一种基于铌酸锂晶片夹层结构的微液滴实时可控分离装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微液滴操控技术，具体是一种能实现微液滴实时可控分离的装置及方法。
【背景技术】
[0002]微液滴操控技术通常用于生物、化学、医学分析过程中的微量药剂及流体样品的分离及输运，可应用于集成培养、反应、分离、检测等基本操作单元于一体的微流控芯片设计和开发，对生物医疗、药物诊断、食品卫生、环境监测以及分子生物学等领域的发展都具有非常重要的意义。
[0003]微液滴的分离(或分裂)是指体积较大微液滴局部受到力的作用而从原始液滴分离形成较小液滴的过程。文献(Electrowetting-based actuat1n of droplets forintegrated microf luidics, Lab on a chip，2，96—101 (2002))利用介电润湿(EffOD)的方法实现了微液滴的分离，原始液滴在双极EW0D芯片中同时受到两侧电极的作用力，分成两个小液滴。此方法需要在芯片基底上制备电极，其结构特殊且不可调整，因此该方法芯片结构复杂、液滴分离不能实现实时可控。另外，该方法只能对多700nL的液滴进行分离，而分离得到的最小液滴体积，即分离精度约为300nL，无法适应未来微流控芯片高度集成化的要求。
[0004]2004 年德国慕尼黑大学 C.Strobl 和 Z.Guttenberg (Nano-and pico-dispensingof fluids on planar substrates using SAW, IEEE Transact1ns on UltrasonicsFerroelectrics and Frequency Control，51，1432-1436 (2004))等人在压电基底材料表面做成一层由疏水基和亲水基相间组成的棋盘状薄膜，再利用声表面波驱动液滴在薄膜上缓慢运动，使水滴在亲水基上留下微液滴，从而实现了液滴分离。此方法能对多50nL液滴进行分离，分离精度约为50pL，提升显著。此方法的缺点在于:需要制备表面波所需的叉指电极并对表面进行特殊处理，芯片结构更加复杂，其分离精度不可调控，并且仍然不能实现实时可控的微液滴分离，此外，尽管该方法分离精度理论上得到大幅提升，但其分离得到的微液滴直接暴露于空气中，非常容易挥发，因此在最高精度下分离得到的微液滴无法保存及进行后续操作，没有实际意义。
[0005]最近，M.Esseling 等人(Optofluidic droplet router.Laser and Photonicsreviews, 9,98-104 (2015))，以铌酸锂晶片做基底，利用该材料光折变空间电荷累积所产生的介电泳力，实现了微液滴的分离。该方法不需要电极结构，利用铌酸锂的空间电荷分布获得虚拟电极，使芯片结构得到了一定的简化，并且此方法可以实现对多1.2nl的液滴进行分离，分离精度约为0.6nL0该方法的缺点主要体现在:虚拟电极的形成需要激光和空间光调制器组成的掩膜光照系统对铌酸锂基底进行预处理，因此该方法成本较高，其分离精度仍不可调控，并且无法实现对微液滴的实时可控分离。
【发明内容】
[0006]目前已报道的分离方法存在核心芯片结构复杂、成本较高、分离精度低且不可调整、无法实时可控分离等缺点。针对上述问题，本发明提供一种简单、易行、分离精度高且可实时调控的微液滴分离方法。
[0007]—种微液滴实时可控分离的装置，其特征在于:按激光器1、半透半反镜4、物镜5、铌酸锂晶片夹层结构6的顺序形成分离光路，按背景光源7、铌酸锂晶片夹层结构6、物镜5、半透半反镜4、滤光片3、CCD相机2的顺序形成实时观测光路，通过两条部分重合的光路实现微液滴分离和观测的同时进行，即实时分离。
[0008]—种实现微液滴可控分离的装置，其特征在于:利用两个铌酸锂晶片形成的三明治夹层结构作为微液滴分离的核心装置。两个铌酸锂晶片按+Z面对-Z面的形式分别固定在四轴组合微动平移台上，夹层结构平行晶面的间隙距离可调整，同时夹层结构也可在二维平面上整体运动。
[0009]—种实现微液滴分离的方法，其特征在于:通过聚焦激光照射使位于夹层中间的微液滴实现分离，其分离的部位可通过夹层结构与聚焦光斑的相对位置进行控制。
[0010]一种实现微液滴分离的方法，其特征在于:通过聚焦激光照射使位于夹层中间的微液滴实现分离，其分离的体积可通过聚焦光功率进行控制。
[0011]—种实现微液滴分离的方法，其特征在于:通过调节夹层间距调节微液滴分离精度。
[0012]—种实现微液滴分离的方法，其特征在于:借助背景光源和CCD相机可以同步观察微液滴的活动，其分离过程可实时观测，即实现实时分离。
[0013]与现有技术相比，本发明的优点在于，基于铌酸锂晶片夹层结构以及物镜激光聚焦系统，装置结构相对简单；其次该方法可以对多0.1nL的微液滴进行分离，分离精度约为20pL，分离性能大幅提升；另外该方法可以通过调控激光功率以及激光光斑位置实现对微液滴的实时可控分离。
【附图说明】
[0014]图1为本发明基于铌酸锂晶片夹层结构的微液滴实时可控分离方案的装置整体结构示意图。
[0015]图2为本发明基于铌酸锂晶片夹层结构的微液滴实时可控分离方案所用装置中夹层装置的具体结构示意图。
[0016]图3为本发明基于铌酸锂片夹层结构的微液滴实时可控分离方案的一种实施例(实例1)的分离过程图。
[0017]图4为本发明基于铌酸锂片夹层结构的微液滴实时可控分离方案的一种实施例(实例2)的分离过程图。
[0018]图5为本发明基于铌酸锂片夹层结构的微液滴实时可控分离方案的一种实施例(实例3)的分离过程图。
[0019]图6为本发明基于铌酸锂片夹层结构的微液滴实时可控分离方案的一种实施例(实例4)的分离过程图。
[0020]图7为本发明基于铌酸锂片夹层结构的微液滴实时可控分离方案的一种实施例(实例5)的分离过程图。
[0021]图8为本发明基于铌酸锂片夹层结构的微液滴实时可控分离方案的一种实施例(实例6)的分离过程图。
[0022]图9为本发明基于铌酸锂片夹层结构的微液滴实时可控分离方案的一种实施例(实例7)的分离过程图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
[0024]本发明公开了一种微液滴实时可控分离的装置及方法，该装置包括激光器1、(XD相机2、带阻滤光片3、半透半反镜4、物镜5、铌酸锂晶片夹层结构6、背景光源7。其中激光器1、半透半反镜4、物镜5、铌酸锂晶片夹层结构6按顺序形成分离光路；背景光源7、铌酸锂晶片夹层结构6、物镜5、半透半反镜4、滤光片3、CCD相机2按顺序形成实时观测光路。利用两个铌酸锂晶片形成的三明治夹层结构6作为微液滴分离的核心装置。两个铌酸锂晶片6-1及6-6按+Z面对-Z面的形式分别固定在四轴组合微动平移台(6-2、6-3、6-4、6-5)上，夹层结构平行晶面的间隙距离可调整，同时夹层结构也可在二维平面上整体运动。
[0025]本发明公开了一种微液滴实时可控分离的装置及方法，该方法的操作步骤为:通过微动平移台6-2调节夹层机构6中两个铌酸锂晶片6-1及6-6的间距；将待分离的微液滴导入铌酸锂晶片夹层结构6