一種基於鈮酸鋰夾層結構晶片的實時可控微液滴陣列化裝置及方法與流程
2023-10-23 21:29:42
本發明涉及一種微液滴操控技術，具體是一種基於鈮酸鋰夾層結構晶片的實時可控微液滴陣列化裝置及方法。
背景技術：
隨著微流控晶片的迅速發展，微液滴操控已經成為該領域的研究熱點。微液滴操控技術主要應用於生物、化學、製藥等過程中微量樣品的分析及檢測，它主要涉及微量試劑的輸運、混合及分離等。它對生物醫療、藥物診斷、食品衛生、環境監測以及分子生物學等領域的發展具有非常重要的意義。
2006年utkandemirci(acousticpicoliterdropletsforemergingapplicationsinsemiconductorindustryandbiotechnology，journalofmicroelectromechanicalsystems，15，957-966(2006))通過利用聲表面波疊加克服表面張力實現了微液滴的陣列化。該方法需要在壓電基底上製備叉指換能器，成本高、工藝複雜，且液體介質與叉指換能器直接接觸，會對其造成汙染。
2010年秦建華利用浮力和表面張力將高通量微液滴固定，實現了微液滴的陣列化(申請公布號為：cn102259040a)。該方法先將連續相和分散相分別注入微流控晶片，繼而在t型微液滴生成區形成連續的單分散性微液滴；在注射泵驅動下微液滴繼續流動並進入液滴捕獲器陣列，通過浮力和表面張力被捕獲，後續液滴從已固定液滴的液滴捕獲器下方通道流過，被順序地捕獲於後續的液滴捕獲器中。此方法原理雖然簡單，但前期需製備t型微液滴生成區，加工工藝複雜，在微液滴陣列形成的過程中需將連續相和分散相混合，容易造成交叉汙染，另外，該方法微液滴陣列中的每個微液滴不能同時形成(即不能一次性形成微液滴陣列)，且不能對捕獲後的微液滴進行輸運，嚴重限制了應用。
2014年李會增利用界面潤溼技術實現了微液滴分離及微陣列的製備(申請公布號為：cn105689026a)。該方法需通過光刻技術在基底表面構築圖案化的親水性區域和疏水性區域，以0-650μn的壓力和1-20mm/s的速度在基底表面拖動液滴，形成微液滴陣列，工藝過程複雜而且拖動液滴的壓力和速度不好控制，不能保證陣列化後微液滴體積的均勻性。
2015年張旻提出了一種利用氣壓驅動產生微液滴陣列的方法(申請公布號為：cn105381903a)。通過控制進氣孔和排氣孔控制閥的通斷，先使密封氣腔內的壓力升高至足以使液體擠出到分樣板的噴嘴處，隨後使密封氣腔內的壓力降低，進而使噴嘴處的液體斷裂形成液滴並噴出，承接於多孔板中。此方法需要較為複雜的外接驅動設備，並且需要設計製作導氣管、封閉氣腔等結構，該方法晶片製作工藝複雜，噴嘴結構易被堵塞、不易清潔，不能對該過程進行實時觀測，而且不能對分離出的微液滴進行合併及並行輸運操作。
技術實現要素：
目前已報導的微液滴陣列化方法存在諸多缺點，如：裝置成本高、晶片結構複雜；不能一次性形成體積均等的微液滴組成的陣列；陣列化後的微液滴不可合併、不可輸運；陣列化過程不能實時控制等。針對上述問題，本發明提供一種簡單、易行的微液滴陣列化方法，陣列化後的微液滴體積相等，而且可合併、可並行輸運，整個過程實時可控。
一種微液滴實時可控陣列化的裝置，其特徵在於：雷射器1、光闌2、空間濾波器3、透鏡(1)4、透鏡(2)5、掩膜6、半透半反鏡14、物鏡13、透明微動晶片平移臺12、鈮酸鋰夾層結構晶片11按順序形成微液滴陣列化光路；背景光源10、鈮酸鋰夾層結構晶片11、透明晶片微動平移臺12、物鏡13、半透半反鏡14、濾光片15、ccd相機(2)16按順序形成實時觀測光路；雷射器1、光闌2、空間濾波器3、透鏡(1)4、透鏡(2)5、掩膜6、分束器7、ccd相機(1)8、計算機9按順序形成光強實時探測光路，通過三條部分重合的光路實現微液滴陣列化、觀測及操控的同時進行。
