CN105510615B - 一种基于y切铌酸锂晶片的微液滴输运方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微液滴输运方法，该方法以y切铌酸锂晶片为芯片基底，利用激光聚焦照射铌酸锂晶片所产生的介电泳力作为微液滴的驱动力，通过激光聚焦光斑在铌酸锂晶片上的扫描动作带动微液滴按任意二维路径进行输运。该方法所需的芯片结构简单，可通过控制光斑扫描速度和激光功率对微液滴输运动作进行精准灵活的调控。此外该方法还具有非局域光响应、双液滴同步输运等特点。该技术可用于生物、化学、医学分析过程中的微量药剂及流体样品的输运，对生物医疗、药物诊断、环境监测以及分子生物学等领域的发展都具有非常重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种微液滴操控技术，具体是一种芯片结构简单、输运动作调控灵活、具有非局域光响应特点的微液滴输运方法。
背景技术
微液滴操控技术通常用于生物、化学、医学分析过程中的微量药剂及流体样品的分离及输运，可应用于集成培养、反应、分离、检测等基本操作单元于一体的微流控芯片设计和开发，对生物医疗、药物诊断、食品卫生、环境监测以及分子生物学等领域的发展都具有非常重要的意义。
2003年，W.H.Grover等人(Monolithic membrance valves and diaphragm pumpsfor practical large-scale integration into glass microfluidic devices，Sens.ActuatorsB，89，315-323(2003))，利用两层玻璃和一层PDMS组成的微气泵装置，通过充放气的方法实现了对微流体的输运，该方法需要鼓入空气，容易造成液体污染，其次该方法中液体需要经过固定的腔室，输运方向和输运速度大小均不可调控，并且该方法只适于对连续微流体的输运，不能实现对微液滴的输运。
2010年S.Y.Park等人(Single-sided continuous optoelectrowetting(SCOEW)for droplet manipulation with light patterns，Lab on a Chip，10，1633-1740(2010))利用光电润湿法实现了对微液滴的输运。他们在玻璃片上覆盖一层光电导氢化非晶硅膜，再在其上旋涂一层输水膜，并在装置两端制备两个电极，将微液滴置于输水膜上，通过光照来改变材料的电导率进而改变液滴前后部位压降，再进一步改变其前后部位的润湿性，以此来驱动液滴。该方法可以对体积大于250pL的液滴进行输运，但其需要制备光电导层和输水层且需要在芯片基底上制备电极，芯片结构复杂。该方法可以通过控制光学投影的速度对液滴的输运动作进行一定操控，但由于该方法需要经过多个响应过程来间接驱动液滴，因此无法精确灵活地控制液滴的输运动作。此外，该方法利用了材料的局域光响应特点，因此微液滴与光斑位置重合，光照会造成液滴温升，不仅会加快液滴蒸发，还有可能引起液滴变质。
2013年，王崇智利用介电润湿(EWOD)的方法实现了微液滴的输运(专利申请号为：201380001336.3)，液滴在具有多个电极的平板上依次受到电极的润湿作用而移动，其方法需要在芯片基底上制备多个电极，其结构特殊且不可调整，芯片结构复杂；该方法通过顺序致动电极来改变芯片不同部位的润湿性，来间接驱动液滴，无法精确灵活地控制液滴的输运动作。此外，该方法要求被输运的液滴与芯片的接触面积必须大于单个电极的截面面积，无法完成较小液滴的输运，所以该方法只能对较大的微液滴进行输运，无法适应未来微流控芯片高度集成化的要求。
最近，M.Esseling等人(Optofluidic droplet router.Laser and Photonicsreviews，9，98-104(2015))，以z切铌酸锂晶片做基底，利用该材料光折变空间电荷累积所产生的介电泳力，实现了对具有一定初速度的微液滴的定向输运。该方法不需要制备多种薄膜也不需要固定的电极结构，利用铌酸锂的空间电荷分布获得虚拟电极，使芯片结构得到了极大的简化，该方法能对体积大于1.2nL的液滴进行输运。其缺点主要体现在：该方法实现的是对流体的路由操作，要求微液滴具有一定初速度，无法输运静止的液滴，更不能对液滴的输运方向以及输运速度进行灵活的控制。该方法中虚拟电极的形成需要激光和空间光调制器组成的掩膜光照系统对铌酸锂基底进行预处理，成本较高。
发明内容
目前已报道的微液滴输运方法存在芯片结构复杂、输运动作调控性差、局域光响应等缺点。针对上述问题，本发明提供一种芯片结构简单、输运动作调控灵活、具有非局域光响应特点的微液滴输运方法。
