CN108872084B - 一种基于非对称铌酸锂夹层结构的全光微液滴分离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微液滴分离方法，该方法以C切铌酸锂晶片和Y切铌酸锂晶片组成的非对称夹层结构为核心，利用激光照射后两种切向晶片产生的异种电场相互叠加实现夹层中微液滴的分离。该方法操作步骤简单，无需对晶片进行任何预处理，微液滴分离部位、分离精度、分离出液滴的体积及其分离所用时间均可控，利用Y切铌酸锂晶片的非局域光响应特性，可使微液滴在激光光斑两侧沿C轴方向分离，降低了激光对液体的长时间、大范围直接照射带来的不良影响。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分离，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非常重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种微液滴操控技术，具体是一种芯片结构简单、分离动作操控灵活、具有非局域光响应特点的全光微液滴分离方法。
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。微流控技术主要应用于生物、化学、制药等领域微量样品的分析过程中，它主要涉及微量试剂的采集、混合及输运等。微液滴分离作为微液滴操控技术的重要组成部分之一，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。
2004年德国慕尼黑大学C.J.Strobl(Nano-and pico-dispensing of fluids onplanar substrates using SAW，51，1432，2014)等人在压电基底材料表面制备亲疏水结构相间的棋盘状薄膜，利用声表面波驱动液滴在薄膜上缓慢移动，使其在亲水结构表面留下微液滴，从而实现了液滴分离。该方法需制备叉指电极并对基底表面进行亲疏水处理，芯片结构复杂，其分离精度依赖于基底表面亲疏水结构的尺寸，液滴分离的位置不可调控，而且该方法分离得到的微液滴直接暴露于空气中，容易污染和挥发，因此无法保存及进行后续操作。
2009年新加坡南洋理工大学Yit-Fatt Yap(Thermally mediated control ofliquid microdroplets at a bifurcation)等人基于Jousse提出的支路芯片，利用微通道壁和连续相对液滴的压力综合作用实现了微液滴的分裂，通过加热产生的温梯改变液体的粘滞力及界面张力变化引起的热毛细力综合作用以控制分离出液滴的体积。该方法需通过光刻工艺制备复杂的微通道结构，加工过程复杂，液滴需在连续相的包裹中完成分离，易被污染，另外，该技术无法无法实现对温度敏感型液滴的可控分离。
2016年邹俊等人公开了一种液滴喷射分离装置与分离方法(申请公布号为：CN105772245)，他们根据不同液体选择不同材质、大小的夹止结构，将夹止结构的一端没入待分离的液体中，启动直线感应电机，电机达到最高点后退回最低点，利用夹止效应实现液滴的喷射分离。该方法克服了传统技术中微液滴分离时喷嘴易堵塞的问题，但夹止结构没入液体中会对其造成污染，且使用该方法时需将喷射分离装置置于水平面上，对系统稳定性要求较高，稍有晃动便会导致液滴喷射分离失败，限制了其应用。
发明内容
目前已报道的微液滴分离方法存在芯片加工工艺复杂、需对芯片进行复杂的预处理、分离动作调控性差、连续相或其他外接设备会对待分离液体造成污染或破坏液体环境、对系统稳定性要求高及无法实时可控等缺陷。针对上述问题，本发明提供一种简单、易行的微液滴全光分离方法，该方法无需对芯片进行任何预处理，只需利用聚焦激光照射夹层结构中的微液滴即可实现分离；其分离位置、分离精度、分离出液滴的体积及分离所用时间均可调控；利用Y切铌酸锂晶片的非局域光响应特性，可使微液滴在激光光斑两侧沿C轴方向分离，降低了激光对液体的长时间、大范围直接照射带来的不良影响；待分离液滴位于夹层结构芯片中，避免了其自身的挥发及外界污染；另外，该方法对系统的稳定性无特殊要求，且整个分离过程实时可控。