一種實現微液滴陣列化的方法，其特徵在於：經透鏡(1)和透鏡(2)擴束並準直的雷射通過開有多個小孔的掩膜產生雷射光斑陣列，雷射光斑陣列經物鏡會聚於鈮酸鋰夾層結構晶片上，通過離焦操作，使各雷射光斑之間距離變大，實現微液滴的陣列化；通過ccd相機(1)檢測各雷射光斑功率，保證陣列化後的每個微液滴同時形成並且體積相等；通過聚焦操作，使各雷射光斑之間距離變小，實現陣列化後的微液滴合併；通過雷射光斑在鈮酸鋰夾層結構晶片上的掃描動作可實現陣列化後微液滴的並行輸運。
與現有技術相比，本發明的優點在於：基於鈮酸鋰夾層結構晶片以及物鏡雷射聚焦系統，裝置結構簡單、成本較低；可通過雷射光斑陣列使鈮酸鋰夾層結構晶片中的微液滴陣列化；該方法可保證陣列中的每個微液滴同時形成且體積相等；可實現陣列化後微液滴的合併及並行輸運；另外該方法整個過程實時可控。
附圖說明
圖1為本發明基於鈮酸鋰夾層結構晶片的微液滴實時可控陣列化方案的裝置整體結構示意圖。
圖2為本發明基於鈮酸鋰夾層結構晶片的微液滴實時可控陣列化方案的一種實施例(實施例1)的陣列化過程圖。
圖3為本發明基於鈮酸鋰夾層結構晶片的微液滴實時可控陣列化方案的一種實施例(實施例2)的陣列化過程圖。
圖4為本發明基於鈮酸鋰夾層結構晶片的微液滴實時可控陣列化方案的一種實施例(實施例3)的陣列化過程圖。
圖5為本發明基於鈮酸鋰夾層結構晶片的微液滴實時可控陣列化方案的一種實施例(實施例4)陣列化後的微液滴合併過程圖。
圖6為本發明基於鈮酸鋰夾層結構晶片的微液滴實時可控陣列化方案的一種實施例(實施例5)陣列化後的微液滴並行輸運效果圖。
具體實施方式
下面結合實施例和附圖對本發明做進一步說明。
本發明公開了一種微液滴實時可控陣列化的裝置及方法，該裝置包括：雷射器1、光闌2、空間濾波器3、透鏡(1)4、透鏡(2)5、掩膜6、分束器7、ccd相機(1)8、計算機9、背景光源10、鈮酸鋰夾層結構晶片11、透明微動晶片平移臺12、物鏡13、半透半反鏡14、濾光片15、ccd相機(2)16。雷射器1、光闌2、空間濾波器3、透鏡(1)4、透鏡(2)5、掩膜6、半透半反鏡14、物鏡13、透明微動晶片平移臺12、鈮酸鋰夾層結構晶片11按順序形成微液滴陣列化光路；背景光源10、鈮酸鋰夾層結構晶片11、透明微動晶片平移臺12、物鏡13、半透半反鏡14、濾光片15、ccd相機(2)16按順序形成實時觀測光路；雷射器1、光闌2、空間濾波器3、透鏡(1)4、透鏡(2)5、掩膜6、分束器7、ccd相機(1)8、計算機9按順序形成光強實時探測光路。
本發明公開了一種微液滴實時可控陣列化的裝置及方法，該方法的操作步驟為：將待陣列化的微液滴導入鈮酸鋰夾層結構晶片中，並將鈮酸鋰夾層結構晶片置於透明微動晶片平移臺上，調節透明微動晶片平移臺，使待陣列化的微液滴位於物鏡焦點附近，利用ccd相機(2)捕獲清晰的物象；打開雷射器，利用兩透鏡將光闌和空間濾波器調整的雷射擴束，並使擴束後的雷射通過開有多個小孔的掩膜形成雷射光斑陣列，調整光路使ccd相機(1)檢測到的每個雷射光斑功率相同；調節透明微動晶片平移臺使待陣列化微液滴的中心與聚焦雷射光斑重合，調節鈮酸鋰夾層結構晶片在豎直方向上的位置使其離焦，利用產生的雷射光斑陣列完成微液滴的陣列化過程；通過調節鈮酸鋰夾層結構晶片在豎直方向上的位置使其重新回到焦點處，實現陣列化後微液滴的合併；通過雷射光斑陣列在鈮酸鋰夾層結構晶片上的掃描動作實現陣列化後微液滴的並行輸運。
所述的雷射器1，要求其所發出的雷射照射在鈮酸鋰晶片上能有效地激發出載流子，故其波長應介於350～650nm，其功率應介於0.4～40mw；透鏡(1)的焦距應介於6～30mm，透鏡(2)的焦距應介於150～350mm；鈮酸鋰夾層結構晶片可選用鈮酸鋰晶片+c面對-c面或鈮酸鋰+c表面上蓋一片石英；物鏡12放大倍率介於5～30倍。
綜合上述並考慮元件的成本以及陣列化的效果，各參數的優選範圍是：雷射器波長應介於390～550nm，其雷射功率應介於8～20mw；透鏡(1)的焦距應介於10～20mm，透鏡(2)的焦距應介於200～300mm；鈮酸鋰夾層結構晶片選用鈮酸鋰晶片+c面對-c面；聚焦物鏡放大倍率介於6～20倍。
