CN108031499A - 一种基于聚甲基丙烯酸甲酯与c切铌酸锂晶体夹层芯片的光诱导微液滴持续生成转移方法 - Google Patents

一种基于聚甲基丙烯酸甲酯与c切铌酸锂晶体夹层芯片的光诱导微液滴持续生成转移方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微液滴持续生成与同步转移的方法，该方法以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为下基板与作为上基板的C切铌酸锂晶体的+C面相对组成夹层结构芯片，芯片结构简单可靠。使用聚焦激光照射夹层结构芯片，利用铌酸锂晶体的光生伏打效应，通过介电泳力生成微液滴，同时利用PMMA的热膨胀效应驱使生成的微液滴转移，在持续光照的情况下，完成微液滴的连续生成与同步转移。此方法综合利用铌酸锂晶体的光生伏打效应与PMMA的热膨胀效应，微液滴生成后即背向聚焦激光移动，聚焦激光对微液滴的作用时间短，可有效保证微液滴的稳定性。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制备，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

一种基于聚甲基丙烯酸甲酯与C切铌酸锂晶体夹层芯片的光 诱导微液滴持续生成转移方法
技术领域
本发明涉及一种微流控技术，具体是一种能持续产生微液滴并将其同步转移的方法。
背景技术
微流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。其中，微液滴生成技术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。
2013年叶嘉明公布了一种用于生产多组分微液滴的微流控芯片(专利申请号：201310341698.9)，此芯片由样品溶液入口及通道、浓度梯度生成单元、水相导入口、油相导入口及通道、液滴生成单元和液滴出口组成。该芯片利用两相流法完成微液滴的生成，易导致液体的污染，并且此芯片无法避免微通道、微孔等结构的制作，微通道或微孔易堵塞，芯片制备工艺复杂，结构可靠性差。
文献(吴婷，王振平，张传静，杜一平.阵列单液滴的捕获及单细胞分析[J].华东理工大学学报，2016，05：670-675.)叙述了一种利用流动聚焦型结构获得微液滴的方法。该结构主要由连续相通道、分散相通道、夹口、主通道组成，通过注射泵驱动连续相与分散相液体进入相应通道，获得微液滴。然而如上文所述，此方法需要设计制作微通道，芯片制备工艺复杂，且微通道易被污染堵塞，同时生成的微液滴易被连续相液体污染，不利于微液滴的稳定性，此外该方法需要外接液体驱动设备，不利于芯片的集成化与简单化。
发明内容
目前已报道的微液滴生成方法存在无法持续生成微液滴、对微液滴的稳定性影响大、芯片结构复杂、需要外接驱动设备等缺陷。针对上述问题，本发明提供一种对液滴影响小、芯片结构简单可靠的微液滴持续生成方法。
一种微液滴持续生成与同步转移的方法，其特征在于：以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为下基板与作为上基板的C切铌酸锂晶体的+C面相对组成夹层结构芯片，通过聚焦激光照射芯片，诱导微液滴持续生成与同步转移。
一种微液滴持续生成与同步转移的方法，其特征在于：使用聚焦激光照射夹层结构芯片，利用铌酸锂晶体的光生伏打效应，通过介电泳力生成微液滴，同时利用PMMA的热膨胀效应驱动生成的微液滴转移，在持续光照的情况下，完成对微液滴的连续生成与同步转移。
一种微液滴持续生成与同步转移的方法，其特征在于：在综合利用铌酸锂晶体的光生伏打效应与PMMA的热膨胀效应的情况下，微液滴生成后背向聚焦激光移动，聚焦激光对微液滴的作用时间短，可有效保证微液滴的稳定性。
一种微液滴持续生成与同步转移的方法，其特征在于：可通过调节聚焦激光的功率与夹层结构芯片间距控制生成微液滴的大小与转移速度。
与现有技术相比，本发明的优点在于综合利用铌酸锂晶体的光生伏打效应与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的热膨胀效应，通过聚焦激光辐照，诱导微液滴持续生成与同步转移，所需芯片结构相对简单，不需要制作微泵、微阀、微通道及电极等，无需复杂的外接驱动设备，微液滴生成后即刻背向聚焦激光转移，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，可通过调节聚焦激光的功率与夹层结构芯片间距控制生成微液滴的大小与转移速度。
附图说明
图1为实现本发明一种基于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)与C切铌酸锂晶体夹层结构芯片的光诱导微液滴持续生成与同步转移方法所采用的装置图。
图2为本发明一种基于PMMA与C切铌酸锂晶体夹层结构芯片的光诱导微液滴持续生与同步成转移方法的原理图。
图3为本发明一种基于PMMA与C切铌酸锂晶体夹层结构芯片的光诱导微液滴持续生成与同步转移方法的一种实施例(实例1)的微液滴持续生成过程图(图中白色小圆点标识激光光斑的位置，箭头标识生成的微液滴相对夹层结构芯片的移动方向)。
图4为本发明一种基于PMMA与C切铌酸锂晶体夹层结构芯片的光诱导微液滴持续生成与同步转移方法的一种实施例(实例2)的微液滴持续生成过程图(图中黑色小圆点标识激光光斑的位置，箭头标识生成的微液滴相对夹层结构芯片的移动方向)。
图5为本发明一种基于PMMA与C切铌酸锂晶体夹层结构芯片的光诱导微液滴持续生成与同步转移方法的一种实施例(实例3)的微液滴持续生成过程图(图中白色小圆点标识激光光斑的位置，箭头标识生成的微液滴相对夹层结构芯片的移动方向)。
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持续生成与同步转移的方法，实现该方法所需要的装置包括CCD相机1、一级滤光片2、二级滤光片3、45°激光反射镜4、聚焦物镜5、夹层结构芯片6、芯片间距调节器7、三维微动平移台8、计算机9、背光源10、刚性支架11、功率计12、等比分束器13、光阑14、圆形可调衰减器15、激光器16。其中激光器16、圆形可调衰减器15、光阑14、45°激光反射镜4、聚焦物镜5、夹层结构芯片6、芯片间距调节器7、三维微动芯片平移台7、计算机9、按顺序形成微液滴生成光路；背光源10、夹层结构芯片6、芯片间距调节器7、三维微动平移台8、聚焦物镜5、45°激光反射镜4、二级滤光片3、一级滤光片2、CCD相机1按顺序形成实时观测光路；功率计12、等比分束器13、光阑14、圆形可调衰减器15、激光器16按顺序形成光强探测光路。夹层结构芯片6固定在芯片间距调节器7上，芯片间距调节器7固定在三维微动平移台8上，剩下的光学元件和电子器件均固定在钢性连接架11上，保证所有元件同轴准直。
本发明公开了一种微液滴持续生成与同步转移的方法，该方法的操作步骤为：将夹层结构芯片固定于芯片间距调节器7上，将待生成液体导入芯片的下基板(PMMA)上表面，通过芯片间距调节器7调节夹层结构芯片上下基板的间距，通过调节三维微动芯片平移台8使芯片上基板下表面位于聚焦物镜焦点附近，并利用CCD相机1捕获清晰物象；打开激光器16，开始微液滴的持续生成与同步转移；通过调节光阑14控制聚焦光斑光强分布；通过调节激光器16 并利用圆形可调衰减器15与光强探测器12实时观测与控制激光功率从而控制生成液滴大小与移动速度，完成微液滴持续生成与同步转移。
所述的激光器16，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。等比分束器13的分光比例应介于49.8％～50.2％。背景光源10可使用氙灯、卤素灯或高功率白光LED灯。聚焦物镜5放大倍率应介于5～80倍。夹层结构芯片聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)下基板的厚度应介于0.5～3mm，C切铌酸锂上基板的厚度应介于0.5～3mm，两基板的间距应介于5～50μm。聚焦激光光斑直径应小于150μtm。
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16的波长应介于390～550nm，其激光功率应介于6～25mW，等比分束器13的分光比例应介于49.9％～50.1％，背景光源10选用卤素灯或白光LED灯，聚焦物镜5放大倍率应介于25～45倍。夹层结构芯片聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)下基板的厚度应介于0.8～1.5mm，C切铌酸锂上基板的厚度应介于0.8～1.5mm，两基板的间距应介于8～20μm。聚焦激光光斑直径应介于5～120μm。
本发明方案的工作原理：夹层结构芯片由PMMA下基板与C切铌酸锂上基板组成。当聚焦激光照射芯片时，位于上基板的C切铌酸锂晶体会产生光生伏打场，在光生伏打场的作用下，位于下基板的液体在介电泳力的作用下向聚焦激光中心移动并贯穿两个基板，如原理图中的(b)图所示。同时由于聚焦激光的热效应，使得下基板通过热膨胀效应发生形变，挤压微液滴背向聚焦激光运动，如原理图中的(c)和(d)所示。在聚焦激光持续照射的情况下，实现微液滴的持续生成与同步转移。
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
使用波长为405nm的激光器，背景光源选用卤素灯，聚焦物镜放大倍数为 25倍，调节芯片间距为10μm。调节三维微动芯片平移台使芯片上基板下表面位于聚焦物镜焦点附近，打开激光器，调节聚焦激光功率为10mW。在此种配置下每5s生成一个直径为90μm的微液滴，微液滴转移速度为136μm/s。
实例2
使用波长为405nm的激光器，背景光源选用白光LED灯，聚焦物镜放大倍数为25倍，调节芯片间距为12μm。调节三维微动芯片平移台使芯片上基板下表面位于聚焦物镜焦点附近，打开激光器，调节聚焦激光功率为15mW。在此种配置下每3s生成一个直径为110μm的微液滴，微液滴转移速度为71.4 μm/s。
实例3
使用波长为532nm的激光器，背景光源选用卤素灯，聚焦物镜放大倍数为 25倍，调节芯片间距为8μm。调节三维微动芯片平移台使芯片上基板下表面位于聚焦物镜焦点附近，打开激光器，调节聚焦激光功率为20mW。在此种配置下每0.6s生成一个直径为100μm的微液滴，微液滴转移速度为180.5μm/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 (4)

