CN112099149A - 一种基于光泳效应的微流开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光泳效应的微流开关，利用吸收性粒子在液体中所受的光泳力控制吸收性粒子的位置，实现对微流体通道开关的功能。基于光泳效应的光纤微流体开关，对吸收性粒子实现控制的光泳力由粒子和周围介质之间的热交换决定，其包括激光器、传输光纤、微流体激光耦合装置、带孔光纤、吸收性粒子、微流体导管、微量注射泵。本发明利用吸收性粒子的光泳效应实现光控微流开关，可以实时在线且灵活的控制微流体通道的打开与关闭，该微流体开关结构简单易于实现集成化，成本低廉，操作方便。

Description

一种基于光泳效应的微流开关

技术领域

本发明涉及一种基于光泳效应的微流开关，属于微流体控制技术领域。

背景技术

微流体控制技术是指在至少有一维为微米甚至纳米尺度的低维通道结构中控制体积为皮升至纳升的流体进行流动并传质、传热的技术，可广泛应用于生化分析、免疫分析、微创外科手术、环境监测等众多领域。微流体控制的关键技术主要包括：微通道结构的设计与制造、微纳尺度流体的驱动与控制和微流体控制器件及系统的集成与封装。而微通道结构的设计与制造和微纳尺度流体的驱动与控制是微流体控制的前提。光纤与微流体的结合是有着成本低廉，集成度高，尺寸小等诸多优点，可以在狭小的空间中实现微流体控制。

传统的通过接触和非接触的机械装置实现的微流体系统的开关和利用液态金属作为工作流体的微流体惯性开关，存在机械结构复杂、抗干扰性差、开关不稳定等缺点。因此稳定可控的微流体开关成为研究的热点，光纤与微流体的结合使微流芯片更加集成化。

专利CN109300570B公布了一种基于光纤的光驱动振动装置，利用两种光泳力的作用，实现吸收性粒子的稳定操控，实现吸收性粒子振动频率的控制，简化光驱动马达装置，但这种光驱动振动装置，无法实现吸收性粒子稳定可控操作，也没有与微流体相结合。

最近的一些研究表明，利用光泳效应能够实现强吸收性粒子的捕获和操控，吸收性粒子吸收光使粒子表面产生温度梯度，粒子表面产生温度梯度的吸收性粒子与周围的液体环境进行热交换时引入光泳力，Y.Zhang(Optics Express,27(9),12414,2019)等人提出液体中强吸收性粒子的吸引，利用高斯光束和贝塞尔光束在甘油环境中实现对吸收性粒子的捕获与操作，但这种利用光泳效应的光纤光镊其重点在于研究光泳力对于粒子的捕获与操作，同样未有与微流体的结合工作。

本发明专利利用吸收性粒子和周围介质之间的热交换产生的光泳力实现对吸收性粒子的控制，吸收性粒子所受的光泳力大小与光功率密度相关，通过调节带孔光纤输出光功率可以调整吸收性粒子的位置，实现基于光泳效应的微流体开关。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种基于光泳效应的微流开关，本发明利用吸收性粒子和周围介质之间的热交换产生的光泳力实现对吸收性粒子的控制，吸收性粒子所受的光泳力大小与光功率密度相关，通过调节带孔光纤输出光功率可以调整吸收性粒子的位置，实现基于光泳效应的微流体开关。

本发明的目的是这样实现的：包括激光器、传输光纤、微流体激光耦合装置、带孔光纤、吸收性粒子、微流体导管、微量注射泵，激光器尾纤连接传输光纤通过微流体激光耦合装置将激光耦合入带孔光纤的纤芯中，经带孔光纤传输后作用到处于微流体通道输出口的吸收性粒子上，微量注射泵泵出的微流体经微流体导管通过微流体激光耦合装置泵入带孔光纤孔中形成微流通道，利用吸收性粒子和周围介质之间的热交换产生的光泳力实现对吸收性粒子的控制，吸收性粒子所受的光泳力大小与光功率密度相关，通过调节带孔光纤输出功率可以调整吸收性粒子的位置，实现基于光泳效应的微流体开关。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.微流体激光耦合装置将微加工的传输光纤对芯焊接带孔光纤纤芯的焊点和微流体导管的一端用胶共同密封在一段毛细管内，保证激光器的激光通过传输光纤耦合进入带孔光纤的纤芯中传输，且微量注射泵泵射的微流体经微流体导管被泵入带孔光纤的孔中传输。

