CN107930711A - 一种基于y切铌酸锂芯片的光触发微液滴定向输运方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微液滴输运方法，该方法以烧有聚四氟乙烯疏水薄膜的Y切铌酸锂芯片为基底，在均匀紫外光辐照下，通过聚焦激光触发微液滴的定向输运。该方法所需的芯片结构简单可靠，在双电场的作用下，通过光电润湿方法完成对微液滴的定向输运，可作用于极性液体，对待输运微液滴的物性没有特殊要求，且待输运液滴对聚焦激光的光触发响应迅速，沿芯片C轴背向聚焦激光运动，聚焦激光对微液滴的作用时间短，可有效保证待输运液体的稳定性。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具有非常重要的意义。

Description

一种基于Y切铌酸锂芯片的光触发微液滴定向输运方法
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Y切铌酸锂芯片的光触发微液滴定向输运方法，此方法作用液体范围广、对待输运液体影响小，芯片结构简单可靠。
背景技术
微液滴操控通常用于生物、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，其中微液滴输运是微流控领域的一项基本及重要技术，此技术的发展对生物医疗、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。
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输运的方法。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，工艺复杂。并且该方法中待输运微液滴与电极直接接触，液滴位于电场强度最大处，不利于待输运液滴保持样品的稳定性，此外待输运液体可能会腐蚀电极，造成液滴污染。
2014年田丽等人利用电润湿的方法实现了对微液滴的输运(专利申请号：201410678297.7)。此方法需要在芯片上制作电极阵列与多层薄膜结构，其芯片制作工艺复杂，需要外加电源，并且该方法是通过顺序致动电极来改变芯片不同部位的润湿性，使得液滴跟随致动电极运动，液滴趋向电场强度较大位置移动，不利于液滴的稳定性。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。
发明内容
目前已报道的微液滴输运方法存在对待输运液滴物性要求高、对微液滴的稳定性影响大、输运动作调控性差、芯片结构复杂、可靠性低等缺陷。针对上述问题，本发明提供一种作用液滴范围广、对液滴影响小、芯片结构简单可靠的微液滴输运方法。
一种微液滴输运方法，其特征在于：以烧有聚四氟乙烯疏水薄膜的Y切铌酸锂芯片为基底，在均匀紫外光辐照下，通过聚焦激光触发微液滴的定向输运。
一种微液滴输运方法，其特征在于：均匀紫外光辐照Y切铌酸锂芯片产生背景电场，聚焦激光照射Y切铌酸锂芯片产生触发电场，在双电场的作用下，通过光电润湿方法完成对微液滴的定向输运，可控制强极性或弱极性液体的移动，对液体的物理性质如极性、导电性等没有特殊要求。
一种微液滴输运方法，其特征在于：在均匀紫外光辐照下，聚焦激光照射微液滴的边缘，触发微液滴背向聚焦激光沿芯片的C轴方向迅速移动，聚焦激光对微液滴的作用时间短，可有效保证待输运液体的稳定性。
一种微液滴输运方法，其特征在于：可通过调节均匀紫外辐照光及聚焦激光的功率控制微液滴的运动距离及运动速度。
一种微液滴输运方法，其特征在于：Y切铌酸锂芯片由Y切铌酸锂基底与一层耐酸耐碱的聚四氟乙烯疏水膜组成，可以对Y切铌酸锂基底进行有效的保护，芯片结构简单可靠。
与现有技术相比，本发明的优点在于可以实现对于多种类型的微液滴的输运，对于待输运微液滴的导电性、微粒大小及分散程度、酸碱性没有特殊要求；微液滴背向聚焦激光沿芯片的C轴运动，聚焦光斑与液滴的接触时间短，可有效保证微液滴的稳定性，如微液滴中微生物的活性；操控灵活，可通过调节均匀紫外辐照光及聚焦激光的功率控制微液滴的运动距离及运动速度；所需Y切铌酸锂芯片结构相对简单，不需要制作微泵、微阀、微通道及电极等，无需外加电源；芯片可靠性高，聚四氟乙烯薄膜可以对Y切铌酸锂基底进行有效的保护。
附图说明
图1为实现本发明一种基于Y切铌酸锂芯片的光触发微液滴定向输运方法所采用的装置图。
图2为本发明一种基于Y切铌酸锂芯片的光触发微液滴定向输运方法的光触发原理图。
图3为本发明一种基于Y切铌酸锂芯片的光触发微液滴定向输运方法的一种实施例(实例1)的输运过程图(其中，微液滴外部的白色圆点标识激光光斑的位置，箭头标识微液滴的移动方向，(a)为输运前，(b)为聚焦激光开始照射微液滴边缘形成触发电场，(c)为微液滴响应触发电场，(d)为输运结束，下同)。图4为本发明一种基于Y切铌酸锂芯片的光触发微液滴定向输运方法的一种实施例(实例2)的输运过程图。
