基於微納光纖的微流體鑷子的製作方法

2023-10-24 22:50:22

本實用新型屬於光流控技術領域，具體涉及一種基於微納光纖的微流體鑷子。

背景技術：

微流控實驗室又稱微流控晶片，把生物、化學、醫學分析過程的樣品製備、反應、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊幾平方釐米(甚至更小)的晶片上，由微通道形成網絡，可控流體貫穿整個系統，可以取代常規生物或化學實驗室各種功能的一種技術。21世紀後，微流控技術得到了充分發展，微流控技術被應用在多個領域，發展成為一個生物、化學、物理、醫學、材料、微流體力學等多學科交叉的嶄新研究領域。2004年，美國Bus iness 2.0雜誌封面文章將微流控晶片列為「改變世界」的七種技術之一。2006年，Nature雜誌推出一期命名為「晶片實驗室」的專輯，全面闡述了微流控晶片的研究歷史、現狀和應用前景。由於微流控晶片具有分析效率高、樣品和試劑消耗少、易於集成化、體積小、快捷簡便等優點，在生物化學、醫學檢驗、藥物篩選、環境監測等領域已經得到了廣泛的應用。

21世紀中後期，蓬勃發展的微流控技術與光學技術的有機結合，兩者相輔相成，造就了光控微流技術的產生。傳統光鑷通過控制雷射的強度、偏振和相位結構變量來實現對目標物的捕獲與操控。但是，需要高能量的激發光源用於克服周圍液體的粘滯力，具有操控作用範圍小的缺陷，微納流體及流體中微納米材料的操控受到了限制。另外，高性能的傳統雷射器工藝複雜、價格昂貴；雷射的準直、聚焦、偏振態的轉換等也需要複雜的光學元器件與光路來實現，因此設備龐大複雜，不易於現有的微流體晶片系統集成，其應用受到很大限制。

研究表明，利用流體流動本身的粘滯阻力能操控各種特質以及各種形狀的材料，具有更好的兼容性。因此，研發一種價格便宜、操作簡單、流體控制範圍大的微流體鑷子是迫切需要的。利用光熱轉換材料將光能轉化為熱能，再轉化為驅動流體動力能量的方法是光控微流技術的典型。光控微流既滿足了複雜泵閥器件、表面化學和電極模式或者其他襯底製作的需求，又允許在大尺寸的微流控中處理生物化學材料時不需要輔助任何物理或者機械泵浦器件。

技術實現要素：

為了克服現有技術的缺點與不足，本實用新型的目的在於提供一種基於微納光纖的微流體鑷子，該鑷子以光熱微納光纖為基礎，利用其可調諧的優勢，誘導微流體產生豎直式、水平式、豎直+水平式的渦旋流動，突破目前的光控微流技術形式單一、功能單一的局限。

本實用新型的目的通過下述技術方案實現：基於微納光纖的微流體鑷子，包括鑷子基底、光熱微納光纖、微流室、光信號輸入埠、微流泵、微流體，所述微流室設置在鑷子基底上，所述光熱微納光纖由光熱轉換材料與微納光纖組裝而成，光熱微納光纖浸沒在微流室底部，光熱微納光纖一端通過光信號輸入埠與外部光源連接，光源發出的光信號在所述光熱微納光纖上傳輸；所述微流體放置在微流室內，微流泵通過管道與微流室連接。

所述的微納光纖，可以使用本領域公知的任何光纖材料，比如石英、氮化矽、或者其餘熔點大於100攝氏度的聚合物。優選為石英。

所述的微納光纖優選採用火焰加熱拉伸法拉制單模石英光纖製得，折射率為1.45，直徑優選為0.2～5μm，具有較好的表面光滑度和長度均勻性，以及優良的機械性能。

所述的光熱轉換材料可以使用本領域公知的具有良好的光熱轉換性能以及導熱性能的納米材料，為石墨烯、氧化石墨烯、納米金膠體或納米銀膠體等，優選為氧化石墨烯。

所述光熱轉換材料可以通過塗覆、沉積等方式包覆於微納光纖表面。

所述的光熱微納光纖優先採用液滴塗覆法製備，製備方法為：將氧化石墨烯的乙醇溶液直接滴在微納光纖上形成橢球狀結構，隨著酒精的蒸發，液滴將逐漸萎縮，最後在光纖表面逐漸形成薄膜。

