CN114453038A - 一种基于双光纤和对撞流的光流控分选微纳颗粒芯片 - Google Patents

一种基于双光纤和对撞流的光流控分选微纳颗粒芯片 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于双光纤和对撞流的光流控分选微纳颗粒芯片，包括光学分选腔，所述光学分选腔的第一侧通过对撞流道与对撞流入口连接，所述光学分选腔的第二侧布置有至少一个鞘液流入口和样品流入口，所述鞘液流入口、所述样品流入口分别与鞘液流道、样品流道连接，所述鞘液流道与所述样品流道合并后为聚焦流道，所述聚焦流道的中心线与所述对撞流道的中心线在同一直线上，所述聚焦流道与光学分选腔连接，所述光学分选腔的其它侧面还布置有激光发射模组，以及大粒子出口、小粒子出口。本发明结合了光力和微流控技术的优点，通过对光场和流场两个部分进行改进，提高了微纳颗粒的分选效率，保证了分选精度，结构简单，操作简易。

Description

一种基于双光纤和对撞流的光流控分选微纳颗粒芯片
技术领域
本发明涉及光流控芯片技术领域，特别涉及一种基于双光纤和对撞流的光流控分选微纳颗粒芯片。
背景技术
微纳颗粒因为具有独特的物理、化学和生物性质，在许多应用领域扮演着越来越重要作用，例如：DNA检测、药物运输、生化传感技术、先进光谱技术。在所有这些应用中，微纳颗粒的功能与其形貌和尺寸有着很大的相关性。然而，现有的很多合成方法产出来的微纳颗粒有较大的尺寸分散性，不能生产出单一性良好的微纳颗粒，而且生产过程中很容易受到实验条件，比如温度、湿度的影响。因此，亟需一种分离微纳颗粒的方法来得到单一性较高的微纳颗粒，使其可以更好的应用于各种特别的用途。
现有技术中，已有很多种分离方法被应用到微纳颗粒的分离中，例如：离心分离法、电泳分离法、磁泳分离法、化学分离法和尺寸筛选法。通常，离心分离法因其操作简单和产率高成为最常用的分离方法之一。然而离心分离由于分离精度较低限制其进一步的应用。其他方法也由于其自身的局限性很少应用于微纳颗粒的分离。在微纳颗粒中，光力分离已经被证明是十分有效的方法，例如：在静水中分离100nm/150nm和100nm/250nm的金纳米颗粒。现有的基于光力的分选方法中，已经有所应用的包括：基于激光的垂直分离法、贝塞尔光束法、光子晶体分离法、光学层析法。大多数方法只是从光场的部分进行了创新，而应用光力分选微纳颗粒的主要问题在于光力需要足够长的作用时间才能达到分选的效果，所以现有的方法通常是在静止或较低流速的微流控芯片中进行分选，虽然分选的精度很高，但是效率较低，限制其应用范围。提高效率需要在现有的分选方法基础上，对光场和流场两个部分进行针对性的改进。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
本发明的目的是：针对上述背景技术中存在的不足，提供一种更高效率分选微纳颗粒的光流控芯片。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于双光纤和对撞流的光流控分选微纳颗粒芯片，包括光学分选腔，所述光学分选腔的第一侧通过对撞流道与对撞流入口连接，所述光学分选腔的第二侧布置有至少一个鞘液流入口和样品流入口，所述鞘液流入口、所述样品流入口分别与鞘液流道、样品流道连接，所述鞘液流道与所述样品流道合并后为聚焦流道，所述聚焦流道的中心线与所述对撞流道的中心线在同一直线上，所述聚焦流道与光学分选腔连接，所述光学分选腔的其它侧面还布置有激光发射模组，以及大粒子出口、小粒子出口。
进一步地，所述光学分选腔为八边形腔。
进一步地，所述鞘液流入口、所述鞘液流道均布置两个，分别为第一鞘液流入口、第二鞘液流入口，所述第一鞘液流入口、所述第二鞘液流入口分别与第一鞘液流道、第二鞘液流道连接，所述聚焦流道中通过两股鞘液流的挤压，形成水力聚焦，将样品粒子限制在中线偏向所述小粒子出口一侧的区域内。
进一步地，所述光学分选腔的宽度为300μm，所述样品流流道宽度为50μm，所述鞘液流道、所述聚焦流道、所述对撞流道的宽度均为100μm。
