一种基于c切铌酸锂芯片实时可控的微液滴输运方法
【专利摘要】本发明公开了一种微液滴输运方法，该方法以C切铌酸锂基底及聚四氟乙烯疏水膜为核心，利用光电润湿效应驱动微液滴，通过激光聚焦光斑在C切铌酸锂晶片上的扫描动作带动微液滴按任意二维路径进行输运。该方法所需的芯片结构简单可靠，可通过控制光斑扫描路径和激光功率对微液滴输运动作进行灵活的调控，可作用于极性液体，对待输运微液滴的物性没有特殊要求。该技术可用于生物、化学、医学分析过程中的微量药剂及流体样品的输运，对生物医疗、药物诊断、环境监测以及分子生物学等领域的发展具有非常重要的意义。
【专利说明】
一种基于C切铌酸锂芯片实时可控的微液滴输运方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种微液滴操控技术，具体是一种芯片结构简单可靠、作用液体范围广、输运动作调控灵活的微液滴输运方法。
【背景技术】
[0002]随着微流控芯片的迅速发展，微液滴的控制技术也受到人们越来越多的关注。微液滴控制技术一般应用于生物、化学、制药等领域的微量样品的分析过程中，它主要涉及微量试剂的输运、混合等。它对生物医疗、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具有非常重要的意义。
[0003]文献(WilliamH.Grover ,Alison M.Skel ley，Chung N,Liu,Eric T.Lagal Iy,Richard A.Matthies，Monolithic membrance valves and diaphragm pumps forpractical large-scale integrat1n into glass microfluidic devices，Sens.ActuatorsB，89，315-323 (2003))报道了一种利用微气栗装置完成微液体输运的方法，然而该方法需要鼓入空气，容易造成液体污染，并且需要制备复杂的微通道、微腔室，存在死区。此方法要求待输运液滴中的微粒较小且分散性良好，以防微通道堵塞。其芯片制作工艺复杂，成本较高，且输运方向和输运速度均不可调控。
[0004]2004年岳瑞峰等人利用电润湿的方法实现了对微液滴的输运(专利申请号:200410080348.2)。此方法需要在芯片上制作电极阵列与多层薄膜结构，其芯片制作工艺复杂，需要外加电源，并且该方法是通过顺序致动电极来改变芯片不同部位的润湿性，来间接驱动液滴，无法精确灵活地控制液滴的输运动作。此外，该方法要求被输运的液滴与芯片的接触面积必须大于单个电极的截面面积，无法完成较小液滴的输运，所以该方法只能对较大的微液滴进行输运，无法适应未来微流控芯片高度集成化的要求。
[0005]文献(杨旭豪，刘国君，赵天，杨志刚，刘建芳，李新波.声表面波技术在微流控研究领域中的应用[J].微纳电子技术，2014，07:438-446.)叙述了利用声表面波技术实现微液滴输运的方法。此方法需要在基底上制作复杂的叉指型电极，电极制作成本较高，工艺复杂，且电极位置不可调整，无法灵活准确的控制微液滴。并且该方法中待输运微液滴与电极直接接触，可能会腐蚀电极，造成液滴污染。
[0006]2015年M.Esseling等人(Optofluidic droplet router.Laserand Photonicsreviews,9,98-104(2015))以z切铌酸锂晶片做基底，利用该材料光折变空间电荷累积所产生的介电泳力，实现了对具有一定初速度的Novec 7300(电子氟化液)的定向输运。正如上文所述其缺点主要体现在:该方法实现的是对流体的路由操作，要求微液滴具有一定初速度，无法输运静止的液滴，而且此方法仅能完成对于弱极性微液滴的输运，不能用于强极性微液滴的输运，更不能对液滴的输运方向以及输运速度进行灵活的控制。该方法中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，成本较尚O
[0007]最近陈立品等人利用y切铌酸锂晶体的介电泳力作用实现了微液滴的输运(专利申请号:CN201511021872.7)。此方法通过激光聚焦光斑在铌酸锂晶片上的扫描动作可带动微液滴按任意二维路径进行输运，然而该方法中微液滴直接接触铌酸锂基底，对芯片的保护不足，难以多次使用，在输运强酸强碱液滴时可能会腐蚀基底并对液滴造成污染。
【发明内容】