所述的光信號的波長範圍在可見光波段或者近紅外波段均可選擇，但必須避開溶液中的吸收波段以及優先選擇光熱轉換材料的吸收波段，比如對於氧化石墨烯，在980nm以及1550nm均有較強的吸收，對於水，在1550nm波段具有強烈的吸收而在980nm波段具有較少的吸收。整體優選為980nm。

所述光信號的光功率可調諧，優先選取在20mW-100mW範圍內。

所述的微流室用於盛放微流體。可以使用本領域公知的任何形狀的微流室。可以由本領域公知的用於微流體通道的材料圍成，材料可以採用石蠟、聚二甲矽氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或者紫外固化膠等。

所述的微流泵用於注射或者排放微流體，並通過注射與排放的微流體的體積計算在微流室中微流體層的厚度，可以使用本領域公知的任何類型的微流泵或者微量注射器等。

所述的微流體可以使用本領域中公知的任何牛頓型流體，優選為水、DMF、PBS緩衝液等。

所述的微流體中帶有用於流體示蹤的微納米顆粒，可以使用本領域中公知的任何材質任何形狀的顆粒，比如規則球體的聚合物小球、silica小球，或者規則棒狀的金屬微納米線、半導體微納米線、聚合物微納米線，或者不規則形狀碳粉等。

所述的基於光熱微納光纖的微流體鑷子的機理是：本實用新型基於光熱轉換材料對微納光纖上的傳輸光場的限制並吸收，產生光熱能量轉換。所轉換而成的熱量將由微流室中間底部的光熱微納光纖開始向外擴散，進而在整個微流體中產生溫度梯度。溫度梯度的產生造成了微流體內部密度以及微流體表面上的表面張力的重新分布。前者產生了浮力驅動力，驅動內部流體從低位流向高位，形成浮力對流。後者產生了表面剪應力，驅動表面流體從低表面張力區流向高表面張力區，形成熱毛細對流。通過控制流體層的厚度，就能改變內部流體與表面流體的溫度分布，從而改變兩種對流的強弱。理論仿真表明，浮力對流為豎直式的渦旋流動，熱毛細對流為水平式的渦旋流動。隨著流體層厚度的增大，熱毛細對流由強變弱，浮力對流由弱變強，因此可以通過控制流體層厚度來控制流體的流動模式。薄膜流體層主要產生熱毛細對流主導的水平式渦旋流動，厚度比較大的流體層主要產生由浮力對流主導的豎直式渦旋流動，對於適當厚度的流體層，則會出現水平式與豎直式混合的渦旋流動。

本實用新型與現有技術相比，具有如下優點和有益效果：

(1)從成本和可行性出發，相比於傳統雷射激發形式，本實用新型通過光耦合激發光熱微納光纖能更高效、更集中、更穩定地激發熱量。比用複雜的光學系統產生雷射束照射更加合適。光熱微納光纖能將光穩定牢固地限制在材料中，增強了雷射與物質的相互作用，既可以避免光能的浪費，又可以更高效、更集中、更穩定地激發熱量。而這些僅僅需要一臺光纖雷射器，實驗設備成本較低，能量損耗較低，增加了能源利用效率。

(2)製作方法快捷方便，成本低廉且有效。本實用新型所用的光熱轉換材料，不局限於氧化石墨烯，可以推廣到其他光熱轉換材料如碳納米管、納米金、納米銀等。本實用新型所用的光纖，不局限於二氧化矽，可以推廣到其他光纖材料如矽、聚合物等。

