CN114216402A - 一种测量表面张力引起的软基体微变形的方法和装置 - Google Patents

一种测量表面张力引起的软基体微变形的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种测量表面张力引起的软基体微变形的方法和装置，包括，光学平台以及平整的设置在所述光学平台上的激光器和高速摄像机，其特征在于：所述光学平台上可活动的设置有实验样品，且所述实验样品的上表面平整的涂覆有含单分散荧光微球的软基体；所述软基体上滴加有液滴；所述激光器的光束照射在所述软基体被所述液滴覆盖的区域内；所述高速摄像机的镜头聚焦于所述软基体被所述液滴覆盖的区域。本发明具有操作便捷、测量精度高、能实时测量“润湿脊”变形的有益效果。

Description

一种测量表面张力引起的软基体微变形的方法和装置
技术领域
本发明涉及软基体微变形测量，更具体的说，本发明涉及一种测量表面张力引起的软基体微变形的方法和装置。
背景技术
微流体控制系统是指把整个分析实验室的功能集成在一块只有几平方厘米的薄片上，实现常规化学或生物实验室的所有功能，在生物分析，工业技术，人工智能等领域具有广泛的应用。近年来，随着对柔性器件的强烈需求，柔性微流体控制系统成为未来的发展方向。基于微液滴的柔性微流体操作已经应用于从基础生物化学分析到临床和护理点诊断的各种研究领域。柔性微流体控制系统形式多样，但是其主要功能是在软基体表面实现微液滴的产生、输送、分裂和合并。然而，随着微流体控制设备集成化、微型化的进一步发展，微观尺度上的固液界面行为变的更加复杂，对系统的稳定性、可靠性产生极大的影响，已成为微流体控制从实验室走向应用的技术瓶颈。
对于弹性模量较低的软基体，微液滴表面张力会使软基体产生变形并形成“润湿脊”。“润湿脊”不仅具有动态变化特性，还会增加固液界面黏附力，从而导致微液滴运动过程中的固液界面摩擦行为和能量耗散行为发生显著变化。然而在早期的工作中，对于“润湿脊”的形态的测量方法是很缺乏的。目前，对于微观尺度下的软基体的变形通常使用白光干涉轮廓仪、共焦显微镜和X-ray显微镜等科研设备进行成像研究。白光干涉轮廓仪装置主要通过移动显微镜中的白光来观察液滴在软基体表面的变形形状与高度，这种方法操作简单，数据直观，测量精度较高，但是在以上实验中，需要在成像之前将液滴从基板上去除，而液滴在去除后其高度会开始恢复，因此，测量的“润湿脊”轮廓不能反映原始的基体变形。从那时起，许多研究人员试图利用共聚焦显微镜来观察“润湿脊”的变形形状和高度，然而，由于分辨率有限，直接观测“润湿脊”以精确测量接触角是很难实现的。例如，由于接触线附近变形的强光散射超过了检测极限，共聚焦显微镜未能直接在固液界面接触线附近可视化。最近，部分研究者通过X-ray显微镜直接观察了液滴在硅凝胶上“润湿脊”的尖端区域，与上述其他技术相比，该技术可以精确测量液体、固体和气体接触时“润湿脊”的形成过程和变形高度，但是，根据临床研究，X射线的电离辐射,对人体是有损伤的,接触射线的时间越长,致病的危险性就越大。此外，X-ray显微镜属于精密仪器，对操作人员、试验环境、试验过程、试验样品等都提出了极高的要求，微小的变化因素会造成很大的实验误差。不仅如此，每次实验使用X射线的拍摄都需较高的成本。因此，亟待开发一种操作便捷、测量精度高、能实时测量“润湿脊”变形的方法和装置，用于精确快速的测量微液滴/软基体界面的微变形。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种测量表面张力引起的软基体微变形的装置，包括，光学平台以及平整的设置在所述光学平台上的激光器和高速摄像机，其特征在于：所述光学平台上可活动的设置有实验样品，且所述实验样品的上表面平整的涂覆有含单分散荧光微球的软基体；
所述软基体上滴加有液滴；