进一步地，所述样品流入口的流速为0.05μL/min，所述第一鞘液流入口、所述第二鞘液流入口的流速分别为0.32μL/min、0.27μL/min，所述对撞流入口的流速为0.64μL/min。
进一步地，所述激光发射模组设置两组，且具有预设的夹角。
进一步地，所述激光发射模组包括固定光纤的光纤槽，所述光纤槽的前方布置准直透镜。
进一步地，其中一个所述激光发射模组与所述聚焦流道垂直，且与所述光学分选腔的中心有20-30μm的横向偏移距离，另一个所述激光发射模组与所述光学分选腔的中线夹角为60°，所述激光发射模组的功率为400mW，所述准直透镜为准直凹透镜，本体折射率为1.0且环境折射率为1.41，所述光纤槽的宽度为100μm。
进一步地，各个入口均通入去离子水，所述样品流入口的去离子水加入待分选的样品。
进一步地，所述待分选的样品为介电颗粒或金属颗粒或活体细胞生物材料。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
本发明提供的基于双光纤和对撞流的光流控分选微纳颗粒芯片，总体上是从两个部分进行改进的；光场方面，通过使用双光纤结构，增加了对微纳颗粒的光散射力，缩短了作用时间；流场方面，利用对撞流与聚焦流对撞减速，使光学分选腔的中心区域流速极为缓慢，为光学散射力产生分选作用提供了足够长的时间；在整个系统中，其他区域流速较高，仅仅只有中心区域流速极低，所以在保证足够长的作用时间的同时，显著提高了系统的分选效率；
本发明相比较于现有的基于光力分选的方案来说，结合了光力和微流控技术的优点，通过对光场和流场两个部分进行改进，提高了分选效率，保证了分选精度，结构简单，操作简易；
本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为实施例2中在低激光功率(80mW)时粒子的轨迹图；
图3为实施例2中在分选激光功率(400mW)时粒子的轨迹图。
【附图标记说明】
1-第一鞘液流入口；2-第二鞘液流入口；3-样品流入口；4-第一鞘液流道；5-样品流道；6-第二鞘液流道；7-聚焦流道；8-光学分选腔；9-对撞流入口；10-对撞流道；11-大粒子出口；12-小粒子出口；13-准直透镜；14-光纤槽；15-第一激光光路；16-第二激光光路。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等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，而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”、“第三”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，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是锁定连接，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。
实施例1：
如图1所示，本发明的实施例1提供了一种基于双光纤和对撞流的光流控分选微纳颗粒芯片，包括八边形的光学分选腔8，在光学分选腔8的第一侧通过对撞流道10与对撞流入口9连接，第二侧布置有第一鞘液流入口1、第二鞘液流入口2和样品流入口3，分别与第一鞘液流道4、第二鞘液流道6、样品流道5连接，三个流道合并后为聚焦流道7且中心线与对撞流道10的中心线在同一直线上，聚焦流道7与光学分选腔8连接；在光学分选腔8处还布置有两个带准直透镜13的光纤槽14，以及大粒子出口11、小粒子出口12。
因此，该光流控芯片包括四个入口，使用时所有入口均通入去离子水，其中样品流入口3的去离子水加入待分选的样品。由于光流控芯片是一个沿着中线对称的系统，样品流在中线(图中虚线)下方，所以在未开启激光时，样品全部流入小粒子出口12。依靠入口处的两股鞘液流的挤压，形成水力聚焦，将样品粒子限制在中线偏下一层较窄的区域内，使其有序的通过光学分选腔8进行分选。
