CN109051819A - 一种利用空泡输运颗粒的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用激光诱导空泡进行颗粒传输的装置与方法，激光束经过透镜组聚焦于锥形通道出口端的中心位置处，击穿液体形成等离子体，等离子体继续膨胀形成空泡，利用空泡膨胀和溃灭过程中产生的流体推进速度和推进力驱动流体流动，在锥形管道中实现类似“泵吸”作用，带动右侧水槽中颗粒悬浮液向左侧水槽流动，完成颗粒的输运过程。同时通过调节激光能量和工作频率可以达到控制颗粒输运效率的目的。本发明是一种全新的颗粒输运方法，尤其适用于微/纳米尺度颗粒的定向输运，可以广泛应用于微生物医学、MEMS、微流控系统等领域。
Description
技术领域
本发明属于颗粒输运技术，具体涉及一种利用激光诱导空泡对颗粒进行输运的装置与方法。本发明还涉及微流控领域。
背景技术
微/纳米颗粒的定向输运在微电子机械系统以及生物医学领域有着重要的应用前景。在微纳米机械系统领域，对不同类型的微/纳米颗粒进行操控一直是一个复杂的科学技术问题，需要有新的驱动机理来促进微/纳米操控技术的进步。
在现有技术中，机械输运颗粒的方法主要通过正弦泵，但正弦泵普遍体积较大，适用于大尺度颗粒输运，而体积小的正弦泵造价又相当昂贵；藉勇亮通过将药物装载到高磁响应的磁性纳米颗粒上，再通过外加磁场引导药物到达指定部位，但靶向磁体系统的设计，外磁场的性质，目标靶向部位的性质等依旧是一个难点；黄燃采用基于螺线管的电磁垂直输运方案将经过质子束辐照后下落的散裂靶颗粒球再次输运至初始高度，但存在螺线管散热、径轴向颗粒流聚散焦效应和互感损耗等。申请号为00129043.6一种用于微粒操控与微粒导向的装置及其使用方法，给出了一种作为微粒开关，提供在电极组中的电极上施加不同相位的电信号，使分支中的微粒受到行波介电电泳力的作用沿着各自的分支运动，可以输运或是重新定向悬液中的微粒，但微粒操纵装置至少包含三个电极组，结构和控制较复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的利用激光诱导空泡进行微颗粒输运的装置及方法，该微颗粒输运设备整体结构简单、制造成本低且容易实现，进而期望可以运用于医药行业，对药物在血管里进行定向输运提供一种新思路。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种利用空泡输运颗粒的装置，包括第一水槽和第二水槽，所述第一水槽和第二水槽之间通过竖直挡板进行隔断，所述竖直挡板上开有通孔，所述通孔用来连通所述第一水槽和第二水槽；所述第一水槽内装有微颗粒悬浮液，所述第二水槽内装有工作液，所述工作液的上方设有激光束和透镜组，所述第二水槽的工作液中浸入锥形通道，激光束在工作液中的聚焦点位于所锥形通道的出口处，所述锥形通道的入口处正对所述竖直挡板上的通孔。
上述方案中，所述锥形通道的入口直径为毫米量级，且大于微颗粒的直径，所述锥形通道出口端直径与入口端直径比为2~5。
上述方案中，所述锥形通道与所述竖直挡板一体成型，且锥形通道的入口直径与竖直挡板上的通孔孔径相同。
上述方案中，所述微颗粒悬浮液中的颗粒粒径为微/纳米量级，工作液为蒸馏水、甘油、酒精中的任意一种。
本发明还提供一种利用空泡输运颗粒的方法，包括以下步骤：S1：将锥形通道和竖直挡板安装于大水槽中，从而将大水槽分割为第一水槽和第二水槽；S2：先用一小挡片挡住竖直挡板的通孔孔口，将工作液先缓缓倒入第二水槽中，到达一定液面高度后再将微颗粒悬浮液倒入第一水槽中，控制两侧液面高度齐平，且略低于竖直挡板的高度，再撤去小挡片；S3：通过透镜组来调节激光束在第二水槽中的聚焦点位置，使得聚焦点位于锥形通道出口孔中心位置；S4：利用空泡膨胀和溃灭过程中产生的流体推进速度和推进力驱动流体流动，在锥形通道中实现了流体的“泵吸”作用，带动第一水槽（中颗粒悬浮液通过数值挡板上的通孔向第二水槽流动，完成颗粒的输运过程；S5：通过改变激光能量和工作频率大小控制空泡大小和空泡产生速率，达到调节微颗粒输运速率。
上述方案中，所述激光束使用双波段脉冲激光，脉宽为8ns，频率为1-10Hz，其中波长为1064nm对应最大激光能量为1.2J，波长为532nm对应最大激光能量为600mJ。
上述方案中，空泡的位置距液面距离小于10mm，且泡心正对于锥形通道的孔口中心位置。
上述方案中，所述透镜组为采用不同焦距凹凸透镜的组合透镜，激光光束经透镜组后直径扩大5倍再聚焦于水中，以利于产生单空泡。
本发明的有益效果是：（1）本发明使用激光诱导空泡进行微颗粒输运，通过调节激光频率连续作用形成类似“泵吸”效应，从而可以使用较为简单的装置驱动流体流动，进而带动粒子完成微颗粒的输运过程，为解决颗粒输运问题提供了一种全新思路。（2）由于该装置不存在特殊领域应用的局限性，可以广泛应用于微生物医学、MEMS、微流控系统等领域。
附图说明
图1为本发明的方法中利用激光诱导空泡进行颗粒输运装置的结构示意图；