為保證光的正確傳播和測量精度，光路上所有光學元件和電子器件均固定在剛性連接架上。
本發明方案的工作原理：雷射照射鈮酸鋰晶片，會產生定向移動的光激載流子(電子)，由於光激載流子沿+c方向運動，使得+c面帶負電，-c面帶正電。
本方案中的夾層結構晶片由鈮酸鋰晶片+c面對-c面或鈮酸鋰晶片+c面和一片石英平行組合而成，因此當雷射光斑陣列照射鈮酸鋰夾層結構晶片時，光斑處晶片內表面會產生電荷，形成電場，通過介電泳力對微液滴進行操控。通過離焦操作，使各雷射光斑之間距離變大，產生的介電泳力將微液滴向四周拉扯，使其陣列化；通過聚焦操作，使各雷射光斑之間距離變小，從而使陣列化後的微液滴合併；通過雷射光斑陣列在鈮酸鋰夾層結構晶片上的掃描動作可改變介電泳力對每個微液滴的作用方向和位置，從而實現陣列化後微液滴的並行輸運。
下面給出本發明實現實時可控微液滴陣列化方案的具體實施例，具體實施例僅用於詳細說明本發明，並不限制本申請權利要求的保護範圍。
實施例1
使用532nm雷射器，雷射功率為7.9mw，透鏡(1)的焦距為15mm，透鏡(2)的焦距為250mm，鈮酸鋰夾層結構晶片選用鈮酸鋰晶片+c面對-c面，聚焦物鏡放大倍數為10倍，將待陣列化的體積為0.407nl的微液滴導入鈮酸鋰夾層結構晶片中，擴束後的雷射穿過開有四個呈中心對稱小孔的掩膜，通過綜合調節透明微動晶片平移臺移動夾層液滴，使液滴位於四個聚焦雷射光斑形成的正方形中心，陣列化後得到的小液滴體積為101.75pl。
實施例2
使用405nm雷射器，雷射功率為8.1mw，透鏡(1)的焦距為15mm，透鏡(2)的焦距為250mm，鈮酸鋰夾層結構晶片選用鈮酸鋰晶片+c表面上蓋一片石英，聚焦物鏡放大倍數為10倍，將待陣列化的體積為0.308nl的微液滴導入鈮酸鋰夾層結構晶片中，擴束後的雷射穿過開有四個呈中心對稱小孔的掩膜，形成由四個雷射光斑組成的光斑陣列，通過綜合調節透明微動晶片平移臺移動夾層液滴，使液滴位於四個聚焦雷射光斑形成的正方形中心，陣列化後得到的小液滴體積為77pl。
實施例3
使用532nm雷射器，雷射功率為4.5mw，透鏡(1)的焦距為15mm，透鏡(2)的焦距為250mm，鈮酸鋰夾層結構晶片選用鈮酸鋰晶片+c面對-c面，聚焦物鏡放大倍數為10倍，將待陣列化的體積為0.348nl的微液滴導入鈮酸鋰夾層結構晶片中，擴束後的雷射穿過開有四個呈中心對稱小孔的掩膜，形成由四個雷射光斑組成的光斑陣列，通過綜合調節透明微動晶片平移臺移動夾層液滴，使液滴位於四個聚焦雷射光斑形成的正方形中心，陣列化後得到的小液滴體積為87pl。
實施例4
使用532nm雷射器，雷射功率為7.9mw，透鏡(1)的焦距為15mm，透鏡(2)的焦距為250mm，鈮酸鋰夾層結構晶片選用鈮酸鋰晶片+c面對-c面，聚焦物鏡放大倍數為10倍，擴束後的雷射穿過開有四個呈中心對稱小孔的掩膜，形成由四個雷射光斑組成的光斑陣列，調節雷射光斑與透明微動晶片平移臺的相對位置使陣列化後的微液滴分別與四個雷射光斑位置重合，調節透明微動晶片平移臺在豎直方向上的位置，使陣列化後的四個微液滴合併。
實施例5
使用405nm雷射器，雷射功率為8.5mw，透鏡(1)的焦距為15mm，透鏡(2)的焦距為250mm，鈮酸鋰夾層結構晶片選用鈮酸鋰晶片+c表面上蓋一片石英，聚焦物鏡放大倍數為10倍，擴束後的雷射穿過開有四個呈中心對稱小孔的掩膜，形成由四個雷射光斑組成的光斑陣列，調節雷射光斑與透明微動晶片平移臺的相對位置使陣列化後的微液滴分別與四個雷射光斑位置重合，對陣列化後的四個微液滴進行並行輸運。
以上所述具體實例對本發明的技術方案、實施辦法做了進一步的詳細說明，應理解的是，以上實例並不僅用於本發明，凡是在本發明的精神和原則之內進行的同等修改、等效替換、改進等均應該在本發明的保護範圍之內。