一种微液滴输运方法，其特征在于：以y切铌酸锂晶片为芯片基底，利用激光聚焦照射铌酸锂晶片所产生的介电泳力作为微液滴的驱动力，通过激光聚焦光斑在铌酸锂晶片上的扫描动作带动微液滴按任意二维路径进行输运。
一种微液滴输运方法，其特征在于：利用激光聚焦照射y切铌酸锂晶片所产生的介电泳力作为微液滴的驱动力，液滴输运速度可直接通过光斑扫描速度进行精准调控，液滴输运驱动力可通过聚焦光功率进行灵活控制。
一种微液滴输运方法，其特征在于：利用激光聚焦照射y切铌酸锂晶片所产生的介电泳力作为微液滴的驱动力，输运过程中微液滴与聚焦光斑由于介电泳力的非局域光响应存在一定间隔，可以有效降低激光对液滴所造成的不良影响。
一种微液滴输运方法，其特征在于：利用激光聚焦照射y切铌酸锂晶片所产生的介电泳力作为微液滴的驱动力，可以实现对两个微液滴的同步输运，即双液滴同步输运方式。
一种微液滴输运方法，其特征在于：利用激光聚焦照射y切铌酸锂晶片所产生的非接触性的介电泳力作为微液滴的驱动力，可以对体积不小于9pL的微液滴进行输运，可以极大地满足芯片高度集成化的要求。
与现有技术相比，本发明的优点在于，该方法基于一个y切铌酸锂晶片，芯片结构相对简单；该方法可通过控制光斑扫描速度和激光功率对微液滴输运动作进行精准灵活地调控；该方法具有非局域光响应特点，输运过程中微液滴与聚焦光斑存在一定间隔，可以有效降低激光对液滴所造成的不良影响；该方法可以实现对两个微液滴的同步输运。
附图说明
图1为实现本发明基于y切铌酸锂晶片的微液滴输运方法所采用的装置图。
图2为本发明基于y切铌酸锂晶片的微液滴输运方法的核心部分3D图。
图3为本发明基于y切铌酸锂晶片的微液滴输运方法的一种实施例(实例1)的输运过程图。(图中白色小圆点标识激光光斑的位置，箭头标识激光光斑相对于y切铌酸锂晶片的移动方向，下同)。
图4为本发明基于y切铌酸锂晶片的微液滴输运方法的一种实施例(实例2)的输运过程图。
图5为本发明基于y切铌酸锂晶片的微液滴输运方法的一种实施例(实例3)的输运过程图。
图6为本发明基于y切铌酸锂晶片的微液滴输运方法的一种实施例(实例4)的输运过程图。
图7为本发明基于y切铌酸锂晶片的微液滴输运方法的一种实施例(实例5)的输运过程图。
图8为本发明基于y切铌酸锂晶片的微液滴输运方法的一种实施例(实例6)的输运过程图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
本发明公开了一种微液滴输运方法，实现该方法所需要的装置包括激光器1、CCD相机2、带阻滤光片3、半透半反镜4、物镜5、y切铌酸锂晶片6、三轴微动平移台7、背景光源8。其中激光器1、半透半反镜4、物镜5、y切铌酸锂晶片6按顺序形成输运光路；背景光源8、y切铌酸锂晶片6、物镜5、半透半反镜4、滤光片3、CCD相机2按顺序形成实时观测光路。y切铌酸锂晶片6固定在三轴微动平移台7上，剩下的光学元件和电子器件均固定在钢性连接架9上，保证所有元件同轴准直。
所述的激光器1，发出的激光要求照射在铌酸锂片上能有效地激发出载流子，所以其波长应介于300～700nm。背景光源可使用氙灯、卤素灯或高功率白光LED。聚焦物镜放大倍率介于4～100倍。考虑元件的成本以及输运效果，各参数的优选范围是：激光器波长应介于400～550nm，背景光源选用卤素灯或白光LED，聚焦物镜放大倍率介于20～50倍。
本发明公开了一种微液滴输运方法，该方法的操作步骤为：以y切铌酸锂晶片6为芯片基底，将待输运的微液滴10导入至其表面上；打开激光器，通过调节三轴微动平移台7移动y切铌酸锂晶片6的空间位置，使激光11聚焦打在微液滴附近的铌酸锂晶片表面上，适当调节激光功率；再通过三轴微动平移台7驱动y切铌酸锂晶片6运动，使激光聚焦光斑在铌酸锂晶片的二维平面上做相对扫描动作，带动微液滴按任意二维路径进行输运。液滴的输运速度可直接通过光斑扫描速度进行精准调控，液滴的输运驱动力可通过聚焦光功率进行灵活控制。对于小液滴低速输运，可相应的调小光强，缩小光斑的影响范围，有利于对小液滴输运动作进行更精准灵活的把控。而对于大液滴高速输运，可适当地增大光强，提高液滴输运驱动力，完成高速输运。
本发明方案的工作原理：激光照射y铌酸锂晶片表面，会产生定向移动的光激载流子(电子)，由于光激载流子沿铌酸锂片z轴的正方向移动，使其表面沿z轴方向在光斑两侧形成一正一负两个电荷积累区域，从而对微液滴产生介电泳力。通过激光聚焦光斑在铌酸锂晶片上的扫描动作可带动微液滴按任意二维路径进行输运。液滴随着激光光斑的相对移动而移动，其输运速度直接取决于激光光斑的移动速度，而且由于光斑两侧的介电泳力正比于聚焦光强，因此液滴输运驱动力可通过聚焦光功率进行控制。
