CN108246372A - 一种基于铌酸锂夹层结构芯片的实时可控微液滴往复输运装置及方法 - Google Patents

一种基于铌酸锂夹层结构芯片的实时可控微液滴往复输运装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于铌酸锂夹层结构芯片的实时可控微液滴往复输运装置及方法，该装置包括激光器1、电子快门2、光阑3、光学整形器4、热敏探头5、智能数显温控仪6、背景光源7、透明微调三维平移台8、半导体制冷片9、铌酸锂夹层结构芯片10、物镜11、激光反射镜12、滤光片13、CCD相机14。本发明由微液滴往复输运光路、实时观测光路、控温装置三部分组成，通过热效应和光生伏打效应综合作用实现微液滴往复输运，该方法具有微液滴输运方向、距离可控，激光与微液滴无直接接触等特点，且整个过程可实时观测。该技术可应用于微量试剂的采集、混合及输运，对生物医疗、药物诊断、环境监测及分子生物学等领域的发展具有重要的意义。

Description

一种基于铌酸锂夹层结构芯片的实时可控微液滴往复输运装 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夹层结构芯片的实时可控微液滴往复输运装置及方法
背景技术
随着微流控芯片的迅速发展，微液滴操控已经成为该领域的研究热点。微液滴操控技术主要应用于生物、化学、制药等过程中微量样品的分析及检测，它主要涉及微量试剂的采集、混合及输运等。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具有非常重要的意义。
2003年文献(Monolithic membrane valves and diaphragm pumps forpractical large-scale integration into glass microfluidic devices，Sens.ActuatorsB，89，315-323(2003))报道了一种利用微气泵装置完成微液体输运的方法，该方法需要鼓入空气，容易造成液体污染，并且需要制备复杂的微通道、微腔室，存在死区，输运方向和距离不可调控，而且只适用于连续流体的输运，不可实现微液滴的往复输运。
2007年Hong X等人(Application of Superhydrophobic Surface with HighAdhesive Force in No Lost Transport of Superparamagnetic Microdroplet，129，1478-9，(2007))利用超疏水表面制作电磁开关，在磁场作用力、液滴重力以及PS纳米管对液滴的粘附力综合作用下实现了液滴在上下两极板之间的输运。该方法需要制作PS纳米管层，工艺复杂，成本较高，两极板之间距离固定为2mm，限制了液滴运动的距离，而且此方法只能完成液滴在上下两极板之间的运动，即不能实现微液滴的任意一维往复输运。
2014年，田丽等人公开了一种超疏水单极板数字微液滴输运装置及其制作方法(申请公布号为：CN104525285)他们在带有电极阵列的基底上淀积一层介质层，然后在介质层上悬涂氮化硼纳米管超输水层，将微液滴置于一个电极阵列单元上方，并微接触于相邻的电极阵列单元上方，对电极阵列单元施加电压，使液滴的接触角发生变化，从而实现微液滴的驱动，该装置虽降低了驱动电压，保持了样品的生物活性，但需要制备电极，成本高，加工工艺复杂，而且对液滴的初始位置有较高要求，仍然不能实现微液滴的任意一维往复输运。
2016年Chu Y等人(Remote Manipulation of a Microdroplet in Water byNear-Infrared Laser，8，1273-1279，2015)利用近红外激光实现了对水中纳米颗粒封装的CHCl3微液滴的远程操控，在激光的作用下，液滴能够上升，穿梭，水平移动，甚至悬浮在水中。这种方法虽然可以使微液滴沿任意一维路径往复运动，但纳米颗粒的封装工艺复杂、可能会对微液滴造成污染，激光对液滴的长时间照射会使液滴内部环境紊乱，而且此方法只能应用于水环境中被封装的微液滴，大大限制了其应用范围。
发明内容
目前已报道的微液滴输运方法存在诸多缺点，如：需要制备微通道、微腔室等装置，成本高、加工工艺复杂；微液滴输运的方向、距离不可控；激光对微液滴的长时间照射会使液滴内部环境紊乱；对微液滴所处的环境有所限制；不能实现微液滴的往复输运；输运过程不能实时控制等。针对上述问题，本发明提供一种简单、易行的微液滴往复输运方法，其输运的方向和距离均可控，整个输运过程中激光对微液滴无直接照射，无需对液滴进行任何前期处理，在空气环境中就能实现微液滴的任意一维往复输运，且整个过程实时可控。
一种微滴液往复输运装置，其特征在于：激光器1、电子快门2、光阑3、光学整形器4、激光反射镜12、物镜11、铌酸锂夹层结构芯片10、半导体制冷片9、透明微调三维平移台8、按顺序形成微液滴往复输运光路；背景光源7、透明微调三维平移台8、半导体制冷片9、铌酸锂夹层结构芯片10、物镜11、激光反射镜12、滤光片13、CCD相机14按顺序形成实时观测光路；半导体制冷片9、热敏探头5、智能数显温控仪6按顺序形成控温装置，通过两条部分重合的光路及控温装置实现微液滴往复导流和观测的同时进行。
一种微液滴往复输运方法，其特征在于：以铌酸锂夹层结构芯片作为基底，利用热效应和光生伏打效应综合作用，实现微液滴的任意一维往复输运。
一种微液滴往复输运方法，其特征在于：激光按任意一维路径进行单次扫描，当激光光斑接近微液滴时即刻关闭，便可实现微液滴的多次自由输运，即往复输运。
一种微液滴往复输运方法，其特征在于：通过计算机程序控制激光扫描方向及距离，进而控制微液滴往复输运方向及距离。
一种微液滴往复输运方法，其特征在于：关闭激光后，微液滴沿激光扫过的路径往复输运，整个过程激光对微液滴无直接照射。
与现有技术相比，本发明的优点在于：基于铌酸锂夹层结构芯片以及加热系统，装置结构简单、成本较低；通过半导体制冷片使铌酸锂夹层结构芯片升温产生的热效应和激光照射铌酸锂夹层结构芯片产生的光生伏打效应综合作用实现微液滴往复输运，该方法具有微液滴输运方向、距离可控，激光与微液滴无直接接触等特点，且整个过程可实时观测。