附圖說明

圖1是本實施例微流體鑷子的結構示意圖。

圖2a是流體層較厚，產生由浮力對流主導的豎直式渦旋流動時，水平方向上對流的原理示意圖。

圖2b是流體層較厚，產生由浮力對流主導的豎直式渦旋流動時，豎直方向上對流的原理示意圖。

圖3a是流體層較薄，產生熱毛細對流主導的水平式渦旋流動時，水平方向上對流的原理示意圖。

圖3b是流體層較薄，產生熱毛細對流主導的水平式渦旋流動時，豎直方向上對流的原理示意圖。

圖4a是產生水平式與豎直式混合的渦旋流動時，水平方向上對流的原理示意圖。

圖4b是產生水平式與豎直式混合的渦旋流動時，豎直方向上對流的原理示意圖。

圖5a、5b是顯微照片，所述的顯微照片示出在不同光輸入功率下基於光熱微納光纖的由浮力對流主導的豎直式渦旋流動。

圖6a、6b是顯微照片，所述的顯微照片示出在不同光輸入功率下基於光熱微納光纖的由熱毛細對流主導的水平式渦旋流動。

圖7a、7b是顯微照片，所述的顯微照片示出在不同光輸入功率下基於光熱微納光纖的水平式與豎直式混合的渦旋流動

具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細的描述，但本實用新型的實施方式不限於此。

本實用新型通過控制微流體中的熱分布來控制微流體的流動模式。通過激發微流體中光熱微納光纖造成微流體內部密度的以及微流體表面上的表面張力的重新分布。最終產生豎直渦旋流動的浮力對流與水平渦旋流動的熱毛細對流。在本實用新型中，微流體的厚度是控制因素，其改變造就了浮力對流與熱毛細對流相反的趨勢變化，最終導致流體流動模式的變化。光熱微納光纖是激發源，其改變相同的趨勢變化，最終導致流體流動強度的變化。

圖1示出了下面各個實施例所基於的微流體鑷子的結構。微流體鑷子包括鑷子基底1和微流室2，微流室2設置在鑷子基底1上，長、寬、高一定，光熱微納光纖置於微流室中的底部中央。微流泵3置於微流室的一個角落，用於引入或者排出微流體。作為激發源，光熱微納光纖由以氧化石墨烯為代表的光熱轉換材料4與微納光纖5組裝而成。氧化石墨烯具有較高的折射率，可以將大部分原先在光纖上傳輸的光能限制在其中。同時氧化石墨烯具有極強的吸收率，可以將所限制的光能吸收，從而實現在降低的光輸入功率下激發較高的溫度。光熱微納光纖一端通過光信號輸入埠6與外部光源連接，光源發出的光信號在所述光熱微納光纖上傳輸。

下面結合實施例及附圖對本實用新型的實施方式以及物理機制分別作進一步詳細的描述。

實施例1

該實施方式主要產生浮力對流主導的豎直式渦旋流動。在該實施方式中，微流泵注入較多的液體形成較厚的流體層，H厚度30～100μm，此時通過激發微流體中光熱微納光纖的熱量在微流體中擴散，靠近熱源的微流體由於溫度升高產生局部膨脹，密度降低。這種微流體內部密度的重新分布產生了浮力驅動力。此驅動力方向為豎直方向，因此驅動流體從低位流向高位，又從高位流向低位，如此循環形成豎直式渦旋。其對流的豎直方向如圖2b所示。同時由於熱擴散的方向以光熱微納光纖為軸對稱，因此，產生的對流的水平方向也以光熱微納光纖為軸對稱。圖2a示出水平方向上所觀察到的浮力對流的方向。而由於微流體厚度較大，微流體表面溫度較為均勻，無法驅動熱毛細對流。