图5为本发明一种基于Y切铌酸锂芯片的光触发微液滴定向输运方法的一种实施例(实例3)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、光阑2、圆形可调衰减器3、快门4、半透半反镜5、聚焦物镜6、透明微动芯片平移台7、Y切铌酸锂芯片8、步进电机9、计算机10、紫外灯11、刚性支架12、一级滤光片13、二级滤光片14、高速摄像机15。其中激光器1、光阑2、圆形可调衰减器3、快门4、半透半反镜5、聚焦物镜6、透明微动芯片平移台7、Y切铌酸锂芯片8、步进电机9、计算机10、紫外灯11按顺序形成触发光路；紫外灯11、Y切铌酸锂芯片8、透明微动芯片平移台7、聚焦物镜6、半透半反镜5、一级滤光片13、二级滤光片14、高速摄像机15按顺序形成实时观测光路。Y切铌酸锂芯片8固定在透明微动芯片平移台7上，剩下的光学元件和电子器件均固定在钢性连接架12上，保证所有元件同轴准直。
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切铌酸锂晶片为芯片基底，在基底上制备一层聚四氟乙烯疏水膜，通过上述方法制成Y切铌酸锂芯片8，将待输运的微液滴导入至Y切铌酸锂芯片上表面；打开紫外灯11，均匀照射铌酸锂芯片形成背景电场；打开激光器1，通过圆形可调衰减器3调节聚焦激光功率至一较小值；通过计算机10打开快门4；通过计算机10控制透明微动芯片平移台7移动Y切铌酸锂芯片8的空间位置，使聚焦激光打在微液滴边缘位置，关闭快门4；通过圆形可调衰减器3调节聚焦激光功率至触发强度；打开快门4，在Y切铌酸锂芯片上形成触发电场，触发微液滴的定向输运；关闭快门4。液滴的输运速度与输运距离可通调节紫外灯及聚焦激光的功率进行调控。
所述的紫外灯11，要求它发出的光照射在Y切铌酸锂芯片上能有效的形成背景电场，所以其波长应介于300～400nm，其光强应大于1.5mW/cm2；所述的激光器1，要求它发出的激光照射在Y切铌酸锂片上能有效地形成触发电场，所以其波长应介于350～750nm，激光的功率应大于2mW。聚焦物镜6的放大倍率介于5～90倍。待输运液滴的介电常数应介于2.2～81，接触角应大于90°。
考虑元件的成本以及输运效果，各参数的优选范围是：紫外灯11的波长应介于320～380nm，光强应介于2～30mW/cm2；激光器1的波长应介于400～580nm，激光功率应介于5～30mW；聚焦物镜6的放大倍率应介于5～50倍。待输运液滴的介电常数应介于2.2～81，接触角应介于90°～125°。
本发明方案的工作原理：一定强度的均匀紫外光照射在Y切铌酸锂芯片上会形成背景电场，根据Y切铌酸锂晶体的特性，其沿C轴方向的电场分布如原理图(c)中虚线所示，即在芯片的边缘位置为其电势为最大值与最小值(A和-A)处。由于微液滴相对于芯片很小，而且均匀紫外辐照光的光强较小，在此背景电场的作用下微液滴并不会移动，如原理图(a)所示。当聚焦激光照射在微液滴的右边缘时(如原理图(b)所示)，会形成触发电场，其电场分布如原理图(d)中的实线所示，即在聚焦激光边缘位置达到触发电场的最大值与最小值(B和-B，且B＞A)，此时微液滴的左边缘处的电场较大，根据电润湿的原理，在电场强度较大处微液滴的基础角会变小，同一液滴的不同位置的接触角不同会使液滴发生变形，在其表面张力的作用下微液滴便会向着接触角小的方向移动，即背向聚焦激光移动。聚焦激光触发微液滴的形变，使其具有一定的沿C轴背向聚焦激光运动的初速度，之后在背景电场的作用下使得微液滴沿C轴运动。
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
使用波长为365nm的紫外灯，选用波长为405nm的激光器，聚焦物镜放大倍数为8倍，待输运微液滴(去离子水)体积为0.5μL。打开紫外灯，调节紫外灯的光强至20mW/cm2，调节聚焦激光的功率为1mW，打开快门，调节微液滴的空间位置使聚焦光斑位于其边缘，关闭快门，调节聚焦激光功率为15mW，打开快门触发微液滴的沿C轴背向聚焦激光运动，关闭快门。微液滴响应聚焦激光触发的时间为0.32s，输运距离为4000μm，输运速度为3389.8μm/s。
实例2
使用波长为375nm的紫外灯，选用波长为532nm的激光器，聚焦物镜放大倍数为10倍，待输运微液滴(饱和食盐水)体积为1.0μL。打开紫外灯，调节紫外灯的光强至10mW/cm2，调节聚焦激光的功率为1mW，打开快门，调节微液滴的空间位置使聚焦光斑位于其边缘，关闭快门，调节聚焦激光功率为10mW，打开快门触发微液滴的沿C轴背向聚焦激光运动，关闭快门。微液滴响应聚焦激光触发的时间为0.8s，输运距离为2450μm，输运速度为1020.5μm/s。
实例3
使用波长为365nm的紫外灯，选用波长为455nm的激光器，聚焦物镜放大倍数为10倍，待输运微液滴(去离子水)体积为0.5μL。打开紫外灯，调节紫外灯的光强至5mW/cm2，调节聚焦激光的功率为1mW，打开快门，调节微液滴的空间位置使聚焦光斑位于其边缘，关闭快门，调节聚焦激光功率为10mW，打开快门触发微液滴的沿C轴背向聚焦激光运动。微液滴响应聚焦激光触发的时间为0.6s，输运距离为400μm，输运速度为666.7μm/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 (5)