附图说明
图1为本发明基于铌酸锂夹层结构芯片实时可控的微液滴往复输运装置整体结构示意图。
图2为本发明基于铌酸锂夹层结构芯片实时可控的微液滴往复输运方案的铌酸锂夹层结构芯片具体结构示意图。
图3为本发明基于铌酸锂夹层结构芯片实时可控的微液滴往复输运方案的一种实施例(实施例1)的往复输运过程图。
图4为本发明基于铌酸锂夹层结构芯片实时可控的微液滴往复输运方案的一种实施例(实施例2)的往复输运过程图。
图5为本发明基于铌酸锂夹层结构芯片实时可控的微液滴往复输运方案的一种实施例(实施例3)的往复输运过程图。
图6为本发明基于铌酸锂夹层结构芯片实时可控的微液滴往复输运方案的一种实施例(实施例4)的往复输运过程图。
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
本发明公开了一种实时可控微液滴往复输运的装置及方法，该装置包括：激光器1、电子快门2、光阑3、光学整形器4、激光反射镜12、物镜11、铌酸锂夹层结构芯片10、半导体制冷片9、透明微调三维平移台8、按顺序形成微液滴往复输运光路；背景光源7、透明微调三维平移台8、半导体制冷片9、铌酸锂夹层结构芯片10、物镜11、激光反射镜12、滤光片13、CCD相机14按顺序形成实时观测光路；半导体制冷片9、热敏探头5、智能数显温控仪6按顺序形成控温装置。
本发明公开了一种实时可控微液滴往复输运的装置及方法，该方法的操作步骤为：将待输运的微液滴导入铌酸锂夹层结构芯片10(由两个C切铌酸锂晶片即10-1、10-2组成)中，并将铌酸锂夹层结构芯片置于透明微调三维平移台上的半导体制冷片上，调节透明微调三维平移台，使待输运的微液滴位于物镜焦点附近，利用CCD相机捕获清晰的物象；利用智能数显温控仪对半导体制冷片进行加热，温度升高到实验所需温度后保温五分钟；调节激光器功率至实验所需的数值，打开电子快门，激光经反射镜反射进入物镜并聚焦于铌酸锂夹层结构芯片上；调节铌酸锂夹层结构芯片的位置使激光按任意方向扫过一条直线，并靠近铌酸锂夹层结构芯片中的微液滴；当微液滴被激光照射铌酸锂夹层结构芯片所产生的介电泳力吸引至激光光斑处的瞬间，关闭电子快门，完成微液滴的往复输运。
所述的激光器1，要求其所发出的激光照射在铌酸锂晶片上能有效地激发出载流子，故其波长应介于350～650nm，其功率应介于2～60mW；背景光源7可使用氙灯、卤素灯或高功率白光LED灯；半导体制冷片的加热温度范围为25～60℃；物镜11放大倍率介于5～30倍。
综合上述并考虑元件的成本以及输运效果，各参数的优选范围是：激光器波长应介于390～550nm，其激光功率应介于10～50mW；背景光源7选用卤素灯或白光LED灯；半导体制冷片的加热温度范围为30～50℃；物镜放大倍率应介于10～20倍。
为保证光的正确传播和测量精度，光路上所有光学元件和电子器件均固定在刚性连接架上。
本发明方案的工作原理：激光扫过一条直线，当光斑靠近微液滴时，由于介电泳力的作用将其吸引过来，当激光关掉后，由于微液滴与激光扫过的铌酸锂晶片之间存在温差，微液滴吸热，导致该处晶片自发极化大小产生变化，相应的晶片外部多余补偿电荷减少，加上高温下空气中自由电荷扩散增强导致激光扫过的始端外部多余补偿电荷与光生伏打电荷总量大于末端，故微液滴在电场力的作用下由末端向始端运动，而当液滴运动到始端时，又会吸收始端晶片的热量，使始端晶片外部多余补偿电荷减少，加上外部多余补偿电荷扩散作用，又导致激光扫过的始端总电荷量小于末端，微液滴又在电场力的作用下向激光扫过的末端运动，如此往复，随着时间的增长，液滴与晶片之间的温差越来越小，外部多余补偿电荷的浓度梯度也越来越小，因此液滴与晶片之间的热交换与外部多余补偿电荷的扩散作用也越来越小，当两者综合作用产生的电场力不足以使液滴运动时，即往复输运停止。
下面给出本发明实现实时可控微液滴往复输运方案的具体实施例，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。
实施例1
使用473nm激光器，激光功率为10mW，背景光源选用卤素灯，聚焦物镜放大倍数为16倍，将待输运的体积为0.05μL的微液滴导入铌酸锂夹层结构芯片中，利用智能数显温控仪对半导体制冷片进行加热，当控温仪面板温度显示为30.23℃时，保温5分钟，打开电子快门，移动透明微调三维平移台，使激光光斑在铌酸锂夹层结构芯片上扫过一条长度为0.70mm的直线并靠近微液滴，当微液滴被吸引至激光光斑处的瞬间，关闭电子快门，完成微液滴的往复输运。
实施例2
使用532nm激光器，激光功率为15mW，背景光源选用卤素灯，聚焦物镜放大倍数为16倍，将待输运的体积为0.07μL的微液滴导入铌酸锂夹层结构芯片中，利用智能数显温控仪对半导体制冷片进行加热，当控温仪面板温度显示为33.45℃时，保温5分钟，打开电子快门，移动透明微调三维平移台，使激光光斑在铌酸锂夹层结构芯片上扫过一条长度为0.25mm的直线并靠近微液滴，当微液滴被吸引至激光光斑处的瞬间，关闭电子快门，完成微液滴的往复输运。
实施例3
使用405nm激光器，激光功率为18mW，背景光源选用卤素灯，聚焦物镜放大倍数为16倍，将待输运的体积为0.08μL的微液滴导入铌酸锂夹层结构芯片中，利用智能数显温控仪对半导体制冷片进行加热，当控温仪面板温度显示为38.65℃时，保温5分钟，打开电子快门，移动透明微调三维平移台，使激光光斑在铌酸锂夹层结构芯片上扫过一条长度为0.30mm的直线并靠近微液滴，当微液滴被吸引至激光光斑处的瞬间，关闭电子快门，完成微液滴的往复输运。
实施例4
使用405nm激光器，激光功率为28mW，背景光源选用卤素灯，聚焦物镜放大倍数为16倍，将待输运的体积为0.30μL的微液滴导入铌酸锂夹层结构芯片中，利用智能数显温控仪对半导体制冷片进行加热，当控温仪面板温度显示为45.88℃时，保温5分钟，打开电子快门，移动透明微调三维平移台，使激光光斑在铌酸锂夹层结构芯片上扫过一条长度为0.22mm的直线并靠近微液滴，当微液滴被吸引至激光光斑处的瞬间，关闭电子快门，完成微液滴的往复输运。