下面给出本发明实现微液滴输运方法的具体实施例，具体实施例仅用于详细说明本发明，并不限制本申请权利要求的保护范围
实例1
使用488nm激光器，背景光源选用卤素灯，聚焦物镜放大倍数为25倍，将一个体积为55.1pL的微液滴导入至y切铌酸锂晶片上，然后打开激光器，调节微液滴的空间位置使其位于聚焦的激光光斑附近，调节聚焦光功率为38mW。通过三轴微动平移台驱动y切铌酸锂晶片运动，使激光光斑在其表面上沿一定路径进行扫描，微液滴会与激光光斑一同移动，实现对微液滴的输运，输运速度为215um/s，输运过程中微液滴与光斑保持一定的距离。
实例2
使用488nm激光器，背景光源选用白光LED，聚焦物镜放大倍数为25倍，将一个体积为60.8pL的微液滴导入至y切铌酸锂晶片上，然后打开激光器，调节微液滴的空间位置使其位于聚焦的激光光斑附近，调节聚焦光功率为46mW。通过三轴微动平移台驱动y切铌酸锂晶片运动，使激光光斑在其表面上沿一定路径进行扫描，微液滴会与激光光斑一同移动，实现对微液滴的输运，输运速度为263um/s，输运过程中微液滴与光斑保持一定的距离。
实例3
使用405nm激光器，背景光源选用白光LED，聚焦物镜放大倍数为25倍，将体积为15.1pL与75.4pL的两个微液滴导入至y切铌酸锂晶片上，然后打开激光器，调节微液滴的空间位置使聚焦的激光光斑打在两个液滴中间，调节聚焦光功率为3.65mW。通过三轴微动平移台驱动y切铌酸锂晶片运动，使激光光斑在其表面上沿一定路径进行扫描，微液滴会与激光光斑一同移动，实现对两个微液滴的输运，输运速度为17um/s，输运过程中微液滴与光斑保持一定的距离。
实例4
使用405nm激光器，背景光源选用卤素灯，聚焦物镜放大倍数为25倍，将体积为55.9pL与71.3pL的两个微液滴导入至y切铌酸锂晶片上，然后打开激光器，调节微液滴的空间位置使聚焦的激光光斑打在两个液滴中间，调节聚焦光功率为40.0mW。通过三轴微动平移台驱动y切铌酸锂晶片运动，使激光光斑在其表面上沿一定路径进行扫描，微液滴会与激光光斑一同移动，实现对两个微液滴的输运，输运速度为220um/s，输运过程中微液滴与光斑保持一定的距离。
实例5
使用532nm激光器，背景光源选用卤素灯，聚焦物镜放大倍数为25倍，将一个体积为9.0pL的微液滴导入至y切铌酸锂晶片上，然后打开激光器，调节微液滴的空间位置使其位于聚焦的激光光斑附近，调节聚焦光功率为0.23mW。通过三轴微动平移台驱动y切铌酸锂晶片运动，使激光光斑在其表面上沿一定路径进行扫描，微液滴会与激光光斑一同移动，实现对微液滴的输运，输运速度为0.96um/s，输运过程中微液滴与光斑保持一定的距离。
实例6
使用532nm激光器，背景光源选用白光LED，聚焦物镜放大倍数为50倍，将一个体积为15pL的微液滴导入至y切铌酸锂晶片上，然后打开激光器，调节微液滴的空间位置使其位于聚焦的激光光斑附近，调节聚焦光功率为1.05mW。通过三轴微动平移台驱动y切铌酸锂晶片运动，使激光光斑在其表面上沿一定路径进行扫描，微液滴会与激光光斑一同移动，实现对微液滴的输运，输运速度为4.0um/s，输运过程中微液滴与光斑保持一定的距离。
以上所述具体实例对本发明的技术方案和实施办法做了进一步地详细说明，应理解的是，以上实例并不仅用于本发明，凡是在本发明的精神和原则之内进行的同等修改、等效替换、改进等均应该在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种微液滴输运方法，其特征在于：以y切铌酸锂晶片为芯片基底，通过激光聚焦光斑在铌酸锂晶片上的扫描动作带动微液滴按任意二维路径进行输运。
2.根据权利要求1所述的一种微液滴输运方法，其特征在于，利用激光聚焦照射y切铌酸锂晶片所产生的介电泳力作为微液滴的驱动力，液滴输运速度可直接通过光斑扫描速度进行精准调控，液滴输运驱动力可通过聚焦光功率进行灵活控制。
3.根据权利要求1所述的一种微液滴输运方法，其特征在于：利用激光聚焦照射y切铌酸锂晶片所产生的介电泳力作为微液滴的驱动力，输运过程中微液滴与聚焦光斑由于介电泳力的非局域光响应存在一定间隔。
4.根据权利要求1所述的一种微液滴输运方法，其特征在于：利用激光聚焦照射y切铌酸锂晶片所产生的介电泳力作为微液滴的驱动力，可以实现对两个微液滴的同步输运，即双液滴同步输运方式。
5.根据权利要求1所述的一种微液滴输运方法，其特征在于：利用激光聚焦照射y切铌酸锂晶片所产生的非接触性的介电泳力作为微液滴的驱动力，可以对体积不小于9pL的微液滴进行输运。
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