一种全光微液滴分离方法，其特征在于：以C切铌酸锂晶片(8-1)和Y切铌酸锂晶片(8-2)组成的非对称夹层结构为核心，利用激光照射后两种切向晶片产生的叠加电场实现夹层中微液滴的分离。
一种全光微液滴分离方法，其特征在于：无需对晶片进行任何预处理，利用聚焦激光照射铌酸锂夹层结构中的微液滴即可实现分离，即全光微液滴分离。
一种全光微液滴分离方法，其特征在于：微液滴的分离部位可通过调节聚焦激光光斑与夹层结构的相对位置进行控制，分离精度可通过调节夹层间距进行控制，分离出液滴的体积和分离所用时间可通过调节激光功率进行控制。
一种全光微液滴分离方法，其特征在于：利用Y切铌酸锂晶片的非局域光响应特性，实现微液滴在激光光斑两侧沿C轴方向分离。
与现有技术相比，本发明的优点在于：基于由C切铌酸锂晶片和Y切铌酸锂晶片组成的非对称夹层结构及物镜激光聚焦系统，装置结构简单；无需对晶片进行任何预处理，只需利用聚焦激光照射夹层结构中的微液滴即可实现分离；微液滴的分离部位、分离精度、分离出液体的体积及分离所用时间均可调控；利用Y切铌酸锂晶片的非局域光响应特性，可使微液滴在激光光斑两侧沿C轴方向分离，降低了激光对液体的长时间、大范围直接照射带来的不良影响；待分离液体位于夹层结构芯片中避免了其自身的挥发及外界污染；另外，该方法对系统的稳定性无特殊要求，且整个分离过程可实时观测。
附图说明
图1为本发明基于非对称铌酸锂夹层结构的全光微液滴分离方法所采用的装置结构示意图。
图2为本发明基于非对称铌酸锂夹层结构的全光微液滴分离方法所用的铌酸锂夹层结构芯片示意图。
图3为基于非对称铌酸锂夹层结构的全光微液滴分离方案的一种实施例(实施例1)的分离过程图。
图4为基于非对称铌酸锂夹层结构的全光微液滴分离方案的一种实施例(实施例2)的分离过程图。
图5为基于非对称铌酸锂夹层结构的全光微液滴分离方案的一种实施例(实施例3)的分离过程图。
图6为基于非对称铌酸锂夹层结构的全光微液滴分离方案的一种实施例(实施例4)的分离过程图。
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
本发明公开了一种全光微液滴分离方法，实现该方法所需要的装置包括激光器1、电子快门2、光阑3、光学整形器4、背景光源5、透明微动芯片平移台6、伺服电机7、铌酸锂夹层结构芯片8、聚焦物镜9、半透半反镜10、滤光片11、CCD相机12。其中激光器1、电子快门2、光阑3、光学整形器4、半透半反镜10、聚焦物镜9、铌酸锂夹层结构芯片8、伺服电机7、透明微动芯片平移台6按顺序形成全光微液滴分离光路；背景光源5、透明微动芯片平移台6、铌酸锂夹层结构芯片8、聚焦物镜9、半透半反镜10、滤光片11、CCD相机12按顺序形成实时观测光路。装置中所有光学元件和电子器件均固定在刚性连接架上，保证所有元件同轴准直。
本发明公开了一种基于非对称夹层结构的全光微液滴分离方法，该方法的操作步骤为：将待分离的微液滴导入由一个C切铌酸锂晶片(8-1)和一个Y切铌酸锂晶片(8-2)组成的夹层结构芯片8中，并将铌酸锂夹层结构芯片置于透明微动芯片平移台上，调节透明微动芯片平移台，使待分离的微液滴位于物镜焦点附近，利用CCD相机捕获清晰的物象；打开激光器，适当调节激光功率，打开电子快门，使激光经半透半反镜进入物镜并聚焦于铌酸锂夹层结构芯片上；通过计算机程序控制透明微动芯片平移台驱动铌酸锂夹层结构芯片运动，使聚焦光斑打到微液滴上待分离的部位，完成分离部位、分离精度、分离出微液滴体积及分离所用时间均可控的全光微液滴分离。
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1～60mW；背景光源5可使用氙灯、卤素灯或高功率白光LED灯；聚焦物镜9放大倍数介于5～40倍，夹层结构中两个铌酸锂晶片之间的间距应介于10～30μm。
综合上述并考虑元件的成本以及分离效果，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5～40mW；背景光源5选用卤素灯或白光LED灯；聚焦物镜9放大倍数应介于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：激光照射铌酸锂晶体后，会产生定向移动的光激载流子(电子)，由于光激载流子沿晶体的+C方向移动，故使C切铌酸锂晶片的+C面带负电，-C面带正电，使Y切铌酸锂晶片表面在聚焦激光光斑+C一侧带负电，-C一侧带正电，两种晶片组成夹层后，相当于三个电场叠加，C片表面产生的电场位于Y片表面产生的两个电场之间，两个由同种电荷引起的电场会对彼此极化的微液滴分子产生斥力，两个由异种电荷引起的电场会对彼此极化的微液滴分子产生吸引力，在一侧为斥力，一侧为吸引力的作用下实现全光微液滴分离。
