CN106622436A - 基于光流漩涡阵列的材料分布式控制平台及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光流漩涡阵列的材料分布式控制平台及控制方法，通过激发微流体表面上的光热热源产生马兰格尼对流，其由四个漩涡组成，每个漩涡均按照一定方向旋转，且在中心处速度最小。每个漩涡的中心可以提供一个稳定的势垒用于捕获材料。一旦材料被捕获至漩涡中心，漩涡的旋转流向可提供扭矩驱动材料旋转(顺时针或者逆时针均可)。漩涡阵列可在芯片中随着微纳波导的移动而移动，进而可以操控目标在微流体中定向移动。在漩涡对微粒的捕获与旋转的基础上，可以将原先就散布在微流体中的互不接触的多种微粒、生物细胞等通过吸引捕获在同一个漩涡中，各种材料在涡旋中的旋转将促进材料之间的相互作用，从而诱导材料实现自动组装等功能。

Description

基于光流漩涡阵列的材料分布式控制平台及控制方法

技术领域

本发明属于材料操控领域，具体涉及一种基于光流漩涡阵列的实现对微纳米材料、生物细胞及其分子等的分布式捕获、靶向操控、自身旋转、自动组装的多功能控制平台及控制方法。

背景技术

在微流控系统中，实现对流体中各种材料的捕获、移动、排列等操控是实现材料合成与分析的基本手段。在微系统和生物医学领域具有广泛的应用价值。以往的操作技术主要通过原子力显微镜的探针实现接触式操作，对于生化环境，这种直接接触容易对样品造成机械损伤和污染。因此利用外来的设备激发各类场来实现遥控操作成为材料操控的首选。然而这种方法对操控的目标的材料性质具有很大的限制。比如利用静电场只能捕获带有电荷的材料，利用静磁场只能捕获带有磁性的粒子。由于激光光束具有方向性好、无污染等优点，并且能够在液相中工作，利用光场已经逐渐成为研发遥控操作微纳米材料的理想工具。利用激光光束的线动量或者角动量可以将微粒限制在光束中心甚至驱动微粒旋转，分别被称为光镊以及光学扳手。此外利用激光激发具有激发表面等离子体增强效应的各类金属纳米结构也可实现对流体及流体中粒子的操作，被称为等离子体光镊。

目前利用激光的方法已经实现了多样的控制功能，包括捕获、旋转、收集等。但这种方法对材料的折射率、形状有很大限制，例如，对于规则球体的聚合物材料准确率较高，而对于金属材料以及不规则材料的操控失误率较高。此外需要克服流体的粘滞阻力，以及激光聚焦衍射极限的存在等因素，使得激光光源需要较大功率。此外采用一束激光进行激发，只能控制位于激光光斑内的材料，作用范围有限，若想同时捕获多个区域的材料，需要使用多束激光，这也意味着需要更多的实验设备与操作来完成。因此目前的激光光镊技术难以实现材料的分布式捕获。

发明内容

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的目的在于以光流漩涡阵列为基础，提出一种材料分布式控制平台，该平台通过激发微流体表面上的光热热源产生马兰格尼对流，利用该对流的特性实现材料分布式控制。

本发明基于光流漩涡阵列的材料分布式控制方法具体包括4种：捕获、操控、旋转、组装，通过在微流体上激发光流漩涡阵列实现微纳米材料的分布式捕获，通过激发功率或者调控激发源的位置实现对捕获材料的靶向操控，通过漩涡的旋转流向实现对捕获材料的旋转操控，通过漩涡的旋转实现对多种捕获材料的自动组装。

本发明的目的通过下述技术方案实现：基于光流漩涡阵列的材料分布式控制平台，包括光热热源、微流控芯片、微流体、普通光纤、光源以及微调整架，微流体放置在微流控芯片中，所述光热热源由光热转换材料与微纳波导组装而成，光热转换材料包覆在微纳波导上，光热热源放置在微流体上，微纳波导一端与普通光纤连接；所述普通光纤放置在所述微调整架上，另一端通过端口与光源连接。