所述激光器的光束照射在所述软基体被所述液滴覆盖的区域内；
所述高速摄像机的镜头聚焦于所述软基体被所述液滴覆盖的区域。
优选的是，其中，所述光学平台上可活动的设置有试验样品的方式为：所述光学平台上还平整的放置有电动位移平台，所述实验样品平整的放置在所述电动位移平台的水平底座上，所述试验样品通过所述电动位移平台可活动的设置在所述光学平台上。
优选的是，其中，还包括，滤波片，其固定连接在所述高速摄像机的镜头前。
优选的是，其中，所述实验样品的下端粘合有平整的铜板。
优选的是，其中，所述实验样品设置为上表面镀有300nm SiO2的硅片。
优选的是，其中，所述软基体内含有所述单分散荧光微球的比例为：每10ML液相所述软基体中含有不少于100μL的所述单分散荧光微珠，且所述单分散荧光微珠的直径为2μm。
优选的是，其中，所述激光器设置为片光源激光器，且所述片光源激光器的功率为1.5W。
一种测量表面张力引起的软基体微变形的方法，包括以下步骤：
步骤一、对实验样品进行清洗和干燥处理，保证所述实验样品表面干净清洁，将加入单分散荧光微珠的液相软基体材料涂覆在所述实验样品的上表面，加热固化后得到实验所需标准实验样品；
步骤二、将步骤一中得到的所述标准实验样品底部通过凝胶粘接在铜板上，并将铜板平整的放置在电动位移平台的水平底座上；
步骤三、将滤波片固定连接在高速摄像机的镜头前，调整激光器的位置使其光束能够聚焦到所述软基体的界面；
步骤四、在所述标准实验样品表面滴加待测去离子水液滴，开启所述激光器使其激发所述单分散荧光微珠，通过所述电动位移平台移动所述标准试验样品进行微调，使所述激光器的光束照射在所述软基底被所述去离子液滴覆盖的区域；开启所述高速摄像头记录实验过程，通过与所述高速摄像头连接的可视化软件测量“润湿脊”形状与高度。
优选的是，其中，所述实验样品的制备方法为：将表面镀有300nm的SiO2涂层的硅片切割为30*30mm的实验样品，随后对实验样品进行超声波清洗5min，用吸水纸吸取表面的水分，将其干燥，保持表面干净清洁。
优选的是，其中，将液相所述软基体材料涂覆在所述实验样品上表面的方法为：将所述实验样品置于台式匀胶机，旋涂已去除气泡后的液相所述软基体；所述台式匀胶机旋涂参数如下：低速500r/min状态下旋涂20s，最后将旋涂过液相所述软基体的所述硅实验样品放置于120℃烤箱中烘烤2h后待其自然冷却，得到所述标准实验样品。
本发明至少包括以下有益效果：
其一，本发明的方法无需价格昂贵的实验器材，操作简单，精度高，具有极高的实用价值。
其二，实验样品的制造简单，成本低廉，实验人员可根据实际的情况灵活调整。
其三，仪器的尺寸大小能满足更小型和更高密度安装的设计需要，满足液相测试环境，测试方法简单，可操作性强，实验结果精确，有助于减少组装工序和增强可靠性。
其四，实验过程可在常温、常压下进行，无需无尘、恒温等特殊的实验环境；同时是一种高效率动作，可是实时观察固液界面滑移、分离时的动态变化，可大幅度提高实验效率且适用范围广。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的系统结构示意图。
图3为本发明的实验样品结构示意图。
图4为本发明的高速摄像机结构示意图。
图5为本发明实施例的结果示意图。
图6为本发明实施例中经MATLAB程序处理后的结果示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
图1示出了本发明的一种实现形式，其中包括：
光学平台1以及平整的设置在所述光学平台1上的激光器3和高速摄像机4，其特征在于：所述光学平台1上可活动的设置有实验样品5，且所述实验样品5的上表面平整的涂覆有含单分散荧光微球的软基体6；
所述软基体6上滴加有液滴7；
所述激光器3的光束照射在所述软基体6被所述液滴7覆盖的区域内；
所述高速摄像机4的镜头聚焦于所述软基体6被所述液滴覆盖7的区域。