2.所述带孔光纤是带有孔洞微流通道的光纤，具体是壁中波导光纤或光子晶体光纤或内壁波导光纤，光纤纤芯中心对称分布，且对称中心与孔洞同轴。

3.所述吸收性粒子为开关带孔光纤的微流体通道的阀门，其直径大于带孔光纤的微流体通道直径，且保证带孔光纤纤芯出射的激光能够照射到吸收性粒子上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明利用带孔光纤作为微流通道，通过带孔光纤的结构参数的控制能够灵活控制微流体通道的大小、结构，且技术成熟、制作简单、成本低。2、本发明利用吸收性粒子在液体中的光泳效应通过带孔光纤的纤芯实现吸收性粒子的稳定操作，实现实时在线的稳定的基于光泳效应的微流体开关。3、本发明采用光纤作为光能量传输，传输功率高，结构小巧，有利于装置的集成化和小型化。

附图说明

图1为基于光泳效应的微流体开关的示意图；

图2为壁中波导光纤稳定操作吸收性粒子时吸收性粒子受力示意图；

图3为吸收性粒子关闭壁中波导光纤微流通道的示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图3，本发明的基于光泳效应的微流体开关包括激光器1、传输光纤2、微流体激光耦合装置3、带孔光纤4、吸收性粒子5、微流体导管6、微量注射泵7。激光器1尾纤连接传输光纤2通过微流体激光耦合装置3将激光耦合入带孔光纤4的纤芯中，经带孔光纤4传输后作用到处于微流体通道输出口的吸收性粒子5上，微量注射泵7泵出的微流体经微流体导管6通过微流体激光耦合装置3泵入带孔光纤孔4中形成微流通道，利用吸收性粒子5和周围介质之间的热交换产生的光泳力实现对吸收性粒子5的控制，吸收性粒子5所受的光泳力大小与光功率密度相关，通过调节带孔光纤4输出功率可以调整吸收性粒子的位置，实现基于光泳效应的微流体开关。本发明利用吸收性粒子的光泳效应实现光控微流体开关，可以实时在线且灵活的控制微流体通道的打开与关闭，该微流体开关结构简单易于实现集成化，成本低廉，操作方便。

所述的微流体激光耦合装置3为用于实现激光器1传输的激光和微量注射泵7泵射的微流体同时与带孔光纤4的耦合，微流体激光耦合装置3将微加工的传输光纤2对芯焊接带孔光纤4纤芯的焊点和微流体导管6的一端用胶3-1共同密封在一段毛细管3-2内，以保证激光器1的激光通过传输光纤2耦合进入带孔光纤4的纤芯中传输，且微量注射泵7泵射的微流体经微流体导管6被泵入带孔光纤4的孔道中传输。

所述的带孔光纤4应同时保证激光和微流体的传输，其可以是壁中波导光纤，光子晶体光纤，内壁波导光纤等带有孔洞微流通道的光纤，光纤纤芯中心对称分布，且对称中心与孔洞同轴。

所述的吸收性粒子5为开关带孔光纤4的微流体通道的阀门，其直径大于带孔光纤4的微流体通道直径，且保证带孔光纤4纤芯出射的激光能够照射到吸收性粒子5上。

所述的微流体液体不吸收激光器1的激光能量或很少吸收。

工作原理：

当吸收性粒子置于如图1所示的微流通道输出口时，吸收性粒子吸收激光功率，将激光能量转化成粒子热能。本发明中吸收性粒子主要受到光泳力、热泳力、辐射压力、重力、浮力和粘滞阻力的作用。当吸收性粒子在液体中被稳定捕获时，如图2，在竖直方向上粒子所受的重力F_g、浮力F_b和粘滞阻力F_η三者平衡。在水平方向上吸收性粒子在激光照射面吸收大量激光功率，激光转化的热能引起吸收性粒子中的温度梯度分布，在液体中操作粒子时，被加热粒子的热能扩散到粒子周围的液体环境中，并在颗粒附近的液体中产生温度梯度分布。