优选的，所述材料分布式控制平台还包括显微镜系统，微流控芯片放置在所述显微镜系统的载物台上。

更进一步的，所述的显微镜系统优先选用配有CCD成像系统的显微镜，用于观察并记录实验现象。

优选的，所述普通光纤优先采用单模石英光纤。

更进一步的，所述的微纳波导采用火焰熔融拉伸法拉制普通光纤制得，直径优选为0.2～5μm，长度优选为100～500μm。

更进一步的，所述的光热转换材料可以使用本领域公知的具有良好的光热转换性能以及导热性能的纳米材料，为氧化石墨烯、纳米金胶体或者纳米银胶体，优选为氧化石墨烯。

所述的光热热源总共有两种制作方法，制作方法一为光致沉积法，包括如下步骤：

(1)将所述光热转换材料分散于DMF中形成分散液；

(2)将所述微纳波导浸没在微流体中；

(3)利用所属光纤激光器向微纳波导输入光能量；

(4)光热转换材料受微纳波导上倏逝场的作用沉积在微纳波导表面，形成线性热源。

所述的光热热源总共有两种制作方法，制作方法二为液滴涂覆法，包括如下步骤：

(1)将所述光热转换材料分散于乙醇中形成微流体；

(2)将形成的微流体直接滴在微纳波导上形成椭球状液滴；

(3)随着酒精的蒸发，液滴将逐渐萎缩，最后在所述光热转换材料自动涂覆在波导表面。

所述光源为功率可调谐光源。

所述光源与所述普通光纤的端口相互连接。

所述的微流控芯片用于盛放微流体。可以使用本领域公知的微流控通道，微流室。

所述的微流体可以使用本领域中公知的任何牛顿型流体，优选为DMF等。

所述的光热热源优先放置在微流体表面。

在采用上述控制平台进行操控时，有三种类型的材料，一种是微纳米球，可以使用本领域中公知的任何材质任何形状的微球，比如聚合物微纳米球、二氧化硅微纳米球、金属微纳米球。第二种是纳米线，可以使用本领域中公知的任何材质任何形状的纳米线，比如金纳米线，硅纳米线，碳纳米管。第三种是生物细胞和生物分子。

所述的基于光流涡旋阵列的材料分布式控制方法的机理是：本发明利用光热转换材料对微纳波导上的传输光场的限制并产生光热转换，形成线型的光热热源，所转换而成的热量将在整个微流体中产生温度梯度，进而造成了微流体表面上的表面张力变化，最终产生马兰格尼对流。其由四个漩涡组成，每个漩涡均按照一定方向旋转，且在最中心处速度最小。每个漩涡的中心可以提供一个稳定的势垒用于捕获材料。一旦材料被捕获至漩涡中心，漩涡的旋转流向可提供扭矩驱动材料旋转(顺时针或者逆时针)。若光热热源随着微调整架移动，漩涡可在芯片中跟着移动，可以操控目标随着漩涡而在流体中定向移动。在漩涡对微粒的捕获与旋转的基础上，可以将原先就散布在微流体中的互不接触的多种微粒通过吸引捕获在同一个漩涡中，各种材料在漩涡中的旋转将促进材料之间的相互作用，从而诱导材料实现自动组装。

一种基于光流漩涡阵列的材料分布式控制方法，在进行控制前，进行如下初始化步骤：

(1)将操控目标如微球，纳米线分散于DMF(二甲基甲酰胺)中，形成微流体；

(2)将所述微流体引入所述微流控芯片中；

(3)将所述光热热源置于微流体的表面；

(4)通过所述光源向微纳波导输入光能量。

完成上述初始化后，进行以下4种方式(光流捕获技术、光流操控技术、光流旋转技术、光流组装技术)的控制。

所述的光流捕获技术的实施方式为：在所述光源的激发下，所述光热热源附近的材料会被自动吸引至漩涡中心。

所述的光流操控技术的实施方式有两种。实施方式一为：在光源的输出功率的调控下，漩涡的尺寸产生变化，漩涡的中心产生移动，所述被捕获的材料会随之移动。功率增大时，材料远离光热热源。功率降低时，材料靠近光热热源。

所述的光流操控技术的实施方式有两种。实施方式二为：在所述微调整架的调控下，漩涡的产生位置产生变化，漩涡的中心产生移动，所述被捕获的材料会随之移动。

所述的光流旋转技术的实施方式为：在所述光源的激发下，所述光热热源附近的材料会被自动吸引至漩涡中心之后旋转，不同漩涡中的旋转方向不同。四个漩涡中，两个操控材料的顺时针旋转，另外两个操控材料的逆时针旋转。

所述的光流组装技术的实施方式为：在所述微调整架的调控下，有序捕获多种材料并吸引至漩涡中心之后旋转，最后组装成一个整体。

所述的捕获的材料为微纳米球，或者微纳米线，或者生物细胞及生物分子。本领域中公知的任何形状的材料也可捕获。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明材料分布式控制平台既可以作为独立的装置，又可以作为一个模块并入到本领域公认的任何适当的微流控系统中。在某些实施方式中，可以形成具有多种功能的芯片上的一个普适元件，适合推广。