本实施例提供的光流控芯片工作时，通过显微镜可以观察到一连串的样品粒子流过光学分选腔8，当样品中的大粒子流过来时，在光散射力的作用下，大粒子会偏转而进入预设的大粒子出口11，而小粒子受力较小流入小粒子出口12，从而达到对特定微纳颗粒进行分选的效果。
在光学分选腔8内，对撞流入口9与其他入口的流体在此处进行对撞，在其中心区域由于对撞，流速变得极为缓慢，而其他区域流速仍然很高。在没有光学散射力时，粒子都会流入小粒子出口12。通过在上述的中心区域引入光学散射力，会在保证高平均速率的前提下大大提升光学散射力的作用时间，并且使用两组光纤来增加光散射力，相比较于单组光纤增加了约1.86倍，进一步减少了光散射力产生作用的时间(实例中产生分选作用的时间不到100ms)，从而提高了该芯片的分选效率。
本实施例提供的光流控芯片，总体上是从两个部分进行改进的。光场方面，通过使用双光纤结构，增加了对微纳颗粒的光散射力，从而缩短了作用时间。流场方面，利用对撞流与聚焦流对撞减速，使光学分选腔8的中心区域流速极为缓慢，为光学散射力产生分选作用提供了足够长的时间。在整个系统中，其他区域流速较高，仅仅只有中心区域流速极低，所以在保证足够长的作用时间的同时，显著提高了系统的分选效率。
相比较于现有的基于光力分选的方案大都在光场部分进行改进，普遍存在效率偏低的问题，本实施例提供的光流控芯片结合了光力和微流控技术的优点，通过对光场和流场两个部分进行改进，提高了分选效率，保证了分选精度，结构简单，操作简易。
在本实施例中，带准直透镜13的光纤槽14包括一个本体折射率为1.0且环境折射率为1.41的准直凹透镜和宽度为100μm的光纤凹槽。其中一个光纤槽14与聚焦流道7垂直，且与光学分选腔8中心有20-30μm的横向偏移距离，另一个光纤槽14与光学分选腔8的中线夹角为60°，横向偏移与角度的多少可以针对具体状况进行最优化调整，以获取最佳的分选效果。
其中，光纤槽14用来固定光纤，激光通过准直透镜13进行聚焦之后，第一激光光路15、第二激光光路16的作用宽度范围均为25-35μm。光纤槽14的位置是由“停滞区域”确定的，一般会偏离中心点数微米，可以进行最优化设计最终确定。
在本实施例中，两个鞘液流入口通入的流体流速较高，对样品流入口3的流体进行水力聚焦，将微纳颗粒限制在中线偏下一层较窄的区域，并且能够提高微纳颗粒的速度(本实施例中为790μm/s)。
在本实施例中，样品流道5宽度优选为50μm，第一鞘液流道4、第二鞘液流道6、聚焦流道7、对撞流道10的宽度均优选为100μm，光学分选腔8的宽度优选为300μm。
本实施例提供的光流控芯片，模板由光刻技术制成，芯片由PDMS材料制成。
本实施例提供的光流控芯片，分选的样品可以是介电颗粒或金属颗粒或活体细胞生物材料。
实施例2：
本发明的实施例2提供了实施例1中光流控芯片的一个具体分选应用实例。其中，样品流入口3流速为0.05μL/min，鞘液流入口流速分别为0.32μL/min、0.27μL/min，对撞流入口9为0.64μL/min，分选激光功率为430mW。
该实例分选了直径1.1μm和3.4μm的聚苯乙烯微球。实验过程中可以对芯片尺寸进行调整，总体上只要保证有对撞流和水力聚焦的效果，在此基础上进行优化即可。
具体包括以下实验步骤：
步骤一，打开532nm激光器，待激光器预热好以后，缓慢调节激光器功率按钮，将光强调制较弱位置(约80mW)；
步骤二，开启微流注射泵，同时通入微纳颗粒样品和去离子水溶液，通过观察粒子的散射光的暗场图来观察粒子在流道中的位置，如果样品不在预想的地方，检查整个装置的连接是否合理以及流道中是否有气泡，做出相应的调整；
步骤三，当样品在预想的地方以后，逐渐增加激光器光强，增加光强的同时，观察实验过程，当出现理想的分选现象时，停止增加光强，记录实验数据和拍摄实验过程并保存。
图2是在低激光功率(80mW)时粒子的轨迹图，从图中可以看出，在低激光功率的情况下，大、小粒子均从小粒子出口11流出，并且由于流体的对撞在光学分选腔中心产生一个“停滞区域”，粒子有一个很明显降速过程，离开该区域后，粒子加速离开。
图3是在分选激光功率(400mW)时粒子的轨迹图，从图中可以看出，大粒子由于受到的力较大而被推向大粒子出口12，而小粒子受到的力较小仍然流入小粒子出口11，成功实现了大、小粒子的分选，并且产生分选作用的时间不到100ms。