1.一种微液滴输运方法，其特征在于：以烧有聚四氟乙烯疏水薄膜的Y切铌酸锂芯片为基底，在均匀紫外光辐照下，通过聚焦激光触发微液滴的定向输运。
2.根据权利要求1所述的一种基于Y切铌酸锂芯片的光触发微液滴定向输运方法，其特征在于：均匀紫外光辐照Y切铌酸锂芯片产生背景电场，聚焦激光照射Y切铌酸锂芯片产生触发电场，在双电场的作用下，通过光电润湿方法完成对微液滴的定向输运，可控制强极性或弱极性液体的移动，对液体的物理性质如极性、导电性等没有特殊要求。
3.根据权利要求1所述的一种基于Y切铌酸锂芯片的光触发微液滴定向输运方法，其特征在于：在均匀紫外光辐照下，聚焦激光照射微液滴的边缘，触发微液滴背向聚焦激光沿芯片的C轴方向迅速移动，聚焦激光对微液滴的作用时间短，可有效保证待输运液体的稳定性。
4.根据权利要求1所述的一种基于Y切铌酸锂芯片的光触发微液滴定向输运方法，其特征在于：可通过调节均匀紫外辐照光及聚焦激光的功率控制微液滴的运动距离及运动速度。
5.根据权利要求1所述的一种基于Y切铌酸锂芯片的光触发微液滴定向输运方法，其特征在于：Y切铌酸锂芯片由Y切铌酸锂基底与一层耐酸耐碱的聚四氟乙烯疏水膜组成，可以对Y切铌酸锂基底进行有效的保护，芯片结构简单可靠。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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Inventor after: Yan Wenbo

Inventor after: Fan Bolin

Inventor after: Zan Zhitao

Inventor after: Chen Hongjian

Inventor after: Li Feifei

Inventor after: Wang Xuliang

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