CN107676541A - 一种光控微流体运动的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光控微流体运动的方法。具体地，本发明公开了一种光控微流体运动的方法，装置及微管执行器。本发明利用光致形变智能高分子材料制备了微管执行器，其在光刺激下可以由对称的圆柱形变为不对称的圆锥形，诱导产生毛细作用力驱动微量液体运动。本发明的技术不仅可以驱动各种极性和组成的微流体，还可以驱动微量液体爬坡，甚至可以驱动液体产生三维运动轨迹。在可控微流体传输、微反应系统、微机械系统、芯片实验室等领域具有可观的潜在应用价值。

Description

一种光控微流体运动的方法
技术领域
本发明属于微流体技术领域，具体地说，涉及一种光控微流体运动的微管执行器。
背景技术
精确操控微量液体运动具有广泛的工业应用前景，例如在生物医药器件、微量液体传输、微流体系统等领域。目前，光控微量液体运动，尤其是由光致毛细作用力驱动的微量液体运动，引起了科研工作者们的巨大研究兴趣，因为光控可以做到无接触、瞬时、定点和精确控制。用光驱动液体运动依赖两种作用力：光学力和光致毛细作用力。光致毛细作用力在驱动微量液体运动时，无需特殊的光学装置和复杂的微组装过程，可以极大地简化液体的运动操控。
尽管如此，光致毛细作用力在驱动微量液体运动时，都要受到来自于三相接触线的阻力，这在很大程度上限制了微量液体的运动，严重的制约了其实际应用。光致毛细作用力可以由光致润湿梯度或马兰戈尼效应产生，光致润湿梯度所产生的毛细作用力难于克服三相接触线的阻力，因而这种驱动方法只适用于特定的液体，并且液体运动速度慢，运动轨迹局限于线性运动。而光致马兰戈尼效应往往会导致被驱动液体温度上升或需要加入光敏的表面活性剂，这不利于生物医药领域应用或造成被驱动液体的污染。
因此，如何研发一种适用范围广、操作简便且不会对液体造成污染的光控微流体运动的微型装置是十分必要的。
发明内容
本发明的目的是提供而一种光控微流体运动的微管执行器。
本发明的另一目的是提供而一种光控微流体运动的装置。
本发明的另一目的是提供而一种光控微流体运动的方法。
在本发明的第一方面中，提供了一种光控微流体运动的方法，包括步骤：
提供一微管执行器，所述微管执行器外径为0.01-2mm，内径为0.001-1.99mm，且所述微管执行器的管壁材料为含有偶氮苯基团的高分子材料；
在微管执行器中装入微流体；
用光源照射装有微流体的微管执行器的某一端，从而驱动微流体向微管执行器的另一端运动。
在本发明的第二方面中，提供了一种光控微流体运动的方法，包括步骤：
提供一微管执行器，所述微管执行器外径为0.01-2mm，内径为0.001-1.99mm，且所述微管执行器的管壁材料为含有偶氮苯基团的高分子材料；
在微管执行器中装入微流体；
用不同强度的光源照射装有微流体的微管执行器，从而驱动微流体由光强度高的一端向光强度低的方向运动。
在另一优选例中，所述不同强度的光源由衰减过滤片产生。
在另一优选例中，所述微流体为亲水微流体或疏水微流体。
在另一优选例中，所述微流体为亲水微流体时，所述微管执行器的内壁涂覆有亲水涂层。
在另一优选例中，所述微流体为疏水微流体时，所述微管执行器的内壁涂覆有疏水涂层或没有涂覆疏水涂层。
在另一优选例中，所述微流体为硅油、正己烷、乙酸乙酯、丙酮、乙醇、水、异丙醇、甲苯、戊烷、辛烷、环己酮、乙醚、环氧丙烷、甲基丁酮、甲基异丁酮、乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、乙二醇单丁醚、乙腈、吡啶、气液流体、乳化液、气固流体、汽油、生化液体、盐溶液以及以上液体的混合液体。
在另一优选例中，所述微流体为硅油、正己烷、乙酸乙酯、丙酮、乙醇、水、异丙醇、气液流体、乳化液、气固流体、汽油、生化液体中的任意一种。
在另一优选例中，所述光源为紫外光、可见光、红光和近红外光中的任意一种。
在另一优选例中，所述光源为可见光。
在另一优选例中，所述光源是可移动的。
在另一优选例中，所述方法通过控制光的移动方向或光的衰减方向来控制微流体的运动方向。
在另一优选例中，当所述光源沿着微管执行器外部往某一方向移动时，微流体会沿着微管执行器内部向相反的方向运动。
在另一优选例中，不管光的衰减方向怎么改变，微流体始终由光强度高的一端向光强度低的方向运动。