2、本发明对材料的折射率、形状不做限制，应用场合广泛。

3、本发明基于光流漩涡阵列，只需要一束激光就能够同时捕获多个区域的材料，实现材料的分布式捕获，具有成本低、系统架构简单的优点。

4、本发明利用微调整架可以同时实现光流操控和组装。

附图说明

图1是基于光流漩涡阵列的材料分布式捕获与多功能操控技术平台的装置示意图。

图2是基于光流漩涡阵列的材料分布式捕获与多功能操控技术平台的实施方式的图示。

图3a是基于光流漩涡阵列的光流捕获技术的实施方式的图示。图3b-d是显微照片，所述的显微照片示出在25mW输入功率下，漩涡1与漩涡3分布捕获两颗聚苯乙烯微球。

图4a是基于光流漩涡阵列的光流操控技术的实施方式的图示。图4b-d是显微照片，所述的显微照片示出漩涡2与漩涡4分布捕获两颗聚苯乙烯微球并通过光输入功率(10、15、以及20mW)操控聚苯乙烯微球。

图5(a)是基于光流漩涡阵列的光流操控技术的实施方式的图示。图5(b)、(c)、(d)是显微照片，所述的显微照片示出四个漩涡分布捕获四颗聚苯乙烯微球并通过移动光热热源操控聚苯乙烯微球。

图6a是基于光流漩涡阵列的光流旋转技术的实施方式的图示。图6b-c是显微照片，所述的显微照片示出单根纳米线在漩涡中心旋转。

图7a是基于光流漩涡阵列的光流组装技术的实施方式的图示。图7b-d是显微照片，所述的显微照片示出在40mW输入功率下三颗聚苯乙烯微球在漩涡中心组装成链状或者三角状的微粒簇，三根纳米线在漩涡中心组装成“*”字形状的结构。两颗聚苯乙烯微球与一根纳米线在漩涡中心组装成哑铃状的结构。

具体实施方式

本发明采用控制微流控芯片中的漩涡流动对微纳米材料进行捕获与操控。通过激发微流体表面上的微纳波导产生马兰格尼对流，其由四个漩涡组成，每个漩涡均按照一定方向旋转，且在最中心处速度最小。每个漩涡的中心可以提供一个稳定的势垒用于捕获材料。一旦材料被捕获至漩涡中心，漩涡的旋转流向可提供扭矩驱动材料旋转(顺时针或者逆时针)。漩涡阵列可在芯片中随着微纳波导的移动而移动，进而可以操控目标在微流体中定向移动。在漩涡对微粒的捕获与旋转的基础上，可以将原先就散布在微流体中的互不接触的多种微粒通过吸引捕获在同一个漩涡中，各种材料在涡旋中的旋转将促进材料之间的相互作用，从而诱导材料实现自动组装。

图1是示出了本发明基于光流漩涡阵列的材料分布式控制平台的一种实例结构。其中：微流控芯片1、微流体2、微纳波导3、氧化石墨烯4、微调整架5、普通光纤6、掺铒激光放大器7、宽带光源8、显微镜9、电脑10。配有CCD成像系统的显微镜用于观察并记录实验现象。在显微镜的载物台上放有微流控芯片，里面盛放了微流体。微纳波导上的光纤固定在一个精密的三维微调整架上，可实现精密的三维空间调节。将宽带光源(工作波段：1525～1565nm，功率10mW)连接到掺铒光纤放大器(放大波段：1525～1565nm，放大功率范围10-100mW)上，从而得到波长在1525～1565nm、可调谐功率为10～100mW的激发光源。光纤端口与掺铒光纤放大器的输出端口连接。

图2是光流漩涡阵列的实施方式的图示。所述的微流控芯片主要由一个微流室构成，微流室中装有微流体。采用火焰熔融拉伸法拉制普通光纤制得微纳波导(长为0.2mm，直径为2.0μm)，在微纳波导上附上氧化石墨烯组成光热热源，将光热热源放置在微流体表面中。在氧化石墨烯较强的光限制与光吸收作用下，氧化石墨烯激发出高温，并将温度在微流体表面扩散。微流体表面的温度分布诱导产生了马兰格尼对流。如图2可以看出，马兰格尼对流由四个等效的漩涡组成，以此标记为漩涡1～4。每个漩涡在漩涡中心处流速最小，且按照一定方向旋转。例如，漩涡1与3为顺时针流动方向，漩涡2与4为逆时针流动方向。

下面结合实施案例及附图对本发明的实施方式，物理机制以及操作过程分别作进一步详细的描述。但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

