CN105921355B - 一种基于铌酸锂晶体实时可控的微液滴喷射装置及方法 - Google Patents

一种基于铌酸锂晶体实时可控的微液滴喷射装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于铌酸锂晶体实时可控的微液滴喷射装置及方法，该装置包括激光器（1）、光阑（2）、圆形可调衰减器（3）、光学整形器（4）、等比分光器（5）、光强探测器（6）、背景光源（7）、铌酸锂芯片（8）、透明微动芯片平移台（9）、聚焦物镜（10）、半透半反镜（11）、一级滤光片（12）、二级滤光片（13）、CCD相机（14）、刚性支架（15）。本发明由微液滴喷射光路、实时观测光路、光强探测光路组成，其中铌酸锂芯片（8）及透明微动芯片平移台（9）为此微液滴喷射装置的核心装置。本发明通过简单的装置可以实现极性液滴的喷射，并且其喷射速度可控。该技术可用于微量试剂的混合、分离，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。

Description

一种基于铌酸锂晶体实时可控的微液滴喷射装置及方法
技术领域
本发明涉及一种微液滴操控技术，具体是一种基于铌酸锂晶体实时可控的微液滴喷射装置及方法
背景技术
随着微流控芯片的迅速发展，微液滴的控制技术也受到人们越来越多的关注。微液滴控制技术一般应用于生物、化学、制药等领域的微量样品的分析过程中，它主要涉及微量试剂的混合及输运等。作为微液滴操控技术的重要组成部分之一的微液滴喷射技术对于微量试剂的混合分离等有重要的影响，它对生物医疗、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。
微液滴的喷射是指待喷射微液滴局部在外力的驱动下克服表面张力从原液滴中迅速分离出更小液滴的过程。文献(杨旭豪，刘国君，赵天，杨志刚，刘建芳，李新波.声表面波技术在微流控研究领域中的应用[J].微纳电子技术，2014，07：438-446.)叙述了利用声表面波技术实现微液滴喷射的方法。此方法需要在基底上制作复杂的叉指型电极，电极制作成本较高，且电极位置不可调整。所以该方法所用芯片结构复杂，加工工艺繁琐，且不能进行实时观测。
文献(Pyroelectrodynamic，Shooting，P.Ferraro，S.Coppola，S.Grilli，M.Paturzo，V.Vespini.Dispensing nano-pico droplets and liquid patterning bypyroelectrodynamic shooting[J].nature nanotechnology，2010，(5)：429-435)基于铌酸锂晶片，利用其热释电效应，实现了杏仁油的喷射。此方法对于液滴的种类及性质有所要求，只能实现弱极化液滴的喷射。
2014年H.H.吉拉尔特等人提出(静电喷雾电离方法，专利申请号：201380004908.3)利用静电力实现了凝胶的喷射分离。此方法需要外加高压电源，加工微孔或微阵列，易被堵塞，不易清洁，难以满足未来微流控芯片安全、简单的发展趋势。
文献(WenjieLan，ShaoweiLi，GuangshengLuo，Numerical and experimentalinvestigation of dripping and jetting flow in acoaxialmicro-channel，ChemicalEngineering Science，2015，(134)：76-85.)提出了一种利用气压驱动实现微液滴喷射的方法。此方法需要较为复杂的外接驱动设备，并且需要设计制作一种特殊的喷嘴结构，此结构易被堵塞，其芯片制作工艺复杂，不易清洁，而且仍然不能进行实时的观测。
发明内容
目前已报道的微液滴喷射技术存在很多问题，如：气压式驱动喷射芯片普遍需要复杂的外接设备，并且需要利用成本较高的光刻技术在芯片上制作微喷嘴、微通道；利用热驱动喷射的芯片同样难以摆脱微喷嘴、微通道的限制，并且芯片长期处于较高温度中对于试样的活性有很大的影响；压电驱动喷射芯片与以上两种芯片有同样的问题即需要在芯片上制作复杂的微喷嘴或微通道结构，所有需要微喷嘴或微通道帮助才能实现微液滴喷射的芯片对待喷射液滴的物理性能都有一定的要求，即溶液需具有很好的微粒分散性以防喷嘴或通道堵塞；目前已有的静电驱动喷射芯片都需要外加高压电源，并且需要通过光刻、蒸镀、溅射等复杂工艺在芯片上制作电极。目前已有的微液滴喷射方法存在核心芯片结构复杂、成本较高、对待喷射液滴的物性要求苛刻，无法实时观测与控制等缺点。针对上述问题，本发明提供一种简单、易行、作用液滴范围广且可实时观察控制的微液滴喷射方法。