工作原理：将液相软基体6中按照一定的比例添加单分散荧光微球，再将含有单分散荧光微球的液相软基体6均匀平整的涂覆在实验样品5的上表面。待液相软基体6固化形成软基体6后，将实验样品5可活动的放置在光学平台1上。调整激光器3位置使其光束能够聚焦到软基体6的界面，而后在软基体6的表面滴加待测的液滴7。开启激光器3使其激发单分散荧光微珠进行成像，并移动试验样品5进行微调，使激光器3的光束照射在软基体6上被液滴7覆盖的区域；开启所述高速摄像头4记录实验过程，再通过可视化软件实时测量高速摄像头4记录的“润湿脊”形状与高度。在这种技术方案中，能够实时测量“润湿脊”变形，具有操作便捷、测量精度高的有利之处。
如上述方案中，所述光学平台1上可活动的设置有试验样品5的方式为：所述光学平台1上还平整的放置有电动位移平台2，所述实验样品5平整的放置在所述电动位移平台2的水平底座上，所述试验样品5通过所述电动位移平台2可活动的设置在所述光学平台1上。在进行微调实时，通过电动位移平台2能够平稳的移动实验样品5，并且通过电动位移平台2便于控制实验样品5的移动距离，达到理想的微调效果。
如上述方案中，还包括，滤波片41，其固定连接在所述高速摄像机4的镜头前。单分散荧光微球受激光器3的光速激发后，高速摄像机4通过滤波片41过滤掉较短的光，提升成像的清晰度，具有保障测量效果的有利之处。
如上述方案中，所述实验样品5的下端粘合有平整的铜板51。通过铜板51隔绝实验样品5与其他器材接触，防止实验样品5受到污染，同时防止实验样品5与器材接触产生化学反应，影响最终的测量准确性。
如上述方案中，所述实验样品5设置为上表面镀有300nm SiO2的硅片5。利用硅片5的平整度便于涂覆液相软基体6，且硅方便切割、成本低廉，在硅片5的上表面镀300nm的SiO2，防止硅片5与软基体6之间产生化学反应，影响最终的测量数据。
如上述方案中，所述软基体6内含有所述单分散荧光微球的比例为：每10ML液相所述软基体6中含有不少于100μL的所述单分散荧光微珠，且所述单分散荧光微珠的直径为2μm。采用这种方式保障含有单分散荧光微珠的软基体6在高速摄像机4下的成像效果，便于工作人员进行测量，提高测量的精确度。
如上述方案中，所述激光器3设置为片光源激光器3，且所述片光源激光器3的功率为1.5W。采用这种方式具有保障成像效果、提高测量数据准确性的有利之处。
实施例：
步骤一：将表面镀有300nm的SiO2涂层的硅片切割为30*30mm实验样品，随后对实验样品进行超声波清洗5min，用吸水纸吸取表面的水分，将其干燥，保持表面干净清洁；
步骤二：采用精密天平对道康宁Sylgard 184的A剂与B剂以30:1的质量比进行配比得到实验室标准用品液相PDMS，在10ML液相PDMS中加入100μL直径为2μm单分散荧光微珠并用玻璃棒进行混合搅拌至均匀，将搅拌均匀的液相PDMS放置真空干燥箱中去除气泡；
步骤三：将步骤一中干净清洁的实验样品置于台式匀胶机，旋涂已去除气泡后的液相PDMS。台式匀胶机旋涂参数如下：低速500r/min状态下旋涂20s，最后将旋涂过的实验样品放置于120℃烤箱中烘烤2h后待其自然冷却，得到标准实验样品；
步骤四：将一片50*50mm的标准铜板水平放置于电动位移平台上，将制作的标准实验样品PDMS使用凝胶粘结于铜板上；
步骤五：将滤波片安装于高速摄像机镜头上，将激光器放置于电动位移平台后方，调整激光器位置使其光束聚焦到PDMS软基体的界面；
步骤六：通过移液器将10μL的去离子水液滴加在PDMS软基体的表面，开启激光器，激光器的具体参数为：功率1.5W，片光源，等待5s后激光器中出现绿色光源，调整光源使其聚焦在去离子水液滴/软基体界面，调整高速摄像机焦距至4.5倍；
步骤七：通过在高速摄像头中观察到去离子水液滴/软基体界面变形的形态与三相接触线、接触角的变化过程，将去离子水液滴在软基体表面的变形高度以及三相接触线通过图像S-EYE软件转换为图片，得到如图5所示的结果；
