一种磁性液体弹珠及其光操控方法与流程

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种磁性液体弹珠及其光操控方法。

背景技术：

微型系统中小体积液体的操控具有重要意义，在生物医学、微流体等领域有着广阔的应用前景。目前，实现小体积液体的运动多基于微流控装置，具有明显的缺陷，例如受限通道导致的运动自由度低以及不可避免的液体吸附等。液体弹珠是一种由微小液滴与疏水颗粒组成的稳定的液固复合体，它不仅倾向于形成一个不粘的液固界面，有效地降低了对液滴动态接触角滞后产生的运动阻力，还可以结合外部包覆的疏水颗粒的固有特性，如磁性或光敏性等对液体弹珠进行运动控制以实现对内部液体的操控。

磁性液体弹珠由于在生物技术方面的应用潜力，受到科研工作者的广泛关注。然而，目前报道的磁性液体弹珠的运动虽然可以依赖于它的磁场响应性，通过磁场进行驱动，但在驱动的同时，表面包覆的磁性疏水粒子往往会在磁场作用下发生移动，导致磁性液体弹珠表面出现“开口”。这一特点有利于将磁性液体弹珠作为微反应器，但是在液体弹珠作为液体输运载体方面确会存在一些问题，如液体输运过程中的蒸发与污染等。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种磁性液体弹珠及其光操控方法，该方法具有操作简单、灵活性高、运动启停、方向和速度可调，且在不改变组成与光源种类的条件下实现正负趋光性的按需切换的特点。

为达到上述目的，采用技术方案如下：

一种光操控磁性液体弹珠，其特征在于由疏水性四氧化三铁纳米粒子包裹在水滴表面组成；所述疏水性四氧化三铁纳米粒子为油酸改性的四氧化三铁纳米球形或类球形粒子，尺寸为10-15nm，具有超顺磁性，静态水接触角为140-155°；所述水滴的体积不大于45μl。

按上述方案，所述疏水性四氧化三铁纳米粒子按以下方式制备而来：在氮气保护的条件下，将摩尔比2:1的fecl3·6h2o和fecl2·4h2o于60℃搅拌溶于去离子水中，先后加入氨水和油酸，持续搅拌15min，冷却至室温，磁分离后分别采用去离子水和乙醇清洗，室温干燥。

所述的磁性液体弹珠的光操控方法，通过调控光源入射方向实现液体弹珠运动状态的控制；光源由上至下斜入射时，磁性液体弹珠产生趋光运动；光源水平照射，磁性液体弹珠静止不动。

按上述方案，通过光源照射区域的控制，实现趋光性的控制；当光斜向照射磁性液体弹珠上半部，实现正趋光运动；当光斜向照射磁性液体弹珠下半部，实现负趋光运动。

按上述方案，磁性液体弹珠的运动速率通过调控光源强度和光照角度进行控制。

按上述方案，所述光源为波长为365-808nm的点光源。

按上述方案，所述磁性液体弹珠在微输运中的应用。

本发明利用滚滴法将油酸改性的四氧化三铁纳米粒子包覆在水滴表面形成磁性液体弹珠。磁性液体弹珠放置于水面上，用特定波长的光束以一定角度照射，四氧化三铁纳米粒子受光激发产生电子空穴对，电子空穴的非辐射复合释放的热能升高了水面温度，降低了表面张力，在磁性液体弹珠的迎光侧与背光侧产生表面张力梯度，推动磁性液体弹珠进行趋光性运动。当光以一定角度从斜上方照射磁性液体弹珠下半部时，磁性液体弹珠迎光侧水面表面张力会由于温度升高而减小，在液体弹珠的迎光侧与背光侧产生局部表面张力梯度，推动其进行负趋光运动；当光以一定角度从斜上方入射，照射磁性液体弹珠上半部时，入射光会穿透液体弹珠，使其背光侧水面表面张力由于温度升高而减小，推动弹珠进行正趋光运动；当光水平入射时，不会引起水面表面张力的变化，液体弹珠静止不动。其运动速度随着光照强度以及光源入射角度的增加而增加，其运动启停根据光入射方向进行控制，其运动方向根据光源照射区域不同而呈现出正趋光或者负趋光的运动特性。本发明光控磁性液体弹珠运动策略可以应用于操控磁性液体弹珠作为微型输运系统。

本发明有益效果在于：

本发明提供了一种磁性液体弹珠光操控方法，具有操作简单，灵活性高的特点。

本发明可以通过控制入射光的开关或入射方向控制磁性液体弹珠趋光运动启停。

本发明可以通过控制光照射区域在不改变组成与光源种类的条件下实现磁性液体弹珠正负趋光性的切换；运动速度可以通过光照强度与入射角度进行控制。

本发明由于磁性液体弹珠的光操控特性，可作为微型输运系统。

本发明采用光照的方式驱动磁性液体弹珠，有效地解决了磁性液体弹珠在磁场作用下输运过程中的液体蒸发与污染，为磁性液体弹珠作为液体输运载体提供了一种有效的解决方案。

附图说明

图1：光从斜上方呈30°角照射磁性液体弹珠下半部趋光运动示意图与时序图；

图2：不同体积的磁性液体弹珠的运动速率；

图3：磁性液体弹珠在不同光强波长为808nm的光激发下的运动速率；

图4：磁性液体弹珠在不同光强波长为365nm的光激发下的运动轨迹；

图5：光从斜上方呈30°角照射磁性液体弹珠上半部趋光运动示意图与时序图。

具体实施方式

以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。

实施例中所用疏水性四氧化三铁纳米粒子按以下方式制备而来：

在氮气保护的条件下，将摩尔比2:1的fecl3·6h2o和fecl2·4h2o于60℃搅拌溶于去离子水中，先后加入25vt％的氨水和油酸，持续搅拌15min，冷却至室温，磁分离后分别采用去离子水和乙醇清洗，室温干燥。

实施例1

一种磁性液体弹珠光操控策略，它包括如下步骤：将疏水四氧化三铁纳米粒子平铺在培养皿中，滴加15μl的水滴于粒子之上，轻晃培养皿使液滴自由滚动，疏水粒子自主吸附于液滴表面形成液体弹珠。

将磁性液体弹珠置于培养皿中的水面上，使用波长为808nm，光斑尺寸为2mm的光源，设置输出功率为490mwmm^-2，手动操控光源以与水平夹角～30°的方向从斜上方照射液体弹珠下半部，即可得到磁性液体弹珠的负趋光运动。其中，图1a为光照在磁性液体弹珠下半部的示意图。图1b为一个典型的磁性液体弹珠负趋光运动的时序照片。

实施例2

将实施例1中水滴的体积调整为5μl、25μl、35μl和45μl，重复以上实施例1的步骤，磁性液体弹珠呈现出负趋光运动，运动速度如图2所示，说明磁性液体弹珠的趋光运动速度与磁性液体弹珠的体积相关。

实施例3

将实施例1中光源的输出功率调整为160mwmm^-2,330mwmm^-2,680mwmm^-2和830mwmm^-2,重复以上实施例1的步骤，磁性液体弹珠呈现出负趋光运动，且运动速度随光功率的增加而增加，如图3所示，说明控制光强可以实现磁性液体弹珠运动速度的控制。

实施例4

将实施例1中光源调整为波长365nm，输出功率为11.5mwmm^-2，重复以上实施例1的步骤，磁性液体弹珠呈现出负趋光运动，运动速度为2mms^-1。图4为不同功率的紫外光照下，磁性液体弹珠的运动轨迹，说明磁性液体弹珠可以被紫外光进行驱动。

实施例5

将实施例1中光源照射区域调整为以与水平夹角30°的方向从斜上方照射液体弹珠上半部，重复以上实施例1的步骤，磁性液体弹珠呈现出正趋光运动，这主要是由于磁性液体弹

珠具有较好的透光率，当光照射在磁性液体弹珠上半部，会穿透磁性液体弹珠，加热背光侧近水面的四氧化三铁纳米粒子，从而产生与负趋光运动相反的表面张力梯度，实现正趋光运动。该实施例说明控制光源照射区域可以控制磁性液体弹珠的运动方向，即可以实现磁性液体弹珠正负趋光性的灵活切换。其中，图5a为光照在磁性液体弹珠上半部的示意图。图5b为一个典型的磁性液体弹珠正趋光运动的时序照片。

实施例6

将实施例5中光源照射方向调整为水平入射在磁性液体弹珠表面，重复以上实施例5的步骤，磁性液体弹珠呈现出静止状态，说明控制光源入射方向可以控制磁性液体弹珠的启停。

实施列7

将实施例5中光源入射角度增加为45°，重复以上实施例5的步骤，磁性液体弹珠正趋光运动明显加快，说明控制光源入射角度可以实现磁性液体弹珠运动速度的控制。

本发明所列举磁性液体弹珠，以及本发明涉及到的光源、光照强度，以及光照区域、方向和角度等参数、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。