一种实现微液滴喷射的装置，其特征在于：激光器1、光阑2、圆形可调衰减器3、光学整形器4、半透半反镜11、聚焦物镜10、透明微动芯片平移台9、铌酸锂芯片8按顺序形成微液滴喷射光路；背景光源7、铌酸锂芯片8、透明微动芯片平移台9、聚焦物镜10、半透半反镜11、一级滤光片12、二级滤光片13、CCD相机14按顺序形成实时观测光路；激光器1、光阑2、圆形可调衰减器3、光学整形器4、等比分光器5、光强探测器6组成实时光强探测光路。通过三条部分重合的光路实现微液滴喷射与观测实时进行。
一种实现微液滴喷射的装置，其特征在于：利用铌酸锂芯片作为核心装置，铌酸锂芯片由一层聚四氟乙烯疏水膜与铌酸锂基底组成。
一种实现微液滴喷射的方法，其特征在于：通过聚焦激光照射待喷射微液滴实现微液滴的喷射。
一种实现微液滴喷射的方法，其特征在于：对于待喷射液滴的导电性、微粒分散程度等没有特殊要求。
一种实现微液滴喷射的方法，其特征在于：利用圆形可调衰减器与光强探测器实时控制光斑功率与微液滴喷射速度。
一种实现微液滴喷射的方法，其特征在于：通过光阑与光学整形器控制聚焦光斑的光强分布，从而控制静电场的作用范围，影响微液滴的喷射效果。
一种实现微液滴喷射的方法，其特征在于：借助背景光源和CCD相机可以同步观察微液滴的活动，其喷射过程可实时观测。
与现有技术相比，本发明的优点在于，基于铌酸锂芯片以及物镜激光聚焦系统，装置结构相对简单；铌酸锂芯片制作工艺及制作成本较低，无复杂的芯片结构；该方法对待喷射液液滴的导电性及其中的微粒分散程度没有特殊要求，可以实现极性溶液的喷射，并且其喷射速度可控；另外该方法可以通过调控激光功率实现对微液滴的喷射速度的控制。
附图说明
图1为本发明基于铌酸锂晶体实时可控的微液滴喷射装置整体结构示意图。
图2为本发明基于铌酸锂晶体实时可控的微液滴喷射装置中铌酸锂芯片的具体结构示意图。
图3为本发明基于铌酸锂晶体实时可控的微液滴喷射装置实施例(实例1)的喷射过程图。
图4为本发明基于铌酸锂晶体实时可控的微液滴喷射装置实施例(实例2)的喷射过程图。
图5为本发明基于铌酸锂晶体实时可控的微液滴喷射装置实施例(实例3)的喷射过程图。
图6为本发明基于铌酸锂晶体实时可控的微液滴喷射装置实施例(实例4)的喷射过程图。
图7为本发明基于铌酸锂晶体实时可控的微液滴喷射装置实施例(实例5)的喷射过程图。
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。
本发明公开了一种基于铌酸锂晶体实时可控的微液滴喷射装置及方法，该装置包括激光器1、光阑2、圆形可调衰减器3、光学整形器4、等比分光器5、光强探测器6、背景光源7、铌酸锂芯片8、透明微动芯片平移台9、聚焦物镜10、半透半反镜11、一级滤光片12、二级滤光片13、CCD相机14、刚性支架15。其中激光器1、光阑2、圆形可调衰减器3、光学整形器4、半透半反镜11、聚焦物镜10、透明微动芯片平移台9、铌酸锂芯片8按顺序形成微液滴喷射光路；背景光源7、铌酸锂芯片8、透明微动芯片平移台9、聚焦物镜10、半透半反镜11、一级滤光片12、二级滤光片13、CCD相机14按顺序形成实时观测光路；激光器1、光阑2、圆形可调衰减器3、光学整形器4、等比分光器5、光强探测器6组成实时光强探测光路。其中铌酸锂芯片8(聚四氟乙烯疏水膜8-1、铌酸锂基底8-2)及透明微动芯片平移台9为此微液滴喷射装置的核心装置，通过调节透明微动芯片平移台9可使铌酸锂芯片8在三维方向移动。
本发明一种基于铌酸锂晶体实时可控的微液滴喷射装置及方法，该方法的操作步骤为：
通过旋涂烧结工艺在铌酸锂基底8-2上旋涂烧结一层聚四氟乙烯疏水膜8-1制备铌酸锂芯片8，将铌酸锂芯片8置于透明微动芯片平移台9，并将待喷射液滴转移到铌酸锂芯片8上；通过调节透明微动芯片平移台9使待喷射液滴位于聚焦物镜焦点附近，并利用CCD相机14捕获清晰物象；打开激光器1，通过调节光阑2控制聚焦光斑光强分布；通过调节透明微动芯片平移台9使聚焦光斑打到待喷射微液滴上；通过调节激光器1并利用圆形可调衰减器3与光强探测器6实时观测与控制激光功率从而控制喷射速度，完成实时可控的微液滴喷射。
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形成光生伏打场，所以其波长应介于350～750nm，其激光功率应介于0.5～40mW。等比分光器4的分光比例应介于49.8％～50.2％。背景光源7可使用氙灯、卤素灯或高功率白光LED灯。聚焦物镜10放大倍率应介于5～80倍。铌酸锂芯片8中的聚四氟乙烯疏水膜8-1的厚度应小于30μm，铌酸锂基底的厚度应介于0.1～5mm。聚光光斑直径应小于150μm。待喷射液滴的介电常数应介于2.2～81，接触角应大于90°，透明微动芯片平移台9对于波长为350～750nm的光的透过率应大于95％。