该实施方式示出了基于光流涡旋阵列的分布式光流捕获技术。如图3a所示，在漩涡附近的微纳米材料会受到两种力的作用，第一种力是粘性力，其方向沿着漩涡流向，第二种力是升力，其方向垂直于漩涡流向并指向漩涡中心。在粘性力与升力的作用下，微纳米材料会以螺旋的轨迹进入漩涡中心。因此，漩涡中心可以作为一个稳定点用于捕获材料。马格兰尼对流可以提供四个漩涡中心，这意味着可以提供四个捕获位置，从而实现了基于光流漩涡阵列的分布式捕获技术。图3b-d所示的是漩涡1与漩涡3分别捕获两颗聚苯乙烯微球的整体过程。在t＝0s时，光源还未启动，两颗聚苯乙烯微球自由悬浮在光热热源附近，直径分别为2μm与4μm。在t＝1s时，光源开始启动，在25mW输入功率下，两颗聚苯乙烯微球开始分别螺旋进入漩涡并停在漩涡中心。经测量每颗聚苯乙烯微球与光热热源的垂直距离均约为10μm。在t＝5s时光源持续启动时，聚苯乙烯微球持续限制在漩涡中心无法逃逸，且与光热热源的垂直距离保持不变。

实施例2

该实施方式示出了通过调谐光源功率的光流操控技术。如图4a所示，随着光输入功率的增大，微流体表面的光热热源吸收更多的光能，释放更多的热能，温度也随之增加。在此过程中，微流体将热能扩散到更远处，从而使得产生的马兰格尼对流范围更大，速度更快。对流范围的增大影响了漩涡中心的移动，最终引导捕获材料远离光热热源。反之，功率的降低也可引导捕获材料靠近光热热源。图4b-d所示的是通过调谐光源功率实现光流操控的实验过程。在10mW输入功率下，两颗聚苯乙烯微球分别被漩涡2与漩涡4捕获并停在漩涡中心，其直径均为1μm。经测量每颗聚苯乙烯微球与光热热源的垂直距离均约为4μm。当输入功率增加至15mW时，垂直距离增大至6μm。当输入功率增加至20mW时，垂直距离增大至8μm。可以看出，每颗聚苯乙烯微球与光热热源的垂直距离与输入功率成线性增长关系。

实施例3

该实施方式示出了通过调谐光热热源位置的光流操控技术。如图5(a)所示，在微调整架的操控下，光热热源在微流体表面从旧位置移动到新位置，旧位置由于光热热源的消失导致了马兰格尼对流的消失，而新位置由于光热热源的出现引导了马兰格尼对流的出现。在此过程中，漩涡中心也从旧位置移动到新位置，最终引导捕获材料从旧位置移动到新位置。图5(b)-(d)所示的是通过调谐光热热源位置实现光流操控的实验过程。t＝0s时，在10mW输入功率下，四颗聚苯乙烯微球分别被漩涡1-4捕获并停在漩涡中心，其直径均为5μm。此后通过微调整架移动光热热源，t＝5s时，光热热源水平移动了6μm，垂直移动了3μm，t＝10s时，光热热源水平进一步移动了8μm，垂直移动了5μm，可以看出被捕获的聚苯乙烯微球也随着光热热源的移动而移动。

实施例4

该实施方式示出了基于光流涡旋阵列的光流旋转技术。与实施例1对比，当微纳米材料被捕获到漩涡中心之后，所受的升力由于轴对称性相互抵消，此时粘性力为显性作用，漩涡的旋转流向可提供扭矩驱动材料微纳米材料旋转。微纳米材料的旋转方向与漩涡的旋转流向相一致。如图6a所示，当微纳米材料被捕获到漩涡1与3中时，其旋转方向为顺时针，当微纳米材料被捕获到漩涡2与4中时，其旋转方向为逆时针漩涡。图6b-d所示的是利用漩涡旋转单根金属纳米线的详细过程，其长度为20μm，直径为1μm。可以发现，纳米线在激光启动后被捕获进在涡旋中心并不断自旋，且旋转模式可随着输入功率的变化而变化，在输入功率为10mW时，漩涡范围较小，被捕获的纳米线可围绕其中点旋转。当输入功率增大为20mW时，漩涡范围增大，被捕获的纳米线可围绕其顶端旋转。

