光热操控液滴三维迁移装置及使用方法

1.本发明涉及微流控领域，特别是涉及一种光热操控液滴三维迁移装置及使用方法。


背景技术：

2.液滴微流控技术是采用互不相溶的两种或两种以上流体在微流控微通道或者液池内形成液滴或乳液，以这些液滴或乳液作为基本操作单元，实现微流控芯片的采样、稀释、加试剂、反应、分离、检查等功能，具有如试剂量小、操控精确、比表面积大、传质效率高、高度集成化等优点，同时具有便于线上分析、与各类传感、检测、控制技术的兼容性好、重构性好、避免试剂交叉污染等独特优点，在抗体检测、蛋白质分析、化学物合成、微胶囊及微反应器构造、药物释放、光子晶体制备等领域日益展现出其巨大的应用前景和发展潜力。
3.在液滴式微流控芯片中，为了实现上述中应用，需要对液滴进行特定的操控。例如，需要向液滴内部加入目标样品、完成液滴内部充分混合以及液滴物质分析检查等一系列功能，需要完成液滴生成、分裂、融合、混合、迁移、固定、分筛、存储、编码和液滴温度控制等操作。因此，液滴的操控技术是必不可少的。对于液滴操控方法提供驱动力而言，目前液滴微流控技术中的液滴操控主要采用外部激励方式，如电操控、磁力操控、声波操控等操控技术。但是，现有的操控技术依然存在着控制系统复杂、运行环境要求高、系统功能易损坏等问题。因此，开发新型、高效的液滴操控技术对于液滴微流控技术的发展有着重大的学术意义和工程应用价值。
4.近年来，将光学技术与液滴微流控技术相结合产生了一种新的液滴操控技术——光操控液滴技术。光操控液滴技术是以光作为激励信号，利用光与流体之间的相互作用，实现液滴的操控。利用光作为外部激励操控液滴除了拥有传统技术所具有的优点外，由于光的引入还具有以下优点：首先，光与流体的相互作用方式多，有利于液滴的多样化控制；其次，光可以精确聚焦到微纳尺度，所以光操控液滴具有精度高及靶向性强的特点；此外，光传播速度快且响应迅速，有利于液滴的高灵敏度操控。在各种光与流体的相互作用方式中，光热效应是其中一种重要的光与流体间的作用方式，它通过液相物质或光热转换介质吸收光能并将其转化为热能，可对液滴温度场，内部流动等进行精确操控。
5.近年来，利用光热效应操控液滴已经取得到了一些应用。rybalko等人利用激光操控漂浮在0.5mm的十二烷基硫酸钠水溶液上的硝基苯油滴运动。kotz等人利用激光诱导的热毛细流动控制浸没在正癸醇油相中的液滴在未改性聚苯乙烯表面迁移，其操控液滴直径从1.5mm到30μm之间，并实现了液滴之间的聚合。nikita等人利用二氧化硅纳米颗粒包裹液滴并用不同波段的激光进行照射，在光敏反应的作用下实现了液滴的逆表面流动迁移。sun等人利用蓝色激光与h2o2液滴中的fe2o3纳米粒子产生的光催化反应实现了h2o2液滴的定向迁移。这些研究工作均实现了利用光热效应控制液滴迁移，但是目前的液滴控制方式主要集中于实现二维的液滴操控，在具有障碍或者复杂的液相环境下，二维移动的液滴的操控受到限制，难以适用于诸如靶向给药，精准药物合成等应用场景；并且目前的液滴控制方
式大多需要对液滴进行物理或者化学的修饰，存在着制造复杂，系统繁琐，液滴污染等问题。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于提供一种光热操控液滴三维迁移装置及使用方法。
7.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：光热操控液滴三维迁移装置，包括容器和挡光盘，其特征在于：所述容器内设置有液态流体，用以给待操控液滴提供液相环境；所述液滴的密度大于所述液态流体的密度，使液滴位于容器底部；所述容器底部内表面涂覆有膜，该膜用于防止液滴黏附在容器底部；所述容器上方设置红外激光器，用于提供热源；所述红外激光器受控制器一控制，在容器上方进行水平移动；所述挡光盘位于容器和红外激光器之间，所述挡光盘受控制器二控制在容器上方水平移动；