实施例3：
本发明的实施例3提供了实施例1的光控流芯片的制作方法，先使用L-Edit软件将芯片结构制图，制作芯片模板，然后制作PDMS芯片，具体步骤如下：
步骤一：PDMS加固化剂(10：1，目前模具制作一批芯片约需PDMS 25～30g)搅拌至绵密气泡，将PDMS溶液倒入芯片模板，加盖，放入真空泵(理论真空度约-0.1MPa)抽真空至无明显气泡(一小时左右)；
步骤二：放入电热恒温干燥箱(一般设定温度75℃，必要时可适当提高温度以缩短固化时间，最高不超过85℃)使芯片固化(一小时左右)；
步骤三：待芯片自然冷却后切割芯片，打孔，放至显微镜下观察其通道是否堵塞；
步骤四：粘合芯片与载玻片并放入电热恒温干燥箱固化(四小时以上)。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于双光纤和对撞流的光流控分选微纳颗粒芯片，其特征在于，包括光学分选腔，所述光学分选腔的第一侧通过对撞流道与对撞流入口连接，所述光学分选腔的第二侧布置有至少一个鞘液流入口和样品流入口，所述鞘液流入口、所述样品流入口分别与鞘液流道、样品流道连接，所述鞘液流道与所述样品流道合并后为聚焦流道，所述聚焦流道的中心线与所述对撞流道的中心线在同一直线上，所述聚焦流道与光学分选腔连接，所述光学分选腔的其它侧面还布置有激光发射模组，以及大粒子出口、小粒子出口。
2.根据权利要求1所述的一种基于双光纤和对撞流的光流控分选微纳颗粒芯片，其特征在于，所述光学分选腔为八边形腔。
3.根据权利要求1所述的一种基于双光纤和对撞流的光流控分选微纳颗粒芯片，其特征在于，所述鞘液流入口、所述鞘液流道均布置两个，分别为第一鞘液流入口、第二鞘液流入口，所述第一鞘液流入口、所述第二鞘液流入口分别与第一鞘液流道、第二鞘液流道连接，所述聚焦流道中通过两股鞘液流的挤压，形成水力聚焦，将样品粒子限制在中线偏向所述小粒子出口一侧的区域内。
4.根据权利要求3所述的一种基于双光纤和对撞流的光流控分选微纳颗粒芯片，其特征在于，所述光学分选腔的宽度为300μm，所述样品流流道宽度为50μm，所述鞘液流道、所述聚焦流道、所述对撞流道的宽度均为100μm。
5.根据权利要求3所述的一种基于双光纤和对撞流的光流控分选微纳颗粒芯片，其特征在于，所述样品流入口的流速为0.05μL/min，所述第一鞘液流入口、所述第二鞘液流入口的流速分别为0.32μL/min、0.27μL/min，所述对撞流入口的流速为0.64μL/min。
6.根据权利要求1所述的一种基于双光纤和对撞流的光流控分选微纳颗粒芯片，其特征在于，所述激光发射模组设置两组，且具有预设的夹角。
7.根据权利要求6所述的一种基于双光纤和对撞流的光流控分选微纳颗粒芯片，其特征在于，所述激光发射模组包括固定光纤的光纤槽，所述光纤槽的前方布置准直透镜。
8.根据权利要求7所述的一种基于双光纤和对撞流的光流控分选微纳颗粒芯片，其特征在于，其中一个所述激光发射模组与所述聚焦流道垂直，且与所述光学分选腔的中心有20-30μm的横向偏移距离，另一个所述激光发射模组与所述光学分选腔的中线夹角为60°，所述激光发射模组的功率为400mW，所述准直透镜为准直凹透镜，本体折射率为1.0且环境折射率为1.41，所述光纤槽的宽度为100μm。
9.根据权利要求1所述的一种基于双光纤和对撞流的光流控分选微纳颗粒芯片，其特征在于，各个入口均通入去离子水，所述样品流入口的去离子水加入待分选的样品。
10.根据权利要求9所述的一种基于双光纤和对撞流的光流控分选微纳颗粒芯片，其特征在于，所述待分选的样品为介电颗粒或金属颗粒或活体细胞生物材料。
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赵浩宇: "用于光动力的微结构光纤理论研究", 《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *

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