综合上述并考虑元件的成本以及微液滴喷射的效果，各参数的优选范围是：激光器1的波长应介于390～550nm，其激光功率应介于6～25mW，等比分光器4的分光比例应介于49.9％～50.1％，背景光源7选用卤素灯或白光LED灯，聚焦物镜10放大倍率应介于25～45倍，聚四氟乙烯疏水膜8-1的厚度应小于10μm，铌酸锂基底8-2的厚度应介于0.8～1.5mm，聚光光斑直径应介于5～120μm，待喷射液滴的介电常数应介于2.2～81，接触角应大于120°，透明微动芯片平移台9对于波长为390～550nm的光的透过率应大于98％。
在此装置上的所有光学元件和电子器件均固定在钢性支架15上，以保证激光的正确传播和测量精度。
本发明方案的工作原理：聚焦激光光斑照射铌酸锂基底后会在铌酸锂基底上下表面间形成一光生伏打场，此光生伏打场会使铌酸锂基底在距其上表面的一定空间范围内形成一静电场，此静电场的作用范围由聚焦光斑光强分布决定，在聚四氟乙烯疏水膜的帮助下通过此静电场便可使微液滴喷射。
下面给出本发明实现实时可控微液滴喷射的具体实施例，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405nm激光器，激光功率为7.0mW，背景光源选用卤素灯，聚焦物镜放大倍数为25倍，聚焦光斑直径为15μm，待喷射液滴(去离子水)体积为0.1μL，通过调节透明微动芯片平移台使聚焦光斑打到微液滴上，喷射速度为0.01μL/s。
实例2
使用405nm激光器，激光功率为17mW，背景光源选用高功率白光LED灯，聚焦物镜放大倍数为25倍，聚焦光斑直径为14μm，待喷射液滴(酒精)体积为0.2μL，通过调节透明微动芯片平移台使聚焦光斑打到微液滴上，喷射速度为0.03μL/s。
实例3
使用405nm激光器，激光功率为17mW，背景光源选用卤素灯，聚焦物镜放大倍数为25倍，聚焦光斑直径为20μm，待喷射液滴(食盐水)体积为1.0μL，通过调节透明微动芯片平移台使聚焦光斑打到微液滴上，喷射速度为0.03μL/s。
实例4
使用532nm激光器，激光功率为17mW，背景光源选用卤素灯，聚焦物镜放大倍数为25倍，聚焦光斑直径为17μm，待喷射液滴(食盐水)体积为1.0μL，通过调节透明微动芯片平移台使聚焦光斑打到微液滴上，喷射速度为0.02μL/s。
实例5
使用405nm激光器，激光功率为22mW，背景光源选用卤素灯，聚焦物镜放大倍数为25倍，聚焦光斑直径为100μm，待喷射液滴(去离子水)体积为1.2μL，通过调节透明微动芯片平移台使聚焦光斑打到微液滴上，喷射速度为0.05μL/s。
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 (6)

1.一种基于铌酸锂晶体实时可控的微液滴喷射装置，其特征在于：以由一层聚四氟乙烯疏水膜与铌酸锂基底构成的铌酸锂芯片为核心；激光器（1）、光阑（2）、圆形可调衰减器（3）、光学整形器（4）、半透半反镜（11）、聚焦物镜（10）、透明微动芯片平移台（9）、铌酸锂芯片（8）按顺序形成微液滴喷射光路；背景光源（7）、铌酸锂芯片（8）、透明微动芯片平移台（9）、聚焦物镜（10）、半透半反镜（11）、一级滤光片（12）、二级滤光片（13）、CCD相机（14）按顺序形成实时观测光路；激光器（1）、光阑（2）、圆形可调衰减器（3）、光学整形器（4）、等比分光器（5）、光强探测器（6）组成实时光强探测光路，通过三条部分重合的光路实现微液滴喷射、观测与控制实时进行。
2.一种以权利要求1所述的基于铌酸锂晶体实时可控的微液滴喷射装置为基础的实现微液滴实时可控喷射的方法，其特征在于：本方法于权利要求1所述的一种基于铌酸锂晶体实时可控的微液滴喷射装置中，通过聚焦激光照射被置于由一层聚四氟乙烯疏水膜与铌酸锂基底构成的铌酸锂芯片上的待喷射微液滴实现多种类型微液滴的快速大量喷射。
3.根据权利要求2所述的实现微液滴实时可控喷射的方法，其特征在于：此方法对于待喷射液滴的导电性、液滴中微粒分散程度没有特殊要求，可以实现多种类型微液滴的快速大量喷射。
4.根据权利要求2所述的实现微液滴实时可控喷射的方法，其特征在于：通过圆形可调衰减器与光强探测器控制聚焦光斑功率进而控制微液滴喷射速度。
5.根据权利要求2所述的实现微液滴实时可控喷射的方法，其特征在于：通过光阑与光学整形器控制聚焦光斑的光强分布，从而控制静电场的作用范围，影响微液滴的喷射效果。
6.根据权利要求2所述的实现微液滴实时可控喷射的方法，其特征在于：借助背景光源和CCD相机可以同步观察微液滴的活动，其喷射过程可以实时观测。
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