實施例2

該實施方式主要產生熱毛細對流主導的水平式渦旋流動。在該實施方式中，微流泵注入較少的液體形成較薄的流體層，H厚度5～20μm，此時通過激發微流體中光熱微納光纖的熱量在微流體中擴散，在微流體表面，靠近中心的微流體由於溫度升高表面張力變小。這種微流體表面張力的重新分布產生了剪應力。由於此現象只出現在微流體表面，此驅動力方向為水平方向，因此驅動流體低表面張力區(高溫區域)流向高表面張力區(低溫區域)，如此循環形成水平式渦旋。其對流方向如圖3a所示。由於熱擴散的方向以微流體表面為軸對稱，因此，產生的水平式渦旋由4個渦旋組成陣列，相鄰的渦旋旋轉方向相反。如圖3b所示，由於微流體厚度較小，微流體內部豎直方向上溫度較為均勻，無法驅動浮力對流。

實施例3

該實施方式中主要產生水平式與豎直式混合的渦旋流動。微流泵注入適量的液體使得微流體的厚度H在20～30μm。此時通過激發微流體中光熱微納光纖造成了微流體內部密度的以及微流體表面上的表面張力的重新分布。前者形成浮力對流，參見圖4b。後者形成熱毛細對流，參見圖4a，兩種對流相互重疊。

下面結合實施例及附圖對本實用新型實施方式以及實驗操作分別作進一步詳細的描述，但本實用新型的實施方式不限於此。

採用火焰加熱拉伸法拉制單模石英光纖(SMF-28，美國Corning公司)，拉制出直徑為1.0μm、長度為2mm的微納光纖。採用液滴塗覆製備方法製備光熱微納光纖，方法是：將氧化石墨烯的乙醇溶液直接滴在微納光纖上形成橢球狀結構，隨著酒精的蒸發，液滴將逐漸萎縮，最後在光纖表面逐漸形成薄膜。如圖5所示的氧化石墨烯層長度為3μm，平均厚度為200nm。將製備而成的光熱微納光纖放置在鑷子基底。採用高溫熔化的石蠟材料圍成長為1mm，寬為1mm，高為100μm的微流室。將可調諧功率為20-100mW，工作波長為980nm的光纖雷射器作為光源與光熱微納光纖的光信號輸入埠相連。將來自光纖雷射器的光信號通過埠輸入，並在光熱微納光纖上傳輸。將直徑為300nm的聚苯乙烯小球膠體溶液以1:100的比例融入水中，並通過微流泵注入微流室。通過聚苯乙烯小球的移動軌跡判斷流體流動模式。圖5-7給出了本實例所述聚苯乙烯小球在不同微流體厚度以及不同功率的光信號輸入下的運動軌跡的光學顯微鏡圖像。

如圖5a所示，將10μL的所示微流體通過微流泵注入微流室中，形成厚度大約為100μm的微流體，在功率為40mW、波長為980nm的光信號輸入下，聚苯乙烯小球產生豎直方向的循環流動，這表示微流體上產生了浮力對流。如圖5b所示，繼續輸入光信號且將光信號功率提升至80mW，聚苯乙烯小球產生更大範圍的循環流動，且流動速度增大，這表示微流體上產生了強度更大，範圍更大的浮力對流。

如圖6a所示，將1μL的所示微流體通過微流泵注入微流室中，形成厚度大約為10μm的微流體，在功率為40mW、波長為980nm的光信號輸入下，聚苯乙烯小球產生水平方向的循環流動，從顯微鏡視圖上看，聚苯乙烯的軌跡形成四個渦旋圖樣。這表示微流體上產生了熱毛細對流。如圖6b所示，繼續輸入光信號且將光信號功率提升至80mW，聚苯乙烯小球產生更大範圍的循環流動，且流動速度增大，這表示微流體上產生了強度更大，範圍更大的熱毛細對流。

如圖7a所示，將3μL的所示微流體通過微流泵注入微流室中，形成厚度大約為30μm的微流體，在功率為40mW、波長為980nm的光信號輸入下，聚苯乙烯小球既產生了豎直方向的循環流動，又產生了水平方向的循環流動。這表示微流體上同時產生了浮力對流與熱毛細對流。如圖7b所示，繼續輸入光信號且將光信號功率提升至80mW，聚苯乙烯小球產生更大範圍的循環流動，且流動速度增大，這表示微流體上產生了強度更大、範圍更大的熱毛細對流。

上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護範圍之內。