Claims (5)

1.一种实时可控的微滴液往复输运装置，其特征在于：激光器1、电子快门2、光阑3、光学整形器4、激光反射镜12、物镜11、铌酸锂夹层结构芯片10、半导体制冷片9、透明微调三维平移台8、按顺序形成微液滴往复输运光路；背景光源7、透明微调三维平移台8、半导体制冷片9、铌酸锂夹层结构芯片10、物镜11、激光反射镜12、滤光片13、CCD相机14按顺序形成实时观测光路；半导体制冷片9、热敏探头5、智能数显温控仪6按顺序形成控温装置，通过两条部分重合的光路及控温装置实现微液滴往复导流和观测的同时进行。
2.一种实时可控的微液滴往复输运方法，其特征在于：以铌酸锂夹层结构芯片作为基底，利用热效应和光生伏打效应综合作用，实现微液滴的任意一维往复输运。
3.根据权利要求2所述的一种微液滴往复输运方法，其特征在于：激光按任意一维路径进行单次扫描，当激光光斑接近微液滴时即刻关闭，便可实现微液滴的多次自由输运，即往复输运。
4.根据权利要求2所述的一种微液滴往复输运方法，其特征在于：通过计算机程序控制激光扫描方向及距离，进而控制微液滴往复输运方向及距离。
5.根据权利要求2所述的一种微液滴往复输运方法，其特征在于：关闭激光后，微液滴沿激光扫过的路径往复输运，整个过程激光对微液滴无直接照射。
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