吸收性粒子受到的光泳力主要有两种，分别为ΔT型光泳力和Δα型光泳力。对于本发明中所使用的球形吸收性粒子而言，由目标粒子表面温度变化引起的ΔT型光泳力是由粒子自身热梯度分布决定的，力的方向从高温指向低温，粒子迎光面吸收了更多的热量，从而导致粒子迎光面的温度高于背光面，本发明中ΔT型光泳力表现为推力；由目标粒子表面与粒子周围介质分子的热交换差引起的Δα型光泳力是由粒子和周围介质之间的热交换决定的，与粒子自身温度梯度分布无关，粒子与周围介质分子热交换的能力通过热调节系数α表征，力的方向从热调节系数高的位置指向热调节系数低的位置。Δα型光泳力既可以为光吸收性粒子提供远离光源的推力，也可以为光吸收性粒子提供指向光源的拉力，因此本发明可以利用Δα型光泳力控制吸收性粒子。由于液体(如甘油)在加热的吸收性粒子附近几乎没有对流或层流，可以认为相比于光泳力对于吸收性粒子的作用热泳力F_Th可以忽略。结合图2，在基于光泳效应的微流开关中，对粒子操控起主导作用的是F_Δα光泳力。

F_Δα可以描述为：

其中η表示液体的动力粘度，ρ为液体密度，σ表示吸收性粒子的散射截面，k悬浮粒子的热导率，T_∞远离球体粒子的液体温度，其中I由入射激光照射确定

是粒子表面的平均温度，T_i是粒子表面的流体分子的入射温度，J₁表示热源分布在颗粒体积上的加权积分；这里吸收性粒子为均匀球体，因此，J₁＝-12。对于某种液体(如甘油)，F_Δα的方向由

确定

因此，F_Δα由颗粒表面的平均温度

与吸收性粒子附近的液体分子的初始温度(T_i)之间的差异决定。这两个温度与颗粒吸收的热量有关，这主要与颗粒所暴露的激光的功率密度有关。因此，可以通过研究输出光束的光场强度分布，来评估粒子周围的激光功率密度。

当激光器1(如980nm光源)开启时，在F_Δα光泳力的作用下实现吸收性粒子的捕获，由于FΔα光泳力由粒子和周围介质之间的热交换决定，与粒子周围的光功率密度相关，因此可以通过调节带孔光纤纤芯输出功率的大小来调整吸收性粒子的位置。

本发明利用吸收性粒子在液体中所受的光泳力，通过带孔光纤控制吸收性粒子的位置，实现对微流体通道开关的功能。对吸收性粒子实现控制的光泳力由粒子和周围介质之间的热交换决定，基于光泳效应的微流体开关，其包括激光器1、传输光纤2、微流体激光耦合装置3、带孔光纤4、吸收性粒子5、微流体导管6、微量注射泵7。激光器尾纤连接传输光纤通过微流体激光耦合装置将激光耦合入带孔光纤的纤芯中，经带孔光纤传输后作用到处于微流体通道输出口的吸收性粒子上，微量注射泵泵出的微流体经微流体导管通过微流体激光耦合装置泵入带孔光纤孔中形成微流通道，利用吸收性粒子和周围介质之间的热交换产生的光泳力实现对吸收性粒子的控制，吸收性粒子所受的光泳力大小与光功率密度相关，通过调节带孔光纤输出功率可以调整吸收性粒子的位置，实现基于光泳效应的微流体开关。本发明利用吸收性粒子的光泳效应实现光控微流体开关，可以实时在线且灵活的控制微流体通道的打开与关闭，该微流体开关结构简单易于实现集成化，成本低廉，操作方便。根据以上原理和结构，本发明可以通过以下方式得以实现：