[0008]目前已报道的微液滴输运方法存在芯片结构复杂、可靠性低、对待输运液滴物性要求高、输运动作调控性差等缺陷。针对上述问题，本发明提供一种芯片结构简单可靠、作用液滴范围广、输运动作调控灵活的微液滴输运方法。
[0009]—种微液滴输运方法，其特征在于:以C切铌酸锂基底及聚四氟乙烯疏水膜为核心，利用光电润湿效应完成对微液滴的二维输运。
[0010]—种微液滴输运方法，其特征在于:C切铌酸锂芯片由C切铌酸锂基底与一层聚四氟乙烯疏水膜组成，芯片结构简单。
[0011 ] —种微液滴输运方法，其特征在于:利用光电润湿效应完成对微液滴的输运，对待输运液滴的导电性、酸碱性、液滴中微粒大小以及分散程度等没有特殊要求，可以实现多种类型微液滴的输运。
[0012]一种微液滴输运方法，其特征在于:C切铌酸锂芯片有一层耐酸耐碱的聚四氟乙烯疏水膜，可以对C切铌酸锂基底进行有效的保护，芯片结构可靠性高，对待输运液滴影响小。
[0013]—种微液滴输运方法，其特征在于:通过计算机程序控制激光扫描路径，进而控制微液滴的输运路径。
[0014]与现有技术相比，本发明的优点在于所需C切铌酸锂芯片结构相对简单，不需要制作微栗、微阀、微通道及电极等，无需外加电源;该方法可以实现对于多种类型的微液滴的输运，对于待输运微液滴的导电性、微粒大小及分散程度、酸碱性没有特殊要求;芯片可靠性高，聚四氟乙烯薄膜可以对C切铌酸锂基底进行有效的保护;该方法可通过调节聚焦光斑的激光功率控制微液滴的接触角的变化从而控制微液滴输运的驱动力大小，并且可通过计算机控制光斑扫描路径对微液滴输运动作进行灵活的调控。
【附图说明】
[0015]图1为实现本发明一种基于C切铌酸锂芯片实时可控的微液滴输运方法所采用的装置图。
[0016]图2为本发明一种基于C切芯片实时可控的微液滴输运方法的光电润湿原理图。
[0017]图3为本发明一种基于C切铌酸锂芯片实时可控的微液滴输运方法的一种实施例(实例I)的输运过程图。(图中白色小圆点标识激光光斑的位置，箭头标识激光光斑相对于C切铌酸锂芯片的移动方向，下同)。
[0018]图4为本发明一种基于C切银酸锂芯片实时可控的微液滴输运方法的一种实施例(实例2)的输运过程图。
[0019]图5为本发明一种基于C切银酸锂芯片实时可控的微液滴输运方法的一种实施例(实例3)的输运过程图。
[0020]图6为本发明一种基于C切银酸锂芯片实时可控的微液滴输运方法的一种实施例(实例4)的输运过程图。
【具体实施方式】
[0021 ]下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
[0022]本发明公开了一种微液滴输运方法，实现该方法所需要的装置包括激光器1、光阑
2、背景光源3、C切铌酸锂芯片4、伺服电机5、计算机6、透明微动芯片平移台7、聚焦物镜8、半透半反镜9、滤光片10、(XD相机11、刚性支架12。其中激光器1、光阑2、半透半反镜9、聚焦物镜8、透明微动芯片平移台7、伺服电机5、计算机6、C切铌酸锂芯片4按顺序形成输运光路;背景光源3、C切铌酸锂芯片4、透明微动芯片平移台7、聚焦物镜8、半透半反镜9、滤光片10、(XD相机11按顺序形成实时观测光路。C切铌酸锂芯片6固定在透明微动芯片平移台7上，剩下的光学元件和电子器件均固定在钢性连接架12上，保证所有元件同轴准直。
[0023]本发明公开了一种微液滴输运方法，该方法的操作步骤为:以C切铌酸锂晶片为芯片基底，在基底上制备一层聚四氟乙烯疏水膜，通过上述方法制成C切铌酸锂芯片4，将待输运的微液滴导入至C切铌酸锂芯片上表面;打开激光器1，通过计算机6控制透明微动芯片平移台7移动C切铌酸锂芯片4的空间位置，使聚焦激光打在微液滴边缘位置;适当调节激光功率，再通过计算机程序控制透明微动芯片平移台7驱动C切铌酸锂芯片4运动，使激光聚焦光斑在C切铌酸锂晶片的二维平面上做相对扫描动作，带动微液滴按任意二维路径进行输运。液滴的输运速度可直接通过光斑扫描速度进行精准调控，液滴的输运驱动力可通过调节聚焦光功率进行实时控制。
[0024]所述的激光器I，要求它发出的激光照射在C切铌酸锂片上能有效地形成光生伏打场，所以其波长应介于350?750nm，聚焦激光功率应大于2mW，背景光源3可使用氙灯、卤素灯或高功率白光LED灯。聚焦物镜8放大倍率介于5?90倍。待输运液滴的介电常数应介于2.2?81，接触角应大于90°。
[0025]考虑元件的成本以及输运效果，各参数的优选范围是:激光器I的波长应介于380?580nm，聚焦激光功率应介于5?30mW，背景光源3选用卤素灯或白光LED灯。聚焦物镜8的放大倍率应介于25?50倍。待输运液滴的介电常数应介于2.2?81，接触角应介于90°?100。。
[0026]本发明方案的工作原理:聚焦激光光斑照射C切铌酸锂基底后会在C切铌酸锂基底上下表面间形成光生伏打场，在其上表面会有电荷积累，在光斑的作用范围内待输运微液滴会感应出等量的相反的电荷，这些电荷会改变微液滴的表面能，使得光斑作用位置的微液滴的接触角变小，即光电润湿效应。同一液滴的不同位置的接触角不同会使液滴发生变形，在其表面张力的作用下微液滴便会发生移动。通过移动光斑便可使微液滴跟随光斑移动，即完成液滴的输运。
[0027]下面给出本发明实现微液滴输运方法的具体实施例，具体实施例仅用于详细说明本发明，并不限制本申请权利要求的保护范围。
[0028]实例I
[0029]使用波长为488nm的激光器，背景光源选用卤素灯，聚焦物镜放大倍数为25倍，待输运微液滴(去离子水)体积为0.2yL。打开激光器，调节微液滴的空间位置使聚焦光斑位于其边缘，调节聚焦激光功率为15mW。通过计算机控制C切铌酸锂芯片运动，使激光光斑在其表面上沿一定路径进行扫描，微液滴会与激光光斑一同移动，实现对微液滴的输运，输运速度为 133ym/s。
[0030]实例2
[0031]使用波长为532nm的激光器，背景光源选用卤素灯，聚焦物镜放大倍数为25倍，待输运微液滴(食盐水)体积为0.3yL。打开激光器，调节微液滴的空间位置使聚焦光斑位于其边缘，调节聚焦激光功率为16mW。通过计算机控制C切铌酸锂芯片运动，使激光光斑在其表面上沿一定路径进行扫描，微液滴会与激光光斑一同移动，实现对微液滴的输运，输运速度为33ym/s。
[0032]实例3
[0033]使用波长为405nm的激光器，背景光源选用白光LED灯，聚焦物镜放大倍数为25倍，待输运微液滴(去离子水)体积为0.lyL。打开激光器，调节微液滴的空间位置使聚焦光斑位于其边缘，调节聚焦激光功率为16mW。通过计算机控制C切铌酸锂芯片运动，使激光光斑在其表面上沿一定路径进行扫描，微液滴会与激光光斑一同移动，实现对微液滴的输运，输运速度为153ym/s。
[0034]实例4
[0035]使用波长为532nm的激光器，背景光源选用卤素灯，聚焦物镜放大倍数为25倍，待输运微液滴(盐酸)体积为0.07yL。打开激光器，调节微液滴的空间位置使聚焦光斑位于其边缘，调节聚焦光功率为7mW。通过计算机控制C切铌酸锂芯片运动，使激光光斑在其表面上沿一定路径进行扫描，微液滴会与激光光斑一同移动，实现对微液滴的输运，输运速度为100ym/so
[0036]以上所述具体实例对本发明的技术方案和实施办法做了进一步地详细说明，应理解的是，以上实例并不仅用于本发明，凡是在本发明的精神和原则之内进行的同等修改、等效替换、改进等均应该在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种微液滴输运方法，其特征在于:以C切铌酸锂基底及聚四氟乙烯疏水膜为核心，利用光电润湿效应完成对微液滴的二维输运。2.根据权利要求1所述的一种微液滴输运方法，其特征在于:C切铌酸锂芯片由C切铌酸锂基底与一层聚四氟乙烯疏水膜组成，芯片结构简单。3.根据权利要求1所述的一种微液滴输运方法，其特征在于:利用光电润湿效应完成对微液滴的输运，对待输运液滴的导电性、酸碱性、液滴中微粒大小以及分散程度等没有特殊要求，可以实现多种类型微液滴的输运。4.根据权利要求1所述的一种微液滴输运方法，其特征在于:C切铌酸锂芯片有一层耐酸耐碱的聚四氟乙烯疏水膜，可以对C切铌酸锂基底进行有效的保护，芯片结构可靠性高，对待输运液滴影响小。5.根据权利要求1所述的一种微液滴输运方法，其特征在于:通过计算机程序控制激光扫描路径，进而控制微液滴的输运路径。
【文档编号】G01N35/00GK106093443SQ201610382929
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月31日 公开号201610382929.4, CN 106093443 A, CN 106093443A, CN 201610382929, CN-A-106093443, CN106093443 A, CN106093443A, CN201610382929, CN201610382929.4
【发明人】樊博麟, 阎文博, 陈立品, 陈洪建, 王旭亮, 李少北, 李菲菲, 张羽晴
【申请人】河北工业大学