步骤八：通过MATLAB中的编制程序，将步骤七中得到的图片进行特殊处理得到如图6所示的结果，直观的观察到PDMS软基体的微变形。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种测量表面张力引起的软基体微变形的装置，包括，光学平台以及平整的设置在所述光学平台上的激光器和高速摄像机，其特征在于：所述光学平台上可活动的设置有实验样品，且所述实验样品的上表面平整的涂覆有含单分散荧光微球的软基体；
所述软基体上滴加有液滴；
所述激光器的光束照射在所述软基体被所述液滴覆盖的区域内；
所述高速摄像机的镜头聚焦于所述软基体被所述液滴覆盖的区域。
2.根据权利要求1所述一种测量表面张力引起的软基体微变形的装置，其特征在于，所述光学平台上可活动的设置有试验样品的方式为：所述光学平台上还平整的放置有电动位移平台，所述实验样品平整的放置在所述电动位移平台的水平底座上，所述试验样品通过所述电动位移平台可活动的设置在所述光学平台上。
3.根据权利要求1所述一种测量表面张力引起的软基体微变形的装置，其特征在于，还包括，滤波片，其固定连接在所述高速摄像机的镜头前。
4.根据权利要求1所述一种测量表面张力引起的软基体微变形的装置，其特征在于，所述实验样品的下端粘合有平整的铜板。
5.根据权利要求1所述一种测量表面张力引起的软基体微变形的装置，其特征在于，所述实验样品设置为上表面镀有300nm SiO2的硅片。
6.根据权利要求1所述一种测量表面张力引起的软基体微变形的装置，其特征在于，所述软基体内含有所述单分散荧光微球的比例为：每10ML液相所述软基体中含有不少于100μL的所述单分散荧光微珠，且所述单分散荧光微珠的直径为2μm。
7.根据权利要求1所述一种测量表面张力引起的软基体微变形的装置，其特征在于，所述激光器设置为片光源激光器，且所述片光源激光器的功率为1.5W。
8.一种采用如权利要求1～7任一项所述的装置测量表面张力引起的软基体微变形的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、对实验样品进行清洗和干燥处理，保证所述实验样品表面干净清洁，将加入单分散荧光微珠的液相软基体材料涂覆在所述实验样品的上表面，加热固化后得到实验所需标准实验样品；
步骤二、将步骤一中得到的所述标准实验样品底部通过凝胶粘接在铜板上，并将铜板平整的放置在电动位移平台的水平底座上；
步骤三、将滤波片固定连接在高速摄像机的镜头前，调整激光器的位置使其光束能够聚焦到所述软基体的界面；
步骤四、在所述标准实验样品表面滴加待测去离子水液滴，开启所述激光器使其激发所述单分散荧光微珠，通过所述电动位移平台移动所述标准试验样品进行微调，使所述激光器的光束照射在所述软基底被所述去离子液滴覆盖的区域；开启所述高速摄像头记录实验过程，通过与所述高速摄像头连接的可视化软件测量“润湿脊”形状与高度。
9.根据权利要求8所述一种测量表面张力引起的软基体微变形的方法，其特征在于，所述实验样品的制备方法为：将表面镀有300nm的SiO2涂层的硅片切割为30*30mm的实验样品，随后对实验样品进行超声波清洗5min，用吸水纸吸取表面的水分，将其干燥，保持表面干净清洁。
10.根据权利要求9所述一种测量表面张力引起的软基体微变形的方法，其特征在于，将液相所述软基体材料涂覆在所述实验样品上表面的方法为：将所述实验样品置于台式匀胶机，旋涂已去除气泡后的液相所述软基体；所述台式匀胶机旋涂参数如下：低速500r/min状态下旋涂20s，最后将旋涂过液相所述软基体的所述硅实验样品放置于120℃烤箱中烘烤2h后待其自然冷却，得到所述标准实验样品。
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