CN102156326A - 多芯光纤驱动的微搅拌器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种多芯光纤驱动的微搅拌器。包括一段多芯光纤经熔融拉锥制成的锥体状多芯光纤和由复合材料制成的微小粒子，微小粒子位于锥体状多芯光纤的锥体端，锥体状多芯光纤的非锥体一端连接光源，锥体状多芯光纤的多个纤芯出射光同时作用到直立悬浮液体中的微小粒子上，所述的微小粒子的上体为密度较小材质制成的一个球体和旋转轴、底部为密度较大的材质制成的带有由多个翼的构成的“类风车”结构。本发明具有体积小、重量轻、结构简单、价格便宜、易操作、混合效率高，有利于减少试剂等特点。可广泛应用在生物和化学领域。

Description

多芯光纤驱动的微搅拌器

技术领域

本发明涉及的是一种微搅拌器，具体地说是一种利用多光芯光纤驱动微小粒子构成的微搅拌器。

背景技术

近些年来，微全分析系统(μTAS)也称为单晶片上构建的实验室已经在医学研究、生物应用分析和化学领域掀起了巨大的研究浪潮。其中微搅拌器是将多种不同的微流样本能够最快最充分的进行混合的至关重要的部分之一。因此设计和制备微搅拌器也变得越来越重要。一般而言，微搅拌器可分为两类：被动型和主动型也称为静止型和转动型。依靠分子扩散和混乱的对流，被动微搅拌器具有结构简单，不需要外部能量来驱动搅拌，稳定。这也是第一种被报道的微搅拌器的类型。报道的被动微搅拌器，如Y型或T型，改进泰斯拉结构，蜿蜒的微通道和嵌入式障碍，目的是利用了不同的几何形状获得最大的界面面积(S.H.Wong，M.C.L.Ward，C.W.Wharton，“Micro T-mixer as a rapid mixing micro-mixer，”Sensors and Actuators B 100(2004)359-379；D.S.Kim，S.W.Lee，T.H.Kwon，S.S.Lee，“A barrier embedded chaotic micro-mixer，”J.Micromechanical Micro engineering 14(2004)798-805.])。与被动搅拌器相比主动型搅拌器具有更高的搅拌效率。主动型搅拌器到目前为止主要分为两种，一种是外部施加驱动，例如，给整个搅拌器施加振动或使搅拌器整体做周期性的翻转等(Yaw-Jen Chang，Yeon-Pun Chang and Ching-Wei Huang.Design and Fabrication of Micro-mixer With Piezoceramic Buzzer 3rd International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering.iCBBE 2009，art.no.5162586.)；另一种是在微流通道内放置微转子，利用光压力原理驱动微转子旋转从而使样本液体得到充分的混合。由于采用光驱动的微搅拌器装置，转子是在微流通道内部进行充分混合样本液体，所以样本液体混合效率高，并且驱动装置可以非接触式操作，使得操作方便、灵活。

1936年，R.A.Beth在实验上让一束圆偏振光通过细丝悬挂的半波片，首次利用光束中光子的角动量实现了物体的旋转。自此以来人们一直在不停的探索着实现光致旋转的方法。自从1986年Askin等人在Opt.Lett.11，288-290上发表文章“Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles提出了“光镊”实现了对粒子的三维空间控制，同时也促进了光致旋转的发展。到目前为止实现光驱动旋转主要采用如下几种方式：第一种方式是利用自旋角动量实现旋转，如文献(Sugiura T，Kawata S，Minami S.Optical rotation of small particles by a circularly-polarized laser beam in an optical microscope.J Spectrosc Soc Jpn1990，39：342)中提到利用圆偏振光激光束作用到双折射材料；第二种方式是利用轨道角动量实现旋转，如文献(Sato S，Ishigure M，Inaba H.Optical trapping and manipulation of microscopic particles and biological cells using higher-order mode Nd:YAG laser beams.Electron.Lett.，1991，27：1831-1832)中提到的一种非均匀强度的高阶模式激光束照射；第三种方式是利用光的线性动量实现旋转，设计制作具有特定外形结构的微型器件，利用器件对光束的反射、折射、吸收等相互作用来实现器件的旋转(祝安定，刘宇翔，郭锐，等.一种微型转子的激光加工和光致旋转.光电工程.2006，33(1)：10-13)。使用特殊形状如风车状的微粒，光束本身不携带角动量，可以是线偏振光也可以是非偏振光，其光致旋转的原理类似风吹风车转动，光场的光压力作用在风车状的微粒上会产生扭矩从而使微粒旋转，其转速与光强成正比。匈牙利科学院的Ormos小组在这方面做了大量的研究工作。这种方法的优点是微粒的转速与方向可以人为控制，缺点是受到微粒的形状的限制，但随着双光子加工加工技术的发展，这种实验方法应用起来更加的灵活。另外还有双光纤法、双光阱法、干涉激光模式法等多种巧妙的方法，这些光学旋转方法的巧妙之处一般都在于光阱激光模式的选择以及光路的设计思想，还有待进一步改进和完善。但目前为止都是采用激光形成光镊进行驱动。由于激光光镊体积比较庞大，不易移动，造价高等不足我们提出多芯光纤系统进行驱动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种体积小、重量轻、结构简单、价格便宜、易操作、混合效率高，有利于减少试剂的使用量的多芯光纤驱动的微搅拌器。

本发明的目的是这样实现的：包括一段多芯光纤经熔融拉锥制成的锥体状多芯光纤和由复合材料制成的微小粒子，微小粒子位于锥体状多芯光纤的锥体端，锥体状多芯光纤的非锥体一端连接光源，锥体状多芯光纤的多个纤芯出射光同时作用到直立悬浮液体中的微小粒子上，所述的微小粒子的上体为密度较小材质制成的一个球体和旋转轴、底部为密度较大的材质制成的带有由多个翼的构成的“类风车”结构。

本发明还可以包括这样一些结构特征：

1、所述的多芯光纤的纤芯间的距离随着拉锥成比例的缩小，所形成的锥体状多芯光纤的的锥体端部的每个纤芯间的距离近似等于微小粒子的“类风车”结构的直径。

2、所述的多芯光纤的是纤芯几何分布呈正三角形分布的三芯光纤或呈正方形分布四芯光纤。

3、构成的微小粒子的翼为上面为斜面的柱形，每个柱形翼的端部带有半圆柱，翼的斜面对光纤出射端，带有斜面的翼正对锥体状多芯光纤的锥体端。

实现多芯光纤驱动微小粒子的基本原理是使处于光场中的微小粒子受到光的线动量实现旋转，主要是利用光束在反射、散射或透射时由于动量的改变而产生的辐射压力或梯度力，作用于具有特殊几何形状的粒子上会产生扭转力矩实现旋转。多芯光纤驱动器利用多芯光纤出射的光场同时作用到微小粒子的斜面上产生光压力形成力矩，从而使微粒旋转起来，并且微粒的转速与光强呈线性增加关系，可以调整入射光强从而增大旋转速率起到搅拌样本液体的功能。

本发明提供了一种新颖的基于多芯光纤驱动的微搅拌器，它采用由一段多芯光纤经熔融拉锥制成的锥体状多芯光纤和复合材料制成的具有特定形状的微小粒子构成，制成的锥体状多芯光纤可以使多个纤芯出射光同时作用到直立悬浮液体中的微小粒子上，非锥体一端连接光源。相对传统微搅拌装置，它不仅具备体积小、重量轻、结构简单、价格便宜、易操作、混合效率高等优点，而且利用多芯光纤驱动系统比传统的利用激光驱动更方便地修改操作位置、增加强度、节省操作空间，使得微小粒子获得更大的扭矩，提高了搅拌效率，因此大大减少试剂的使用量，节约试剂，所以广泛应用在生物和化学领域。

本发明具有如下特点：

1、本发明提供了一种新型的多芯光纤驱动的微搅拌器，利用“类风车旋转”原理，设计了“类风车”结构转子，在利用多芯光纤出射光场同时驱动下获得了更大的扭转力矩，提高了搅拌效率。相对传统激光驱动微转子装置，它具备体积小、结构简单、质量轻、价格便宜、操作自由度大、易操作等优点。同时解决了多根光纤驱动不易排布的问题。

2、由于微转子的转速与光强呈线性增加关系，多芯光纤驱动装置可以同时为各个翼分别提供驱动光源从而增大旋转速率起到搅拌功能，能够避免传统激光驱动装置由于功率过大在微转子的表面产生灼伤的现象。