下面给出本发明实现非对称铌酸锂夹层结构中全光微液滴分离方案的具体实施例，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405nm激光器，激光功率为7.88mW，背景光源选用卤素灯，聚焦物镜放大倍数为16倍，将待分离的体积为0.325nL的微液滴导入铌酸锂晶片夹层结构中，通过综合调节微动平移台移动夹层液滴，使聚焦光斑打到微液滴边缘部位，分离得到的小液滴体积为65pL。
实施例2
使用532nm激光器，激光功率为11.70mW，背景光源选用白光LED灯，聚焦物镜放大倍数为16倍，将待分离的体积为0.273nL的微液滴导入铌酸锂晶片夹层结构中，通过综合调节微动平移台移动夹层液滴，使聚焦光斑打到微液滴边缘部位，分离得到的小液滴体积为73pL。
实施例3
使用473nm激光器，激光功率为15.68mW，背景光源选用卤素灯，聚焦物镜放大倍数为16倍，将待分离的体积为1.365nL的微液滴导入铌酸锂晶片夹层结构中，通过综合调节微动平移台移动夹层液滴，使聚焦光斑打到微液滴边缘部位，分离得到的小液滴体积为115pL。
实施例4
使用405nm激光器，激光功率为10.93mW，背景光源选用白光LED灯，聚焦物镜放大倍数为16倍，将待分离的体积为0.487nL的微液滴导入铌酸锂晶片夹层结构中，通过综合调节微动平移台移动夹层液滴，使聚焦光斑打到微液滴边缘部位，分离得到的小液滴体积为158pL。
Claims (4)
1.一种全光微液滴分离方法，其特征在于：以C切 铌酸锂晶片(8-1)和Y切铌酸锂晶片(8-2)组成的非对称夹层结构为核心，利用激光照射后两种切向晶片产生的叠加电场实现夹层中微液滴的分离，实现该方法所用装置中的激光器 1 波长应介于 350 ～ 650nm ，功率应介于 1 ～ 60mW ，聚焦物镜 9 放大倍数应介于 5 ～ 40 倍，夹层结构中两个铌酸锂晶片之间的间距应介于 10 ～ 30 μ m 。 。
2.根据权利要求1所述的一种全光微液滴分离方法，其特征在于：无需对晶片进行任何预处理，利用聚焦激光照射铌酸锂夹层结构中的微液滴即可实现分离，即全光微液滴分离。
3.根据权利要求1所述的一种全光微液滴分离方法，其特征在于：微液滴的分离部位可通过调节聚焦激光光斑与夹层结构的相对位置进行控制，分离精度可通过调节夹层间距进行控制，分离出液滴的体积和分离所用时间可通过调节激光功率进行控制。
4.根据权利要求1所述的一种全光微液滴分离方法，其特征在于：利用Y切铌酸锂晶片的非局域光响应特性，实现微液滴在激光光斑两侧沿C轴方向分离。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Yan Wenbo Inventor after: Li Feifei Inventor after: Zan Zhitao Inventor after: Wang Xuliang Inventor after: Fan Bolin Inventor after: Li Shaobei Inventor after: Chen Hongjian Inventor before: Li Feifei Inventor before: Yan Wenbo Inventor before: Zan Zhitao Inventor before: Wang Xuliang Inventor before: Fan Bolin Inventor before: Li Shaobei Inventor before: Chen Hongjian |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20220517 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |