CN110560189B - 一种基于y切铌酸锂芯片的水合液滴分离方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于y切铌酸锂的水合液滴分离方法及装置，该装置包括激光器1、电子快门2、光栅3、激光反射镜4、物镜5、透明载物台6、铌酸锂芯片7、背景光源8、物镜9、电机10、电机11、反射银镜12、滤光片13、CCD相机14、物镜15、滤光片16、CCD相机17。本发明由水合液滴操控光路、正向观测光路、侧向观测光路以及y切铌酸锂芯片四部分组成。该方法实现了水合液滴在铌酸锂芯片上的分离，解决了传统铌酸锂基微流控芯片不能实现水合液滴分离的问题，通过调控激光功率大小可以实现对不同尺寸水合液滴的分离。该技术可应用于微量生物化学试剂的分离，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重要的意义。

Description

一种基于y切铌酸锂芯片的水合液滴分离方法及装置
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切铌酸锂芯片的水合液滴分离方法及装置
背景技术
微流控芯片技术是把生物培养、输运及检测功能集成到一块微米尺度的芯片上，可快速、高效地实现对单细胞的操控、分类和检测分析。它可以减少样品试剂的用量，降低了成本，缩短了反应时间，且易于操控。微流控芯片技术的诞生和应用对生物医疗、临床诊断、药物探索以及环境监测等领域的发展都具有非常重要的意义，并已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。
铌酸锂作为集成光学的优秀候选平台材料倍受关注，其所特有的生物细胞调控作用使得基于铌酸锂的生物光子芯片设计和制备成为未来光子学发展的一个新方向。铌酸锂基生物光子芯片所必须集成的一个重要核心功能是微液滴光操控功能。该功能利用光波实现对各类生物、化学试剂以及包含单细胞、细胞群的各类生物液滴的非接触驱动、导向和分离。
铌酸锂晶体具有光折变效应，在激光的照射下，其内部会产生大量的光激载流子，光激载流子沿其c轴移动，使得其+c面产生负电，-c面产生正电。利用铌酸锂晶体的这一特性人们可以通过介电泳力来直接驱动弱极性液体。
2016年，L.Chen等人围绕铌酸锂基介电液滴的实时光操控开展了一系列研究，利用观测与操控复用的光路及物镜聚焦的光场在非对称的铌酸锂夹层结构中实现了介电液滴的几种新颖的实时光操控模式，其中包括介电液滴步进移动、形变操控，通过实时预扫描实现的介电液滴二维导向驱动，可控的介电液滴分离操控以及介电液滴的非局域操控。(Photo-assisted splitting of dielectric microdroplets in a LN-based sandwichstructure.Opt.Lett.41(19)，4558-4561(2016).)
2019年，F.Li等人对双y切反对称铌酸锂夹层结构芯片中介电液滴的分离现象和机制进行了研究，得出了介电液滴全光分离所需时间与激光光照强度之间的关系，对介电液滴分离所需时间及所需电场的变化规律进行了讨论分析。(All-optical splitting ofdielectric microdroplets by using a y-cut-LN-based anti-symmetrical sandwichstructure.Opt.Express 27(18)，25767-25776(2019).)
相对于介电绝缘液体，水合溶液在生物医学或者临床诊断等领域的使用范围更广，然而就目前国内外关于基于铌酸锂晶体的微流控芯片的研究而言，对水合溶液的驱动是十分困难的。
发明内容
本发明提供一种简单、易行的基于y切铌酸锂的水合液滴分离方法及装置，能够实现水合液滴的全光分离，所分离液滴不受液滴介电常数和离子浓度大小的限制，整个分离过程可通过正向和侧向观测光路实时观测。分离水合液滴尺寸和分离时间可通过激光功率进行调控。
一种可实时观测的水合液滴分离方法，其特征在于：实现该方法使用可实时观测的水合液滴分离装置，该装置包括：激光器(1)、电子快门(2)、光栅(3)、激光反射镜(4)、物镜一(5)、透明载物台(6)、铌酸锂芯片(7)按顺序形成水合液滴操控光路；铌酸锂芯片(7)、背景光源(8)、物镜二(9)、反射银镜(12)、滤光片一(13)、CCD相机一(14)按顺序形成正向观测光路；铌酸锂芯片(7)、物镜三(15)、滤光片二(16)、CCD相机二(17)按顺序形成侧向观测光路，通过三条光路实现水合液滴的实时可观测分离，其中铌酸锂芯片(7)包括y切铌酸锂晶片(7-1)和液体注入膜(7-2)，该方法的具体操作步骤为：在y切铌酸锂晶片(7-1)表面制备多孔疏水膜，将油注入多孔疏水膜中形成液体注入膜(7-2)，将待操纵的水合液滴(18)移至液体注入膜(7-2)上，并将铌酸锂芯片(7)置于透明载物台(6)上，通过调节伺服电机一(10)调节透明载物台(6)的垂直位置，使y切铌酸锂晶片(7-1)位于物镜一(5)的焦点附近，通过调节伺服电机二(11)调节物镜二(9)的位置，使待操纵的水合液滴(18)位于物镜二(9)的焦点附近；利用CCD相机一(14)通过正向观测光路捕获清晰的正向动态图像；通过调节物镜三(15)的位置，使待操纵的水合液滴(18)位于物镜三(15)的焦点附近，利用CCD相机二(17)通过侧向观测光路捕获清晰的侧向动态图像；打开激光器(1)，调节激光功率至适当的大小，通过伺服电机一(10)调节铌酸锂芯片(7)的水平位置，让待操纵液滴位于激光(19)照射处，打开电子快门(2)同时通过正向和侧向观测光路实时观测液滴分离的过程，通过激光功率的合理调控，实现水合液滴的分离，所述的激光器(1)的波长应介于350～550nm，功率应介于10～110mW，物镜一(5)放大倍率介于8～25倍；物镜二(9)和物镜三(15)的放大倍率介于2～8倍，激光照射y切铌酸锂晶片会形成沿c轴分布的两个正负电荷区域。空间电荷场会使水合液滴中的电荷在液滴下表面积累，一方面积累的电荷导致固液界面处的自由能增加，进而导致液滴的表面张力发生改变，润湿性发生变化，液体的接触角变小；另一方面，积累的电荷在y切铌酸锂晶片产生的空间电荷场中，受力的作用，产生电渗流现象，介电润湿和电渗流两种效应的综合作用使水合液滴在y切铌酸锂晶片表面实现分离。一种水合液滴分离方法，其特征在于：通过操控光路、正向观测光路和侧向观测光路的结合，可以实现水合液滴分离过程的正向和侧向同步实时观测和调控。
一种水合液滴分离方法，其特征在于：通过激光功率的调控，可对不同尺寸水合液滴实现分离。
一种水合液滴分离方法，其特征在于：其特征在于：所操控的水合液滴为去离子水、生理盐水。
与现有技术相比，本发明的优点在于：由y切铌酸锂晶片和液体注入膜组成的微流控芯片，制备工艺简单，能够实现水合液滴的全光分离，所分离液滴不受液滴介电常数和离子浓度大小的限制，整个分离过程可通过正向和侧向观测光路实时观测。
附图说明
图1为本发明基于y切铌酸锂芯片的水合液滴分离方法及装置所采用的装置结构示意图。
图2为本发明基于y切铌酸锂芯片的水合液滴分离方法及装置的铌酸锂芯片结构示意图。
图3为本发明基于y切铌酸锂芯片的水合液滴分离方法及装置的一种实施例的水合液滴分离过程图。
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
本发明公开了一种水合液滴分离方法及装置，实现该方法所需要的装置包括：激光器(1)、电子快门(2)、光栅(3)、激光反射镜(4)、物镜一(5)、透明载物台(6)、铌酸锂芯片(7)按顺序形成水合液滴操控光路；铌酸锂芯片(7)、背景光源(8)、物镜二(9)、反射银镜(12)、滤光片一(13)、CCD相机一(14)按顺序形成正向观测光路；铌酸锂芯片(7)、物镜三(15)、滤光片二(16)、CCD相机二(17)按顺序形成侧向观测光路，通过三条光路实现水合液滴的实时可观测分离。所有光学器件和电子器件均通过刚性连接杆固定在光学实验平台上，保证所有元件同轴准直。
本发明公开了一种水合液滴分离方法及装置，该方法的操作步骤为：在y切铌酸锂晶片(7-1)表面制备多孔疏水膜，将油注入多孔疏水膜中形成液体注入膜(7-2)。将待操纵的水合液滴(18)移至液体注入膜(7-2)上，并将铌酸锂芯片(7)置于透明载物台(6)上，通过调节伺服电机一(10)调节透明载物台(6)的垂直位置，使y切铌酸锂晶片(7-1)位于物镜一(5)的焦点附近；通过调节伺服电机二(11)调节物镜二(9)的位置，使待操纵的水合液滴(18)位于物镜二(9)的焦点附近，利用CCD相机一(14)通过正向观测光路捕获清晰的正向动态图像；通过调节物镜三(15)的位置，使待操纵的水合液滴(18)位于物镜三(15)的焦点附近，利用CCD相机二(17)通过侧向观测光路捕获清晰的侧向动态图像；打开激光器(1)，调节激光功率至适当的大小，通过伺服电机一(10)调节铌酸锂芯片的水平位置，让待操纵液滴位于激光(19)照射处，打开电子快门(2)同时通过正向和侧向观测光路实时观测液滴分离的过程，通过激光功率的合理调控，实现水合液滴的分离。
所述的激光器(1)，要求其所发出的激光照射在y切铌酸锂晶片上能有效地激发出载流子，形成的空间电场能达到操纵水合液滴的量级，故其波长应介于350～550nm，其功率应介于10～110mW；背景光源(8)可使用氙灯、卤素灯或高功率白光LED灯；物镜一(5)放大倍率介于8～25倍；物镜二(9)和物镜三(15)的放大倍率介于2～8倍。
本发明方案的工作原理：激光照射y切铌酸锂晶片表面，会产生定向移动的光激载流子(电子)，光激载流子沿y切铌酸锂晶片的c轴正方向移动，在激光照射的y切铌酸锂晶片上会形成沿c轴分布的两个正负电荷区域(c轴正向为负电荷聚集区域，c轴负向为正电荷聚集区域)，y切铌酸锂晶片产生的空间电荷场会使水合液滴中的电荷在液滴下表面积累，一方面积累的电荷导致固液界面处的自由能增加，进而导致液滴的表面张力发生改变，润湿性发生变化，液体的接触角变小；另一方面，积累的电荷在y切铌酸锂晶片产生的空间电荷场中，受力的作用，产生电渗流现象。介电润湿和电渗流两种效应的综合作用使水合液滴在y切铌酸锂晶片表面实现分离。
下面给出本发明实现水合液滴分离的具体实施例，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
