮在第二液体中，该第二液体也称为周围液体；

被设置用来生成入射在所述滴上的多个光阱的阱生成器；以及

被设置用来操纵所述光阱以使所述滴变形的控制器。

15.如权利要求14所述的滴变形装置，该滴变形装置还包括：

被设置用来从两个或更多个视位观察所述滴的成像装置。

16.如权利要求14或权利要求15所述的滴变形装置，其中，所述滴悬浮在作为乳液的一部分的所述周围液体中。

17.如权利要求16所述的滴变形装置，其中，所述乳液包括表面活性剂，以降低所述滴和所述周围液体之间的表面张力。

18.如权利要求16所述的滴变形装置，其中，所述乳液包含单体和引发剂。

19.如权利要求18所述的滴变形装置，其中，所述引发剂为光引发剂。

20.如权利要求19所述的滴变形装置，该滴变形装置还包括：

被设置用来照射所述滴并促使所述滴聚合的触发生成器。

21.如权利要求20所述的滴变形装置，其中，所述触发生成器包括：

生成适合于激活所述光引发剂的光的激光器；以及

被设置用来将所述激光指向所述滴的光组件。

22.如权利要求14所述的滴变形装置，其中，所述滴和所述周围液体之间的界面张力小于1×10^-4Nm^-1。

23.一种用乳液制造成形的聚合体颗粒的方法，该乳液包含引发剂和具有单体的滴，该方法包括：

生成指向所述滴的多个光阱，其中所述滴由第一液体形成，并且所述滴悬浮在第二液体中，该第二液体也称为周围液体；

移动所述光阱以使所述滴的形状变形；以及

引发所述滴的聚合。

24.如权利要求23所述的方法，其中，所述引发剂为光引发剂。

25.如权利要求24所述的方法，通过同时照射整个所述滴来引发聚合。

26.如权利要求23到25中的任一项所述的方法，其中，所述乳液包含苯乙烯单体和二苄基酮引发剂。

27.如权利要求23到25中的任一项所述的方法，其中，所述乳液包含甲基丙烯酸甲酯单体和2，2′-偶氮二(异丁腈)引发剂。

28.如权利要求23到25中的任一项所述的方法，其中，所述引发剂为2，2′-偶氮二(2-脒基丙烷)。

29.如权利要求23所述的方法，其中，包含单体的滴和包含引发剂的周围液体之间的界面张力小于1×10^-4Nm^-1。

30.一种使滴变形的方法，该方法包括：

生成至少一个几何形状可变的光阱；

将所述至少一个几何形状可变的光阱指向所述滴；以及

调整所述光阱的几何形状，以使所述滴变形，

31.如权利要求30所述的方法，其中，使用多个光束来形成所述几何形状可变的光阱。

32.如权利要求30或权利要求31所述的方法，其中，所述几何形状可变的光阱入射在所述滴内。

33.如权利要求30或权利要求31所述的方法，该方法还包括固化所述滴的步骤。

34.如权利要求30所述的方法，其中，所述滴和所述周围液体之间的界面张力小于1×10^-4Nm^-1。

35.一种形成成形滴的方法，该方法包括：

向悬浮在第二周围液体内的第一液体的滴提供表面活性剂，以降低所述滴和周围的所述第二周围液体之间的界面张力；

在所述滴处形成多个光阱；以及

操纵所述光阱来使所述滴的形状变形。

36.如权利要求35所述的方法，其中，所述第一液体和所述第二周围液体之间的界面张力小于1×10^-4Nm^-1。