8.所述红外激光器对所述液态流体和液滴同时加热，使液态流体表面形成温度梯度，液态流体被激光加热的地方温度高，其余地方温度低，并且液态流体的表面张力随液态流体温度增加而降低，因此液态流体表面形成远离激光的流动，提供液滴向上的升力；并且液态流体在容器内形成向上的回流，为液滴提供向上的拖拽力；在两种力的作用下，所述液滴被推动向上移动；同时液滴也吸收红外激光，无需进行化学和物理修饰，在液滴表面同样形成一定的温度梯度，液滴被激光加热的地方温度高，其余地方温度低，由于液滴的表面张力随温度增加而降低，因此液滴表面形成远离激光的流动，液滴对周围的液态流体相形成向下的作用力，而液态流体也反过来给液滴一个向上的作用力，使其上升；在这两种作用力的作用下，使液滴实现上升运动；当控制器二控制挡光盘挡住红外激光器时，液态流体和内部的流动减弱，液态流体对液滴向上的作用力减弱，当向上的作用力低于重力时液滴下沉；启动控制器二控制挡光盘周期性遮挡红外激光器，液态流体和液滴将周期性受热产生流动，液态流体对液滴周期性产生向上的作用力，使液滴在所处位置周期性上下振动；当控制器一控制所述红外激光器左右移动时，红外激光在所述液态流体中形成的环流将液滴拉向激光，使液滴左右移动；调节红外激光器激光功率、以及挡光盘的移动速率和红外激光器的移动速率，可改变液滴的受力情况，降低液滴上下振动频率，控制液滴在液态流体中所处的位置，实现液滴的可控悬浮，实现液滴的三维迁移。
9.根据本发明所述的光热操控液滴三维迁移装置的优选方案，所述液态流体采用能吸收红外激光，且与液滴不互溶、密度小于所述液滴3的流体。
10.本发明的第二个技术方案是：光热操控液滴三维迁移装置的使用方法，其特征在于：该装置包括容器和挡光盘，所述容器内设置有液态流体，用以给待操控液滴提供液相环境；所述液滴的密度大于所述液态流体的密度，使液滴位于容器底部；所述容器底部内表面涂覆有膜，该膜用于防止液滴黏附在容器底部；所述容器上方设置红外激光器，用于提供热源；所述红外激光器受控制器一控制在容器上方进行平行移动；所述挡光盘位于容器和红外激光器之间，所述挡光盘受控制器二控制在容器上方平行移动；
11.打开所述红外激光器对所述液态流体和液滴同时加热，使液态流体表面形成一定的温度梯度，被激光加热的地方温度高，其余地方温度低，并且液态流体的表面张力随液态流体温度增加而降低，因此液态流体表面形成远离激光的流动，并且液态流体在容器内形
成向上的回流，推动所述液滴向上移动；同时液滴也吸收红外激光，无需进行化学和物理修饰，在液滴表面同样形成一定的温度梯度，被激光加热的地方温度高，其余地方温度低，由于液滴的表面张力随温度增加而降低，因此液滴表面形成远离激光的流动，液滴对周围的液态流体相形成向下的作用力，而液态流体也反过来给液滴一个向上的作用力，使其上升；在这两种作用力的作用下，使液滴实现上升运动；开启控制器二，控制器二控制挡光盘水平移动，当挡光盘挡住红外激光器时，液态流体和液滴内部的流动减弱，液态流体对液滴向上的作用力减弱，当向上的作用力低于重力时液滴下沉；当控制器二控制挡光盘周期性遮挡红外激光器时，液态流体和液滴将周期性受热产生流动，进而周期性产生向上的作用力，液滴在所处位置周期性上下振动；
12.打开控制器一，使所述红外激光器左右移动，红外激光在所述液态流体中形成的环流将液滴拉向激光，使液滴左右移动；
13.调节红外激光器激光功率、以及挡光盘的移动速率和红外激光器的移动速率，可改变液滴的受力情况，以改变液滴上下振动频率，控制液滴在液态流体中所处的位置，实现液滴的可控悬浮，实现液滴的三维迁移。
14.根据本发明所述的基于光热蒸发的微流控样品浓缩装置的使用方法的优选方案，液态流体采用能吸收红外激光，且与液滴不互溶、密度小于所述液滴3的流体。
15.本发明所述的光热操控液滴三维迁移装置及使用方法的有益效果是：本发明利用液态流体和液滴对红外激光进行吸收产生的光热效应，实现了微流控操控，具有液滴的三维迁移操控功能，液滴无需进行化学和物理修饰，降低了对液滴的污染，本发明结构简单，使用方便，控制成本低，便于集成化，可广泛应用于化学物合成、流体输运、生化分析检测等领域。
附图说明
16.图1是本发明所述的光热操控液滴三维迁移装置的结构示意图。
17.图2是本发明所述的光热操控液滴三维迁移装置的工作原理示意图。
18.图3是本发明所述的挡光盘8遮挡红外激光器5时工作原理示意图。
19.图4是挡光盘8周期性遮挡红外激光器5时工作原理示意图。
20.图5是移动红外激光器5时工作原理示意图。
具体实施方式
21.下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
22.参见图1至图5，光热操控液滴三维迁移装置，包括容器1和挡光盘8，其特征在于：所述容器1内设置有液态流体2，用以给待操控液滴3提供液相环境；所述液滴3的密度大于所述液态流体2的密度，使液滴3位于容器1底部；所述容器1底部内表面涂覆有膜4，该膜4用于防止液滴黏附在容器底部；所述容器1上方设置有红外激光器5，用于提供热源；所述红外激光器5受控制器一6控制在容器1上方进行平行移动；所述挡光盘8位于容器1和红外激光器5之间，所述挡光盘8受控制器二7控制在容器1上方平行移动；
23.所述红外激光器5对所述液态流体2和液滴3同时加热，使液态流体2表面形成一定的温度梯度，被激光加热的地方温度高，其余地方温度低，并且液态流体2的表面张力随液态流体温度增加而降低，因此液态流体表面形成远离激光的流动，并且液态流体在容器内形成向上的回流，推动所述液滴3向上移动；同时液滴也吸收红外激光，无需进行化学和物理修饰，在液滴表面同样形成一定的温度梯度，被激光加热的地方温度高，其余地方温度低，由于液滴3的表面张力随温度增加而降低，因此液滴3表面形成远离激光的流动，液滴3对周围的液态流体2相形成向下的作用力，而液态流体2也反过来给液滴3一个向上的作用力，使其上升；在这两种作用力的作用下，使液滴3实现上升运动；当控制器二7控制挡光盘8挡住红外激光器5时，液态流体和液滴内部的流动减弱，液态流体对液滴向上的作用力减弱，当向上的作用力低于重力时液滴下沉；当控制器二7控制挡光盘8周期性遮挡红外激光器5，液态流体和液滴将周期性受热产生流动，进而周期性产生向上的作用力，液滴在所处位置周期性上下振动；当控制器一控制所述红外激光器左右移动时，红外激光在所述液态流体中形成的环流将液滴拉向激光，使液滴3左右移动；调节红外激光器激光功率、以及挡光盘8的移动速率和红外激光器5的移动速率，可改变液滴的受力情况，降低液滴上下振动频率，控制液滴在液态流体中所处的位置，实现液滴的可控悬浮，实现液滴的三维迁移。
24.在具体实施例中，所述液态流体2采用硅油获取其他溶液，与液滴不互溶，密度小于所述液滴3，且对红外波段激光吸收的流体。所述硅油为二甲基硅油等改为上位名称；所述液滴3可以是加入了化学试剂或者医用药物的水溶液。所述容器采用无盖有机玻璃容器，并且在容器的内部底部设置有膜，该膜可以是其他任何能够减小所述液滴3在容器底部的黏附，且不与所述液滴2和所述液态流体2反应的膜。比如该膜4为af2400含氟聚合物4。所述挡光盘8由不锈钢制成，也可以是任何能够不透过红外波段激光的材料制成。
25.光热操控液滴三维迁移装置的使用方法，该装置包括容器1和挡光盘8，所述容器1内设置有液态流体2，用以给待操控液滴3提供液相环境；所述液滴3的密度大于所述液态流体2的密度，使液滴3位于容器1底部；所述容器1底部内表面涂覆有膜4，该膜4用于防止液滴黏附在容器底部；所述容器1上方设置红外激光器5，用于提供热源；所述红外激光器5受控制器一6控制在容器1上方进行平行移动；所述挡光盘8位于容器1和红外激光器5之间，所述挡光盘8受控制器二7控制在容器1上方平行移动；
26.打开所述红外激光器5对所述液态流体2和液滴3同时加热，使液态流体2表面形成一定的温度梯度，被激光加热的地方温度高，其余地方温度低，并且液态流体2的表面张力随液态流体温度增加而降低，因此液态流体表面形成远离激光的流动，并且液态流体在容器内形成向上的回流，推动所述液滴3向上移动；同时液滴也吸收红外激光，无需进行化学和物理修饰，在液滴表面同样形成一定的温度梯度，被激光加热的地方温度高，其余地方温度低，由于液滴3的表面张力随温度增加而降低，因此液滴3表面形成远离激光的流动，液滴3对周围的液态流体2相形成向下的作用力，而液态流体2也反过来给液滴3一个向上的作用力，使其上升；在这两种作用力的作用下，使液滴3实现上升运动；开启控制器二7，控制器二7控制挡光盘8水平移动，也可以是控制器二7控制挡光盘8水平旋转，使挡光盘8对红外激光器5形成周期性遮挡。当挡光盘8挡住红外激光器5时，液态流体和液滴内部的流动减弱，液态流体对液滴向上的作用力减弱，当向上的作用力低于重力时液滴下沉；当控制器二7控制挡光盘8周期性遮挡红外激光器5时，液态流体和液滴将周期性受热产生流动，进而周期性
产生向上的作用力，液滴在所处位置周期性上下振动；
27.打开控制器一，使所述红外激光器左右移动，红外激光在所述液态流体中形成的环流将液滴拉向激光，使液滴3左右移动；
28.调节红外激光器激光功率、以及挡光盘8的移动速率和红外激光器5的移动速率，可改变液滴的受力情况，以降低液滴上下振动频率，控制液滴在液态流体中所处的位置，实现液滴的可控悬浮，实现液滴的三维迁移。
29.以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。