在另一优选例中，所述方法通过控制光源的强度强来调节微流体的驱动速率。
在另一优选例中，所述光源的光强为0.01–10W cm-2。
在另一优选例中，所述微流体的运动速率为0-10mm s-1。
在另一优选例中，当光源照射装有微流体的微管执行器时，被照射之处的管内径和外径扩大，从而驱动微流体向微管执行器较细的一端运动。
在另一优选例中，所述微型执行器为直形、蛇形或螺旋形。
在另一优选例中，所述方法长程驱动微流体运动。
在另一优选例中，所述方法驱动微流体爬坡。
在另一优选例中，所述方法驱动微流体爬升的坡度为0-60度。
在另一优选例中，所述方法驱动微流体产生螺旋形三维运动轨迹。
在本发明的第三方面中，提供了一种光控微流体运动的装置，所述装置包括光源和微管执行器；其中，所述微管执行器外径为0.01-2mm，内径为0.001-1.99mm，且所述微管执行器的管壁材料为含有偶氮苯基团的高分子材料。
在另一优选例中，当微流体为亲水微流体时，所述微管执行器的内壁涂覆有亲水涂层。
在另一优选例中，当微流体为疏水微流体时，所述微管执行器的内壁涂覆有疏水涂层或没有涂覆疏水涂层。
在另一优选例中，所述光源可以沿着微管执行器移动；和/或所述光源和微管执行器之间还放置有衰减过滤片。
在另一优选例中，所述衰减过滤片用于产生衰减光。
在本发明的第四方面中，提供了一种光控微流体运动的微管执行器，外径为0.01-2mm，内径为0.001-1.99mm，且所述微管执行器的管壁材料为含有偶氮苯基团的高分子材料。
在另一优选例中，当微流体为亲水微流体时，所述微管执行器的内壁涂覆有亲水涂层。
在另一优选例中，当微流体为疏水微流体时，所述微管执行器的内壁涂覆有疏水涂层或没有涂覆疏水涂层。
在另一优选例中，所述微管执行器为直形的，蛇形的或螺旋形的。
应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
附图说明
图1为微管执行器通过光致形变驱动液体运动的示意图。图中标号：1-被驱动的液体，2-微管执行器，3-衰减光。
图2显示了在衰减光刺激下，直形微管执行器驱动微流体运动。
图3显示了微管执行器在不同光强辐射下，微流体的移动距离与时间的曲线。
图4显示了在衰减光刺激下，微管执行器驱动液体克服重力爬坡。
图5显示了在衰减光刺激下，螺旋形微管执行器驱动液体产生螺旋形运动轨迹。
图6显示了在衰减光刺激下，微流体在蛇形微管执行器中产生S形运动轨迹。
具体实施方式
本发明人经过广泛而深入的研究，利用光致形变智能高分子材料制备了微管执行器，其管径可以在光的刺激下发生变化，发明人可以利用光来操控微管中的流体运动。这种微管执行器在光刺激下可以由对称的圆柱形变为不对称的圆锥形，诱导产生毛细作用力驱动微量液体运动。本发明的技术不仅可以驱动各种极性和组成的微流体，还可以驱动微量液体爬坡，甚至可以驱动液体产生三维运动轨迹。这是一种全新的光控微流体器件或装置，在可控微流体传输、微反应系统、微机械系统、芯片实验室等领域具有可观的潜在应用价值。在此基础上，发明人完成了本发明。
本发明的微管执行器
本发明提供了一种光控微流体运动的微管执行器，发明人利用含有偶氮苯基团的光致形变高分子材料制备了本发明的微管执行器，其管径可以在光的刺激下发生变化，从而操控微管中的流体运动。这种微管执行器在光刺激下可以由对称的圆柱形变为不对称的圆锥形，诱导产生毛细作用力驱动微量液体运动。示意图如图1所示。
本发明的微管执行器，外径为0.01-2mm，内径为0.001-1.99mm，且所述微管执行器的管壁材料为含有偶氮苯基团的高分子材料。
在另一优选例中，所述微管执行器外径为0.05-2mm；较佳地为0.1-1.9mm；更佳地为0.5-1.5mm。
在另一优选例中，所述微管执行器内径为0.001-1.99mm；较佳地为0.01-1.8mm；更佳地为0.1-1.3mm。
所述微管执行器可以是直形的，蛇形的或螺旋形的。
本发明的微管执行器可以光控微流体运动。当微流体为亲水微流体时，所述微管执行器的内壁涂覆有亲水涂层。当微流体为疏水微流体时，所述微管执行器的内壁涂覆有疏水涂层或没有涂覆疏水涂层。
所述微管执行器的管壁材料以丁二烯-乙烯-功能基取代乙烯三元交替高分子为主链，且侧链包含偶氮苯基团。
