利用交流电场驱动及定向输运微纳米颗粒的系统与方法与流程

本发明涉及微纳米颗粒，尤其涉及一种利用交流电场驱动及定向输运微纳米颗粒的系统与方法。

背景技术：

某些特殊制备的微纳米颗粒在发生不对称的表面化学反应或受到外力作用时会自发运动，这种微纳米颗粒也被称为“微纳米机器人”。在微纳米机器人的研究与实际应用中，人们关注并且需要控制两个关键的因素：速度大小和其运动方向。

微纳米机器人的驱动方式有声、光、电、磁、热、化学反应等。其中，化学反应作为一种接触式的驱动方式，限制了其应用范围。声和热在方向控制方面存在不足。由于物体对光的吸收以及透光性的原因，所以光的适用性受到限制。因此，电和磁的运动与方向控制自然受到人们的关注。磁相比于电，其驱动与方向控制的性能更为优越。但是由于对磁响应的材料数量有限，自然也就使得其应用范围受到限制。

因此，如何提供一种应用范围较广的微纳米颗粒的输运方案是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种应用范围较广的利用交流电场驱动及定向输运微纳米颗粒的系统与方法。

本发明提供了一种利用交流电场驱动及定向输运微纳米颗粒的系统，包括对微纳米颗粒的速度大小和方向进行调控的函数发生器和实现微纳米颗粒的定向输运的叉指电极，所述函数发生器的两个输出端分别与所述叉指电极的两端连接，所述函数发生器向所述叉指电极输出电压和频率可调的交流电。

作为本发明的进一步改进，所述叉指电极为直角电极、倾斜电极、蚊香电极中的任意一种。

作为本发明的进一步改进，所述叉指电极的叉指宽度为5-50μm，叉指间隙为5-100μm。

本发明还提供了一种利用交流电场驱动及定向输运微纳米颗粒的方法，包括以下步骤：

s1、制备叉指电极，确定微纳米颗粒定向输运的方向；

s2、在制备好的叉指电极的两端连接上函数发生器；

s3、所述函数发生器向所述叉指电极施加电压和频率可调的交流电，通过调节施加在所述叉指电极上的交流电的电压和频率对微纳米颗粒的速度大小进行调控，从而实现微纳米颗粒的定向输送。

作为本发明的进一步改进，步骤s1包括以下子步骤：

s11、设计叉指电极的形状并制备掩膜板；

s12、在基底上依次进行洗片、匀胶、前烘、曝光、后烘和显影，即可在基底上获得需要的电极图形；

s13、通过电子束蒸镀的方法，在基底上沉积一定厚度的导电层，包括但不限于金属、导电金属氧化物等；

s14、去除基底上的光刻胶，得到特定尺寸和形状的叉指电极。

作为本发明的进一步改进，在步骤s11中，设计叉指电极的形状为直角电极、倾斜电极、蚊香电极中的任意一种。

作为本发明的进一步改进，在步骤s3中，微纳米颗粒的定向输送过程为：利用流体在所述叉指电极上的特殊流动状态，将微纳米颗粒输运到叉指电极的中线，随后，由于微纳米颗粒在交流电场下特殊的表面电动力学效应，微纳米颗粒运动起来，并定向地运动至叉指电极根部。

作为本发明的进一步改进，在步骤s3中，所述函数发生器向所述叉指电极施加的频率范围在1khz到100khz之间。

作为本发明的进一步改进，在步骤s3中，所述函数发生器向所述叉指电极施加的频率为10khz。

本发明的有益效果是：通过上述方案，利用叉指电极的形状作为方向控制的手段，实现了对于非磁性微纳米颗粒的定向输运，拓展了微纳米颗粒输运的范围；采用调节电压、频率、叉指电极的尺寸等手段调控微纳米颗粒的速度大小，采用不同叉指电极的形状来调控微纳米颗粒的运动方向，可以根据需要进行选择，不仅丰富了控制方式，而且扩大了应用范围。