在图中：1-第一水槽；2-微颗粒悬浮液；3-锥形通道；4-竖直挡板；5-工作液；6-激光束；7-透镜组；8-空泡；9-第二水槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种利用空泡输运颗粒的装置，包括第一水槽1和第二水槽9，所述第一水槽1和第二水槽9之间通过竖直挡板4进行隔断，所述竖直挡板4上开有通孔，所述通孔用来连通所述第一水槽1和第二水槽9；所述第一水槽1内装有微颗粒悬浮液2，所述第二水槽9内装有工作液5，所述工作液5的上方设有激光束6和透镜组7，所述第二水槽9的工作液中浸入锥形通道3，激光束6在工作液中的聚焦点位于所锥形通道3的出口处，所述锥形通道3的入口处正对所述竖直挡板4上的通孔，所述锥形通道3的入口直径为毫米量级，且大于微颗粒的直径，所述锥形通道3出口端直径与入口端直径比为2~5。
本实施例中，所述锥形通道3与所述竖直挡板4一体成型，且锥形通道3的入口直径与竖直挡板4上的通孔孔径相同。所述微颗粒悬浮液2中的颗粒粒径为微/纳米量级，工作液5为蒸馏水、甘油、酒精中的任意一种。
本实施例的颗粒具体输运过程如下：激光束6经过透镜组7最终聚焦到锥形通道3的出口端，击穿工作液5形成等离子体，等离子体继续吸收激光能量剧烈膨胀形成一个空泡8，同时伴随着等离子体冲击波向外辐射，等离子体冲击波辐射和空泡膨胀迅速挤压流体，使内部压力平衡的流体具有动能，克服粘附力和锥形管道出流口的阻力，将锥形管道中的流体挤压从出口端推出，空泡8由于内部巨大压力向外膨胀到达最大半径，继而由于泡内外压力的不平衡又导致空泡的溃灭，在平衡压力的推动下四周流体向空泡溃灭空间区域迅速聚集，且空泡收缩速度越来越快，四周液体向空泡中心聚集的流速也随之加大，在锥形管道中实现了流体的“泵吸”作用，带动右侧水槽中颗粒悬浮液向左侧水槽流动，完成颗粒的输运过程。通过改变激光能量和工作频率大小还可以控制空泡大小和空泡产生速率，进而达到调节微颗粒输运速率的目的。
以上描述了本发明颗粒输运的基本原理。上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换或简化的方式所获得的技术方案，均在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种利用空泡输运颗粒的装置，其特征在于，包括第一水槽1和第二水槽9，所述第一水槽1和第二水槽9之间通过竖直挡板（4）进行隔断，所述竖直挡板（4）上开有通孔，所述通孔用来连通所述第一水槽1和第二水槽9；所述第一水槽1内装有微颗粒悬浮液（2），所述第二水槽9内装有工作液（5），所述工作液（5）的上方设有激光束（6）和透镜组（7），所述第二水槽9的工作液中浸入锥形通道（3），激光束（6）在工作液中的聚焦点位于所锥形通道（3）的出口处，所述锥形通道（3）的入口处正对所述竖直挡板（4）上的通孔。
2.根据权利要求1所述的一种利用空泡输运颗粒的装置，其特征在于，所述锥形通道（3）的入口直径为毫米量级，且大于微颗粒的直径，所述锥形通道（3）出口端直径与入口端直径比为2~5。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用空泡输运颗粒的装置，其特征在于，所述锥形通道（3）与所述竖直挡板（4）一体成型，且锥形通道（3）的入口直径与竖直挡板（4）上的通孔孔径相同。
4.根据权利要求1或2所述的一种利用空泡输运颗粒的装置，其特征在于，所述微颗粒悬浮液（2）中的颗粒粒径为微/纳米量级，工作液（5）为蒸馏水、甘油、酒精中的任意一种。
5.一种利用空泡输运颗粒的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将锥形通道（3）和竖直挡板（4）安装于大水槽中，从而将大水槽切割成第一水槽（1）和第二水槽（9）；
S2：先用一小挡片挡住竖直挡板（4）的通孔孔口，将工作液（5）先缓缓倒入第二水槽（9）中，到达一定液面高度后再将微颗粒悬浮液（2）倒入第一水槽（1）中，控制两侧液面高度齐平，且略低于竖直挡板（4）的高度，再撤去小挡片；
S3：通过透镜组（7）来调节激光束（6）在第二水槽（9）中的聚焦点位置，使得聚焦点位于锥形通道（3）出口孔中心位置；
S4：利用空泡膨胀和溃灭过程中产生的流体推进速度和推进力驱动流体流动，在锥形通道（3）中实现了流体的“泵吸”作用，带动第一水槽（1）中颗粒悬浮液通过数值挡板（4）上的通孔向第二水槽流动，完成颗粒的输运过程；
S5：通过改变激光能量和工作频率大小控制空泡大小和空泡产生速率，达到调节微颗粒输运速率。
6.根据权利要求5所述的一种利用空泡输运颗粒的方法，其特征在于，所述激光束（6）使用双波段脉冲激光，脉宽为8ns，频率为1-10Hz，其中波长为1064nm对应最大激光能量为1.2J，波长为532nm对应最大激光能量为600mJ。
7.根据权利要求5所述的一种利用空泡输运颗粒的方法，其特征在于，空泡（8）的位置距液面距离小于10mm，且泡心正对于锥形通道（3）的孔口中心位置。
8.根据权利要求5所述的一种利用空泡输运颗粒的方法，其特征在于，所述透镜组（7）为采用不同焦距凹凸透镜的组合透镜，激光光束经透镜组（7）后直径扩大5倍再聚焦于水中，以利于产生单空泡。
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| CN110333604A (zh) * | 2019-05-31 | 2019-10-15 | 暨南大学 | 一种用于微纳颗粒的可调控全光输运带系统及其调控方法 |
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2018
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