所述微管执行器的管壁材料由单体CAB通过开环易位聚合反应制备获得，所述单体CAB的化学结构式为：
其中：R2是H，或者是选择于C1、C2、C3、C4、C5、C6烃基或烷氧基，或者是具有极性的端基，该端基选自氰基、异氰基、羟基、卤素，酯基，羧基，硝基，氨基，或酰胺基中的一种；
R1为选自于C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12的烃基或烷氧基；
D选自如下结构式(1)-结构式(4)中的一种：
其中R3是选择于C2、C3、C4、C5、C6的烃基或烷氧基，或在单体中不出现。
所述微管执行器的管壁材料的制备方法参照CN103087296A。
光控微流体运动的装置
本发明还提供了一种光控微流体运动的装置，所述装置包括光源和本发明的微管执行器；所述微管执行器外径为0.01-2mm，内径为0.001-1.99mm，且所述微管执行器的管壁材料为含有偶氮苯基团的高分子材料。
当微流体为亲水微流体时，所述微管执行器的内壁涂覆有亲水涂层。
当微流体为疏水微流体时，所述微管执行器的内壁涂覆有疏水涂层或没有涂覆疏水涂层。
所述光源可以沿着微管执行器移动。
所述光源和微管执行器之间还放置有衰减过滤片，用于产生衰减光。
本发明中，用类似的图示表示光的衰减方向，均表示光强度由强至弱。同样地，表示光强度由弱至强。
光控微流体运动的方法
本发明提供了一种光控微流体运动的方法，包括步骤：
提供一本发明的微管执行器，所述微管执行器外径为0.01-2mm，内径为0.001-1.99mm，且所述微管执行器的管壁材料为含有偶氮苯基团的高分子材料；
在微管执行器中装入微流体；
用光源照射装有微流体的微管执行器的某一端，从而驱动微流体向微管执行器的另一端运动。
本发明提供了一种光控微流体运动的方法，包括步骤：
提供一本发明的微管执行器，所述微管执行器外径为0.01-2mm，内径为0.001-1.99mm，且所述微管执行器的管壁材料为含有偶氮苯基团的高分子材料；
在微管执行器中装入微流体；
用不同强度的光源照射装有微流体的微管执行器，从而驱动微流体由光强度高的一端向光强度低的方向运动。
所述不同强度的光源由衰减过滤片产生。
所述微流体为亲水微流体或疏水微流体。当所述微流体为亲水微流体时，所述微管执行器的内壁涂覆有亲水涂层。当所述微流体为疏水微流体时，所述微管执行器的内壁涂覆有疏水涂层或没有涂覆疏水涂层。
所述微流体为硅油、正己烷、乙酸乙酯、丙酮、乙醇、水、异丙醇、甲苯、戊烷、辛烷、环己酮、乙醚、环氧丙烷、甲基丁酮、甲基异丁酮、乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、乙二醇单丁醚、乙腈、吡啶、气液流体、乳化液、气固流体、汽油、生化液体、盐溶液以及以上液体的混合液体。较佳地，所述微流体为硅油、正己烷、乙酸乙酯、丙酮、乙醇、水、异丙醇、气液流体、乳化液、气固流体、汽油、生化液体中的任意一种。
所述光源为紫外光、可见光、红光和近红外光中的任意一种。所述光源是可移动的。
所述方法通过控制光的移动方向或光的衰减方向来控制微流体的运动方向。
当所述光源沿着微管执行器外部往某一方向移动时，微流体会沿着微管执行器内部向相反的方向运动。
采用衰减器时，不管光的衰减方向怎么改变，微流体始终由光强度高的一端向光强度低的方向运动。
所述方法通过控制光源的强度强来调节微流体的驱动速率。所述光源的光强为0.01–10W cm-2(较佳地为0.02-5W cm-2；更佳地为0.03-1或0.03-0.5W cm-2)。所述微流体的运动速率为0-10mm s-1(较佳地为0.001-8mm s-1；更佳地为0.01-6或0.01-1mm s-1)。
当光源照射装有微流体的微管执行器时，被照射之处的管内径和外径会扩大，从而驱动微流体向微管执行器较细的一端运动。
所述微型执行器为直形、蛇形或螺旋形。
所述方法能够长程驱动微流体运动、驱动微流体爬坡(可驱动微流体爬升的坡度为0-60度)、还可以驱动微流体产生螺旋形三维运动轨迹。
所述亲水涂层或疏水涂层可以用市面上常用的材料(如聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、二氧化硅溶胶凝胶等)进行涂覆。
本发明的优点主要包括：
本发明提供了一种光控微流体运动的方法。利用偶氮液晶高分子材料成功制得的光控微管执行器，利用光诱导微管执行器管径尺寸的变化来产生毛细作用力，进而驱动微流体运动。这是一种全新的光致驱动液体运动的方法。
该方法适用于光控各种类型微流体的运动。不仅能够操控各种非极性和极性的液体，例如硅油、正己烷、乙酸乙酯、丙酮、乙醇、水等，还能操控复杂流体，例如气液流体、乳化液、气固流体、汽油、生化液体。
该方法能够精确控制液体的运动方向和速率，并能长程操控，还可以驱动液体爬坡及产生三维运动轨迹。
该方法在微流体系统、微光机械系统等领域有着巨大的应用潜力。
该光控微管执行器不仅可以是直型微管执行器，还可以是形状复杂的蛇形和螺旋形微管执行器。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数按重量计算。
制备例1制备微管执行器
1.制备微管执行器的管壁材料：
该材料的结构如下所示。
具体制备方法参照CN103087296A的实施例1的步骤。
2.采用上述管壁材料制备直形、蛇形、螺旋微管执行器：
制备步骤：
2.1直形微管执行器：
使用直形玻璃毛细管吸入PC11AB6的二氯甲烷溶液(0.1-20wt％)，然后将吸满溶液的毛细管放入烘箱中，待溶剂挥发，毛细管内壁被PC11AB6均匀覆盖。将内壁涂覆有PC11AB6的直形毛细管放入氢氟酸中刻蚀掉玻璃，就得到直形微管执行器。
2.2蛇形微管执行器：
使用蛇形玻璃毛细管吸入PC11AB6的二氯甲烷溶液(0.1-20wt％)，然后将吸满溶液的毛细管放入烘箱中，待溶剂挥发，毛细管内壁被PC11AB6均匀覆盖。将内壁涂覆有PC11AB6的蛇形毛细管放入氢氟酸中刻蚀掉玻璃，就得到蛇形微管执行器。
2.3螺旋微管执行器：
使用螺旋玻璃毛细管吸入PC11AB6的二氯甲烷溶液(0.1-20wt％)，然后将吸满溶液的毛细管放入烘箱中，待溶剂挥发，毛细管内壁被PC11AB6均匀覆盖。将内壁涂覆有PC11AB6的螺旋毛细管放入氢氟酸中刻蚀掉玻璃，就得到螺旋微管执行器。
结果：
2.1制得的直形微管执行器，内径为0.001-1.99mm，外径为0.01-2mm。
2.2制得的蛇形微管执行器，内径为0.001-1.99mm，外径为0.01-2mm。
2.3制得的螺旋微管执行器，内径为0.001-1.99mm，外径为0.01-2mm。
实施例1 微管执行器通过光致不对称形变驱动微流体运动
将制备例1制得的直形微管执行器(内径为0.5mm，外径为0.51mm)固定在水平桌面上。通过毛细作用，将微量硅油吸入微管执行器中。在微管执行器的上方放置光源，中间放置衰减过滤片用于产生衰减光。打开光源，光源强度为125-140mW cm-2；
结果：直形微管执行器产生不对称形变，驱动液体沿光衰减方向运动，运动过程如图2所示，见0秒至3秒至6秒的运动过程。
整个过程的示意图如图1所示。
实施例2 微管执行器控制微流体运动方向
重复实施例1的实验，不同的是，当用光辐射微管执行器时，改变衰减片的放置方向，即可调节光的衰减方向。
结果发现，微管执行器中的液体改变运动方向，运动过程如图2所示，见6秒至9秒至12秒的运动过程。
实施例3 微管执行器控制微流体的运动速度
重复实施例1的实验，不同的是分别采用光强I1＝125mW cm-2；I2＝100mW cm-2；I3＝60mW cm-2的光源辐射微管执行器。
结果发现：当光源强度逐渐变强时候，运动速度也逐渐变快，结果如图3所示。
而且，实验发现当调节光源的强度在0.01–10W cm-2范围内变化时，微管执行器中的液体的运动速度发生改变，光强越大，运动速度越大。
实施例4 微管执行器驱动微流体长程运动
重复实施例1的实验，控制液滴始终在光源的辐射区域内。结果发现，液滴会一直运动，且运动距离无限制。
实施例5 微管执行器驱动液体爬坡
将制备例1制得的直形微管执行器(内径为0.5mm，外径为0.51mm)固定于坡度为17度的斜面上。通过毛细作用，将少量硅油吸入微管执行器中。如实施例1中一样，使用衰减的光源辐射微管执行器。
结果发现，微管执行器驱动微量液体沿斜面爬升，如图4所示。
实施例6 微管执行器驱动微流体产生螺旋形运动轨迹
将制备例1制得的螺旋形微管执行器(内径为0.6mm，外径为0.61mm)固定在圆柱体上。将少量硅油，通过毛细作用，吸入螺旋形微管执行器中。使用衰减的光源沿垂直于微管管壁的方向辐射微流体。
结果发现，微流体就会在螺旋形微管执行器中运动，产生螺旋形运动轨迹，如图5所示。
实施例7
将制备例1制得的蛇形微管执行器(内径为0.6mm，外径为0.61mm)固定在水平桌面上。将硅油通过毛细作用，吸入蛇形微管执行器中。使用衰减的光源沿垂直于微管管壁的方向辐射微流体。
结果发现，微流体就会在蛇形微管执行器中运动，产生S形运动轨迹，如图6所示。
实施例8
使用聚乙烯醇水溶液(0.01-9％)涂覆制备例1制得的直形微管执行器(内径为0.5mm，外径为0.51mm)内壁，待溶剂蒸发完毕，将微管执行器固定在水平桌面上。通过毛细作用，将微量乙醇吸入微管执行器中。在微管执行器的上方放置光源，中间放置衰减过滤片用于产生衰减光。打开光源，光源强度为125-140mW cm-2。
结果：直形微管执行器产生不对称形变，驱动微量乙醇沿光衰减方向运动。
使用聚丙烯酰胺水溶液或二氧化硅溶胶凝胶代替聚乙烯醇水溶液，结果与实施例8一样，直形微管执行器产生不对称形变，且驱动微量乙醇沿光衰减方向运动。
另外，发明人经过多次实验证明，采用以下尺寸的微管执行器同样可以得到相似的结果。
内径 外径
直形 0.001-1.99mm 0.01-2mm
蛇形 0.001-1.99mm 0.01-2mm
螺旋形 0.001-1.99mm 0.01-2mm
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种光控微流体运动的方法，其特征在于，包括步骤：
提供一微管执行器，所述微管执行器外径为0.01-2mm，内径为0.001-1.99mm，且所述微管执行器的管壁材料为含有偶氮苯基团的高分子材料；
在微管执行器中装入微流体；
用光源照射装有微流体的微管执行器的某一端，从而驱动微流体向微管执行器的另一端运动。
2.一种光控微流体运动的方法，其特征在于，包括步骤：
提供一微管执行器，所述微管执行器外径为0.01-2mm，内径为0.001-1.99mm，且所述微管执行器的管壁材料为含有偶氮苯基团的高分子材料；
在微管执行器中装入微流体；
用不同强度的光源照射装有微流体的微管执行器，从而驱动微流体由光强度高的一端向光强度低的方向运动。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述微流体为亲水微流体或疏水微流体。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述微流体为硅油、正己烷、乙酸乙酯、丙酮、乙醇、水、异丙醇、甲苯、戊烷、辛烷、环己酮、乙醚、环氧丙烷、甲基丁酮、甲基异丁酮、乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、乙二醇单丁醚、乙腈、吡啶、气液流体、乳化液、气固流体、汽油、生化液体、盐溶液以及以上液体的混合液体。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述光源为紫外光、可见光、红光和近红外光中的任意一种。
6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法通过控制光的移动方向或光的衰减方向来控制微流体的运动方向。
7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法通过控制光源的强度强来调节微流体的驱动速率。
8.一种光控微流体运动的装置，其特征在于，所述装置包括光源和微管执行器；其中，所述微管执行器外径为0.01-2mm，内径为0.001-1.99mm，且所述微管执行器的管壁材料为含有偶氮苯基团的高分子材料。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，
所述光源可以沿着微管执行器移动；和/或
所述光源和微管执行器之间还放置有衰减过滤片。
10.一种光控微流体运动的微管执行器，其特征在于，外径为0.01-2mm，内径为0.001-1.99mm，且所述微管执行器的管壁材料为含有偶氮苯基团的高分子材料。
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