附图说明

图1是本发明一种利用交流电场驱动及定向输运微纳米颗粒的方法的叉指电极的制备流程图。

图2是本发明一种利用交流电场驱动及定向输运微纳米颗粒的系统的直角电极的示意图。

图3是本发明一种利用交流电场驱动及定向输运微纳米颗粒的系统的倾斜电极的示意图。

图4是本发明一种利用交流电场驱动及定向输运微纳米颗粒的系统的蚊香电极的示意图。

图5是本发明一种利用交流电场驱动及定向输运微纳米颗粒的系统的示意图。

图6是本发明一种利用交流电场驱动及定向输运微纳米颗粒的方法的定向输运过程图。

图7是本发明一种利用交流电场驱动及定向输运微纳米颗粒的方法的流体定向输运示意图。

图8是本发明一种利用交流电场驱动及定向输运微纳米颗粒的方法的感生电荷电泳定向输运颗粒的原理图。

图9是本发明一种利用交流电场驱动及定向输运微纳米颗粒的方法的颗粒在不同频率下的状态示意图。

图10是本发明一种利用交流电场驱动及定向输运微纳米颗粒的方法的三种电极上的定向输运示意图。

图11是本发明一种利用交流电场驱动及定向输运微纳米颗粒的方法的颗粒平均速度和频率的关系图。

图12是本发明一种利用交流电场驱动及定向输运微纳米颗粒的方法的颗粒平均速度和电压的关系图。

图13是本发明一种利用交流电场驱动及定向输运微纳米颗粒的方法的颗粒平均速度和直角电极间隙的关系图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图5所示，一种利用交流电场驱动及定向输运微纳米颗粒的系统，包括对微纳米颗粒的速度大小进行调控的函数发生器2和实现微纳米颗粒的定向输运的叉指电极1，所述函数发生器2的两个输出端分别与所述叉指电极1的两端相连接，所述函数发生器2向所述叉指电极1输出电压和频率可调的交流电。

如图2至图4所示，所述叉指电极1为直角电极、倾斜电极、蚊香电极中的任意一种。

如图2至图4所示，所述叉指电极1的叉指宽度为5-50μm，叉指间隙为5-100μm，图2至图4中的尺寸标注的单位均为μm。

本发明提供的一种利用交流电场驱动及定向输运微纳米颗粒的系统，利用叉指电极1这种特殊的电极结构，形成流体和电场的限域，通过叉指电极1的结构实现微纳米颗粒的定向输运。通过改变叉指电极1的形状，调节施加在叉指电极1上的交流电的电压和频率可以对微纳米颗粒的速度大小和方向进行调控。

本发明还提供了一种利用交流电场驱动及定向输运微纳米颗粒的方法，包括以下步骤：

s1、制备叉指电极1，确定微纳米颗粒定向输运的方向；

s2、在制备好的叉指电极1的两端连接上函数发生器2；

s3、所述函数发生器2向所述叉指电极1施加电压和频率可调的交流电，通过调节施加在所述叉指电极1上的交流电的电压和频率对微纳米颗粒的速度大小进行调控，从而实现微纳米颗粒的定向输送。

本发明提供的一种利用交流电场驱动及定向输运微纳米颗粒的方法，利用光刻技术制备叉指电极1，叉指电极1在设计过程中需要考虑微纳米颗粒的输运方向，即将微纳米颗粒输运到何处；也需要考虑叉指电极1的尺寸，以调节输运的速度。通过在叉指电极1上施加交流电，调整交流电的电压和频率可以实现微纳米颗粒的驱动。将输运方向和驱动相结合可以实现微纳米颗粒的定向输运。

一种利用交流电场驱动及定向输运微纳米颗粒的方法，具体包括以下步骤：

1、叉指电极的制作

在利用光刻制备叉指电极1之前，需要设计叉指电极1的形状并制备掩膜板。获得掩膜板之后，按照光刻的工艺流程，依次进行洗片、匀胶、前烘、曝光、后烘和显影，在基底上获得需要的电极图形，如图1所示。然后，通过电子束蒸镀的方法，在基底上沉积导电层，如100nm的金。最后去除基底上的光刻胶，即可得到特定尺寸和形状的金叉指电极1。

如图2至图4所示，为本发明设计的三种不同形状的叉指电极1的示意图，依次为直角电极（图2）、倾斜85°电极（图3）和蚊香电极（图4），其中每根电极的尺寸都是宽度为20μm。

2、搭建利用交流电场驱动及定向输运微纳米颗粒的系统

图5为利用交流电场驱动及定向输运微纳米颗粒的系统的装置图，将叉指电极1两端通过焊接引出的导线连接至函数发生器2（以产生特定频率和电压的交流电信号），通过显微镜5上的摄像头4对微纳米颗粒的运动进行视频录制，可通过计算机3来进行观看，同时可以控制视频的各种参数。