3、由于微搅拌装置体积小，混合速率高，可以大大减少试剂的使用量，节约试剂，并且系统采取非接触驱动，避免由于直接接触损伤溶剂活性，所以广泛应用在生物和化学领域。

4、利用不同密度材料制成的具有特定结构的微小粒子，使重心在底部，从而使得微小颗粒直立悬浮在液体中，可以稳定驱动粒子旋转。

5、由于微小粒子的每个翼带有斜面和半圆柱结构，不仅增加了扭转力矩而且减少了微小粒子旋转时的粘滞阻力从而获得更高的搅拌效率。

附图说明

图1多芯光纤驱动的微搅拌器结构示意图；

图2三芯光纤横截面示意图；

图3四芯光纤横截面示意图；

图4光源尾纤与四芯光纤耦合连接示意图；

图5四芯光纤熔融拉锥示意图；

图6-1至图6-3微小粒子结构示意图，其中：图6-1微小粒子三维空间图；图6-2微小粒子上视图；图6-3微小粒子前视图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1、2、3，本发明基于多芯光纤驱动的微搅拌器包括一段多芯光纤4经熔融拉锥制成的锥体状6的多芯光纤和由复合材料制成的微小粒子8，多芯光纤有3-4根纤芯5。微小粒子位于锥体状多芯光纤的锥体端，锥体状多芯光纤的非锥体一端通过光源尾光纤连接光源，锥体状多芯光纤的多个纤芯出射光同时作用到直立悬浮液体中的微小粒子上。同时结合图6-1至图6-3，所述的微小粒子的上体为密度较小材质制成的一个球体和旋转轴、底部为密度较大的材质制成的带有由多个翼的构成的“类风车”结构。多芯光纤的纤芯间的距离随着拉锥成比例的缩小，所形成的锥体状多芯光纤的的锥体端部的每个纤芯间的距离近似等于微小粒子的“类风车”结构的直径。多芯光纤的是纤芯几何分布呈正三角形分布的三芯光纤或呈正方形分布四芯光纤。构成的微小粒子的翼为上面为斜面的柱形，每个柱形翼的端部带有半圆柱，翼的斜面对光纤出射端，带有斜面的翼正对锥体状多芯光纤的锥体端。

下面以四芯光纤为例介绍实施方式制作过程：

1、光源尾纤耦合连接：取一段纤芯为正方形分布的四芯光纤4，将光纤一端进行涂覆层祛除、切割，然后与带光源的单模光纤2进行对准焊接，如图4所示。在图4所示的焊点9处进行加热至软化状态，然后进行拉锥，并进行光功率监测，直到耦合到多芯光纤的光功率达到最大时为止；

2、封装保护：将内径大于标准光纤和四芯光纤的石英管调至图4所示的耦合区9处，利用环氧树脂固定好，然后进行二次涂覆完成整体保护；

3、耦合连接：结合图5，将四芯光纤的光纤端进行熔融拉锥，进行加热至软化状态，然后进行拉锥，多芯光纤的纤芯距离随着拉锥距离a成比例的缩小，直至每个纤芯距离近似等于微小粒子的直径停止拉锥。

4、微粒的加工：其中微小粒子的加工如图6所示，首先在CAD中设计所需求的模型，然后按照CAD已经设计好的应用程序，转化为控制器可以识别的指令，再利用计算机的软件控制系统控制三维移动轴的精密运动和光闸的通断，实现飞秒激光有选择性加工，此时飞秒激光准直后从显微镜左侧入射，经过反射镜反射后，被100倍显微物镜聚焦到光敏树脂内，光敏树脂位于玻片表面，玻片固定在三维移动轴上，从而在光敏树脂内制作三维立体微器件，未曝光的材料用溶剂溶解，就得到所需的固化三维微结构即所设计的微小粒子。

Claims (5)

1.一种多芯光纤驱动的微搅拌器，其特征是：包括一段多芯光纤经熔融拉锥制成的锥体状多芯光纤和由复合材料制成的微小粒子，微小粒子位于锥体状多芯光纤的锥体端，锥体状多芯光纤的非锥体一端连接光源，锥体状多芯光纤的多个纤芯出射光同时作用到直立悬浮液体中的微小粒子上，所述的微小粒子的上体为密度较小材质制成的一个球体和旋转轴、底部为密度较大的材质制成的带有由多个翼的构成的“类风车”结构。

2.根据权利要求1所述的多芯光纤驱动的微搅拌器，其特征是：所述的多芯光纤的纤芯间的距离随着拉锥成比例的缩小，所形成的锥体状多芯光纤的的锥体端部的每个纤芯间的距离近似等于微小粒子的“类风车”结构的直径。

3.根据权利要求1或2所述的多芯光纤驱动的微搅拌器，其特征是：所述的多芯光纤的是纤芯几何分布呈正三角形分布的三芯光纤或呈正方形分布四芯光纤。

4.根据权利要求1或2所述的多芯光纤驱动的微搅拌器，其特征是：构成的微小粒子的翼为上面为斜面的柱形，每个柱形翼的端部带有半圆柱，翼的斜面对光纤出射端，带有斜面的翼正对锥体状多芯光纤的锥体端。

5.根据权利要求3所述的多芯光纤驱动的微搅拌器，其特征是：构成的微小粒子的翼为上面为斜面的柱形，每个柱形翼的端部带有半圆柱，翼的斜面对光纤出射端，带有斜面的翼正对锥体状多芯光纤的锥体端。

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