使用405nm激光器，激光功率为60mW，背景光源选用卤素灯，聚焦物镜放大倍数为25倍，正向观测物镜放大倍数为6倍，侧向观测物镜放大倍数为2倍。在y切铌酸锂晶片表面制备多孔疏水膜，将油注入多孔疏水膜中形成液体注入膜。将待操纵的水合液滴移至液体注入膜上，待操纵的微液滴尺寸为1400μm，并将铌酸锂芯片置于透明载物台上，通过调节伺服电机调节透明载物台的垂直位置，使y切铌酸锂晶片位于物镜的焦点附近；通过调节伺服电机调节物镜的位置，使待操纵的水合液滴位于物镜的焦点附近，利用CCD相机通过正向观测光路捕获清晰的正向动态图像；通过调节物镜的位置，使待操纵的水合液滴位于物镜的焦点附近，利用CCD相机通过侧向观测光路捕获清晰的侧向动态图像；打开激光器，调节激光功率，通过伺服电机调节铌酸锂芯片的水平位置，让待操纵液滴位于激光照射处，打开电子快门同时通过正向和侧向观测光路实时观测液滴分离的过程，实现水合液滴的分离。
以上所述具体实例对本发明的技术方案、实施办法做了进一步的详细说明，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)

1.一种可实时观测的水合液滴分离方法，其特征在于：实现该方法使用可实时观测的水合液滴分离装置，该装置包括：激光器(1)、电子快门(2)、光栅(3)、激光反射镜(4)、物镜一(5)、透明载物台(6)、铌酸锂芯片(7)按顺序形成水合液滴操控光路；铌酸锂芯片(7)、背景光源(8)、物镜二(9)、反射银镜(12)、滤光片一(13)、CCD相机一(14)按顺序形成正向观测光路；铌酸锂芯片(7)、物镜三(15)、滤光片二(16)、CCD相机二(17)按顺序形成侧向观测光路，通过三条光路实现水合液滴的实时可观测分离，其中铌酸锂芯片(7)包括y切铌酸锂晶片(7-1)和液体注入膜(7-2)，该方法的具体操作步骤为：在y切铌酸锂晶片(7-1)表面制备多孔疏水膜，将油注入多孔疏水膜中形成液体注入膜(7-2)，将待操纵的水合液滴(18)移至液体注入膜(7-2)上，并将铌酸锂芯片(7)置于透明载物台(6)上，通过调节伺服电机一(10)调节透明载物台(6)的垂直位置，使y切铌酸锂晶片(7-1)位于物镜一(5)的焦点附近，通过调节伺服电机二(11)调节物镜二(9)的位置，使待操纵的水合液滴(18)位于物镜二(9)的焦点附近；利用CCD相机一(14)通过正向观测光路捕获清晰的正向动态图像；通过调节物镜三(15)的位置，使待操纵的水合液滴(18)位于物镜三(15)的焦点附近，利用CCD相机二(17)通过侧向观测光路捕获清晰的侧向动态图像；打开激光器(1)，调节激光功率至适当的大小，通过伺服电机一(10)调节铌酸锂芯片(7)的水平位置，让待操纵液滴位于激光(19)照射处，打开电子快门(2)同时通过正向和侧向观测光路实时观测液滴分离的过程，通过激光功率的合理调控，实现水合液滴的分离，所述的激光器(1)的波长应介于350～550nm，功率应介于10～110mW，物镜一(5)放大倍率介于8～25倍；物镜二(9)和物镜三(15)的放大倍率介于2～8倍，激光照射y切铌酸锂晶片(7-1)会形成沿c轴分布的两个正负电荷区域，空间电荷场会使水合液滴中的电荷在液滴下表面积累，一方面积累的电荷导致固液界面处的自由能增加，进而导致液滴的表面张力发生改变，润湿性发生变化，液体的接触角变小；另一方面，积累的电荷在铌酸锂晶片产生的空间电荷场中，受力的作用，产生电渗流现象，介电润湿和电渗流两种效应的综合作用使水合液滴在铌酸锂晶片表面实现分离。
2.根据权利要求1所述的一种水合液滴分离方法，其特征在于：通过操控光路、正向观测光路和侧向观测光路的结合，可以实现水合液滴分离过程的正向和侧向同步实时观测和调控。
3.根据权利要求1所述的一种水合液滴分离方法，其特征在于：通过激光功率的调控，可对不同尺寸水合液滴实现分离。
4.根据权利要求1所述的一种水合液滴分离方法，其特征在于：所操控的水合液滴为去离子水、生理盐水。
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