下面结合具体数值给出本发明的实施例，利用壁中波导光纤实现基于光泳效应的微流开关：

1、截取一段壁中波导光纤，其结构如图1中4所示，长度约1米，利用光纤切割刀将壁中波导光纤两端切割平整。

2、将微加工成圆锥台或劈台的传输光纤纤芯与壁中波导光纤纤芯对芯焊接，且保证焊接后壁中波导光纤中间孔洞微流传输通道传输通畅，将传输光纤与壁中波导光纤的焊点和微流体导管的一端密封在一段毛细管光纤中，构成微流体激光耦合装置，以保证激光器输出的激光束在壁中波导光纤中传输，微量注射泵泵射的微流体经微流体导管被泵入带孔光纤的孔中传输。

3、将激光器与传输光纤相连接，将微量注射泵与微流体导管相连接，组成如图1所示的光纤光路。

4、将处理好的壁中波导光纤浸入内有黑球吸收性粒子的背景液体甘油中。所使用的吸收性粒子黑球内部由二氧化硅组成，外部被碳粉包裹，粒子尺寸大于壁中波导光纤的纤芯外环直径，更大于空气孔直径，外观纯黑色。

5、打开980nm光纤激光器，激光器尾纤通过壁中波导光纤纤芯尾纤出射，使得出射光束与吸收性黑球同轴并照射到吸收性黑球上，在980nm激光的作用下控制吸收性粒子，并且可以通过调节980nm激光功率改变黑球距离光纤端的距离，实现对壁中波导光纤微流体通道的关闭和打开，如图3所示关闭状态，实现基于光泳效应的微流体开关。同样可以控制黑球与壁中波导光纤微流体通道的缝隙，控制微流体的流出速度。

综上，本发明公开了一种基于光泳效应的微流开关，利用吸收性粒子在液体中所受的光泳力控制吸收性粒子的位置，实现对微流体通道开关的功能。基于光泳效应的光纤微流体开关，对吸收性粒子实现控制的光泳力由粒子和周围介质之间的热交换决定，其包括激光器、传输光纤、微流体激光耦合装置、带孔光纤、吸收性粒子、微流体导管、微量注射泵。本发明利用吸收性粒子的光泳效应实现光控微流开关，可以实时在线且灵活的控制微流体通道的打开与关闭，该微流体开关结构简单易于实现集成化，成本低廉，操作方便。

Claims (5)

1.一种基于光泳效应的微流开关，其特征在于：包括激光器、传输光纤、微流体激光耦合装置、带孔光纤、吸收性粒子、微流体导管、微量注射泵，激光器尾纤连接传输光纤通过微流体激光耦合装置将激光耦合入带孔光纤的纤芯中，经带孔光纤传输后作用到处于微流体通道输出口的吸收性粒子上，微量注射泵泵出的微流体经微流体导管通过微流体激光耦合装置泵入带孔光纤孔中形成微流通道，利用吸收性粒子和周围介质之间的热交换产生的光泳力实现对吸收性粒子的控制，吸收性粒子所受的光泳力大小与光功率密度相关，通过调节带孔光纤输出功率可以调整吸收性粒子的位置，实现基于光泳效应的微流体开关。

2.根据权利要求1所述的一种基于光泳效应的微流开关，其特征在于：微流体激光耦合装置将微加工的传输光纤对芯焊接带孔光纤纤芯的焊点和微流体导管的一端用胶共同密封在一段毛细管内，保证激光器的激光通过传输光纤耦合进入带孔光纤的纤芯中传输，且微量注射泵泵射的微流体经微流体导管被泵入带孔光纤的孔中传输。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于光泳效应的微流开关，其特征在于：所述带孔光纤是带有孔洞微流通道的光纤，具体是壁中波导光纤或光子晶体光纤或内壁波导光纤，光纤纤芯中心对称分布，且对称中心与孔洞同轴。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于光泳效应的微流开关，其特征在于：所述吸收性粒子为开关带孔光纤的微流体通道的阀门，其直径大于带孔光纤的微流体通道直径，且保证带孔光纤纤芯出射的激光能够照射到吸收性粒子上。

5.根据权利要求3所述的一种基于光泳效应的微流开关，其特征在于：所述吸收性粒子为开关带孔光纤的微流体通道的阀门，其直径大于带孔光纤的微流体通道直径，且保证带孔光纤纤芯出射的激光能够照射到吸收性粒子上。

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