3、微纳米颗粒的定向输运

本实施例中所使用的微纳米颗粒为一半蒸镀有50nm金属钛（ti）层的3µm直径的二氧化硅（sio2）球。这种两端成分不同的小球被称为janus球（janus颗粒）。图6所示为微纳米颗粒定向输运的过程，其中第一步利用流体在叉指电极1上的特殊流动状态，将小球输运到叉指电极1的中线。随后，由于janus颗粒在交流电场下特殊的表面电动力学效应，运动起来，并定向的运动至叉指电极1的根部。图7、8分别详述这两步细节。

如图7中（a）所示，为叉指电极1的示意图。其中定义了叉指电极1的“端部11”、“根部12”和“中线”，这些定义可以方便后续对其驱动机理的介绍。图7中（b）为沿着图（a）截线所得到的截面图。如图7中（b）所示，对叉指电极1施加交流电后，由于叉指电极1表面所带电荷与电场之间的相互作用，产生向叉指电极1中线的电渗流。janus颗粒受到该电渗流的作用会聚集到叉指电极1上方的中线处，完成了第一步的定向输运工作。

在合适频率下，sio2-tijanus球能产生名为“感生电渗电泳”（简称为icep）的效应并向前运动。如图8所示，为感生电渗电泳定向输运颗粒的原理图。图8(a)为单janus颗粒在电场作用下的感生电渗电泳驱动机理，ti-sio2球在电场作用下发生极化，因为钛的极化能力比二氧化硅强，因此钛半球所产生的感生电荷数量比二氧化硅半球多，相应吸引液体中的异种电荷数量也较多，因此在钛半球产生的感生电渗流比二氧化硅半球要大，进而产生净的作用力，驱动颗粒远离ti层运动；图8（b）为janus颗粒在叉指电极1上的运动方向，janus颗粒在叉指电极1上运动都是以二氧化硅在前的方式运动，但是janus颗粒是向电极哪端运动则是随机的；图8（c）为janus颗粒运动到叉指电极1端部11时会发生转向，沿原路返回，janus颗粒在叉指电极1端部11的转向使得janus颗粒最终的运动结果是聚集到叉指电极1的根部12，保证了定向输运；图8（d）为janus颗粒在叉指电极1根部12发生堆积，也就是颗粒定向输运的终点，实现了janus颗粒的定向输运。

4、实验参数对sio2-ti球定向输运的影响

为了实现颗粒的运动，实验中所施加的电场频率范围在1khz到100khz之间，以10khz效果最好。如图9所示，在频率为10khz时，颗粒会运动；而当频率提高到100khz以上时，颗粒会聚集到电极边缘。在更低频率下（如1khz左右），颗粒在电极边缘旋转，无法定向运输。因此实验中的频率在1khz到100khz之间进行调节。

实验发现图2至4中的三种电极都能够利用上述方法实现定向输运的目的，如图10所示。

5、实验参数对sio2-ti球速度的影响

在保证了sio2-ti球的输运后，可以通过调节交流电的电压、频率、叉指电极1的尺寸来控制输运的速度。

如图11所示，为在直角叉指电极，叉指宽度20μm，叉指间隙30μm，交流电的峰峰值电压为1v时，不同频率下的颗粒运动速度。从图中可以看出，频率越高颗粒速度越小。

如图12所示，为在直角叉指电极，叉指宽度20μm，叉指间隙30μm，交流电的频率为10khz时，不同电压下的颗粒运动速度。从图中可以看出，电压越高颗粒速度越大。

如图13所示，为在直角叉指电极，电压2v、频率10khz时，叉指间隙分别为10μm、30μm和50μm时所对应的速度。从图中可以看出，叉指间隙越大颗粒速度越小。

本发明提供的一种利用交流电场驱动及定向输运微纳米颗粒的系统与方法，具有以下优点：

1、利用叉指电极1的形状作为方向控制的手段，即通过流体限域的方式达到了方向控制的目的，实现了对于非磁性微纳米颗粒的定向输运，拓展了微纳米颗粒输运的范围；

2、采用调节电压、频率、叉指电极1的间隙大小控微纳米颗粒的速度大小，实际中可以根据需要进行选择，不仅丰富了控制方式，而且扩大了应用范围。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。