实施例5

该实施方式示出了基于光流涡旋阵列的光流组装技术，旨在实现流体中各种材料的自行组装，合成制备出新型的材料。如图7a所示，该实施方式旨在通过外界环境的变化或者组分之间的相互作用诱导本就分离的组分自动有序地结合成一个新型的整体。在漩涡对微纳米的捕获与旋转的基础上，可以将原先就散布在流体中的互不接触的多种微粒通过吸引捕获在同一个漩涡中，各种材料在漩涡中的旋转将促进材料之间的相互作用，从而诱导材料实现自动组装。图7b所示的是利用漩涡将三个聚苯乙烯微球组装成微粒簇的详细过程。在40mW输入功率下，一个漩涡依次有序地捕获三个聚苯乙烯微球，其直径分别为1μm、2.5μm与4μm，并诱导微球在不同轨道中以同个角频率进行旋转，此后由于漩涡中心的吸引作用，微球依次叠加，相互连接，形成链状的微粒簇。在漩涡的持续旋转作用下，微球继续向稳定的状态组装，最终形成三角状的微粒簇。图7c所示的是利用漩涡将三根金属纳米线组装成纳米线结构的详细过程。在40mW输入功率下，一个漩涡依次有序地捕获三根金属纳米线到漩涡中心，其长度均为8μm，直径为0.5μm。纳米线依次叠加，并在漩涡的持续旋转作用下向稳定的状态组装，最终“*”字形状的纳米线结构。图7d所示的是利用漩涡将一根金属纳米线(其长度为8μm，直径为1μm)与两颗聚苯乙烯微球(直径均为3μm)组装成纳米线结构的详细过程。在40mW输入功率下，一个漩涡先捕获两颗聚苯乙烯微球使其围绕漩涡中心旋转，之后捕获一根金属纳米线使其围绕纳米线中心旋转，在漩涡的持续旋转作用下三者向稳定的状态组装，最终两颗聚苯乙烯微球分别与金属纳米线的两端相互连接，形成哑铃状的复杂结构。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于光流漩涡阵列的材料分布式控制平台，其特征在于，包括光热热源、微流控芯片、微流体、普通光纤、光源以及微调整架，微流体放置在微流控芯片中，光热热源由光热转换材料与微纳波导组装而成，光热转换材料包覆在微纳波导上，光热热源放置在微流体上，微纳波导一端与普通光纤连接；所述普通光纤放置在所述微调整架上，普通光纤另一端通过端口与光源连接。

2.根据权利要求1所述的材料分布式控制平台，其特征在于，所述材料分布式控制平台还包括显微镜系统，微流控芯片放置在所述显微镜系统的载物台上；所述的显微镜系统采用配有CCD成像系统的显微镜。

3.根据权利要求1所述的材料分布式控制平台，其特征在于，所述的普通光纤为单模石英光纤；

微纳波导采用火焰熔融拉伸法拉制普通光纤制得；

光热热源由光热转换材料与微纳波导经光致沉积或液滴涂覆方式组装而成。

4.根据权利要求1所述的材料分布式控制平台，其特征在于，所述的光源为功率可调谐光源。

5.基于权利要求1-4任一项所述材料分布式控制平台的材料分布式控制方法，其特征在于，包括材料的捕获控制方法，捕获控制方法包括步骤：

通过微调整架将光热热源放置在微流体表面要捕获的目标附近；

通过光源激发光热热源诱导微流体产生漩涡阵列；

捕获目标被其中一个漩涡吸引至漩涡中心。

6.根据权利要求5所述的材料分布式控制方法，其特征在于，包括材料的操控控制方法，操控控制方法包括步骤：

通过如权利要求5所述的捕获控制方法捕获材料；

在捕获所述的材料之后，通过所述微调整架移动所述微纳波导，以使所述材料随着所述微纳波导移动。

7.根据权利要求5所述的材料分布式控制方法，其特征在于，包括材料的操控控制方法，操控控制方法包括步骤：

通过如权利要求5所述的捕获控制方法捕获材料；

在捕获所述的材料之后，通过调整光源的输出功率，以使所述材料随着漩涡尺寸的变化而移动。

8.根据权利要求5所述的材料分布式控制方法，其特征在于，包括材料的旋转控制方法，旋转控制方法包括步骤：

通过如权利要求5所述的捕获控制方法捕获材料；

在捕获所述的材料之后，通过漩涡的旋转作用，以使所述材料随着漩涡的流向旋转。

9.根据权利要求5所述的材料分布式控制方法，其特征在于，包括材料的组装控制方法，组装控制方法包括步骤：

通过如权利要求5所述的捕获控制方法捕获材料；

在捕获所述的材料之后，通过所述微调整架移动所述微纳波导，以使所述材料随着所述微纳波导移动；

循环以上两个步骤，将所有捕获的材料捕获到同一个漩涡，并自动组装成一个新的材料和结构。

10.一种组装材料和结构，其特征在于，采用权利要求9所述的组装控制方法制备得到；

所述的材料为微纳米球、或纳米线、或生物细胞和生物分子。