1.一种微液滴持续生成与同步转移的方法，其特征在于：以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为下基板与作为上基板的C切铌酸锂晶体的+C面相对组成夹层结构芯片，通过聚焦激光照射芯片，诱导微液滴持续生成与同步转移。
2.根据权利要求1所述的一种基于PMMA与C切铌酸锂晶体夹层结构芯片的光诱导微液滴持续生成与同步转移的方法，其特征在于：使用聚焦激光照射夹层结构芯片，利用铌酸锂晶体的光生伏打效应，通过介电泳力生成微液滴，同时利用PMMA的热膨胀效应驱动生成的微液滴转移，在持续光照的情况下，完成对微液滴的连续生成与同步转移。
3.根据权利要求1所述的一种基于PMMA与C切铌酸锂晶体夹层结构芯片的光诱导微液滴持续生成与同步转移的方法，其特征在于：在综合利用铌酸锂晶体的光生伏打效应与PMMA的热膨胀效应的情况下，微液滴生成后背向聚焦激光移动，聚焦激光对微液滴的作用时间短，可有效保证微液滴的稳定性。
4.根据权利要求1所述的一种基于PMMA与C切铌酸锂晶体夹层结构芯片的光诱导微液滴持续生成与同步转移的方法，其特征在于：通过调节聚焦激光的功率与夹层结构芯片的间距控制生成微液滴的大小与转移速度。
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