基于光热气泡的微纳粒子三维操纵系统

(一)本发明提供的是一种基于光热气泡的微纳粒子三维操纵系统，主要涉及光学与流体动力学领域，更具体地，涉及一种可以实现对微纳粒子的三维旋转与圆周运动的操纵。

背景技术：

0、(二)背景技术

1、自文明发展以来，微纳操纵技术就向着小型化，智能化，精准化的方向发展，近年来，微纳技术的不断发展，在20世纪80年代费曼对于微纳技术的预测更加接近现实，在过去的二十年中取得显著进展，微纳操纵技术融合微纳技术和其他学科进行结合形成了独特的交叉优势，可以随着不同的应用场景进行调整，应用更加广泛，微电子技术、微纳加工技术、生物学、物理学和化学都具有微纳特性微纳，因此微尺度上的操纵可以为疾病监测，物体组装等提供新的科学见解与工具，微纳场控操作技术主要是物理场(磁场，光场，声场)操纵物体或驱动微机器人。

2、其中光场对微纳粒子的操纵主要是1986年a，ashkin等人发现光镊光以来，由于使用光镊来捕获操纵微纳粒子具有非接触性、无大机械损伤等优点，这使得光镊在生物学领域表现出了突出的优势。它通过透镜聚焦激光束，在激光焦点处形成光阱。微纳米物体被光压力限制在光阱中。因此，该控制方法可以被称为光控制或光学控制。平面运动控制微纳物体随光阱平面运动，光阱沿垂直于焦点的方向运动。激光器的光压力是由光通过控制对象引起的动量变化，这反过来又产生了捕获力。因此，光的波长、物体的尺寸以及物体的光学性质都是激光俘获的重要因素。目前，光镊的主流包括光纤光镊、全息光镊、磁光镊和电光镊。特别地，全息光镊属于多光束光镊，其通过使用全息元件构造光场而形成。

3、在自然界中材料可以通过吸收，散射，反射，折射的相互作用来实现动量传输，能量会以热梯度的形式释放到流体中，从而产生热场。近年来，有研究人员提出，汇聚光束到特殊材质的固体基板上，通过激光作用使局部材料液化来克服布朗运动使微粒运动(acsnano 2022,16,8820-8826)。或者使用吸热材料生成气泡进行微粒的收集，震荡，任意气泡自组装等(nano lett.2016,16,644-650)。研究人员还用光束作用沉积有贵金属材料或者用金纳米颗粒等微粒作为衬底吸收热量，并在液体中产生热对流或者气泡机器人，以操作微粒(lab chip,2013,13,1772)。用光来进行非接触的微纳颗粒操纵越来越丰富和完善，也将应用于更多的领域中。

4、2017年，chenglong zhao教授等人(nanoscale,2017,9,6622)介绍并总结了一种光热气泡的表面应用，提出“光热生成的表面气泡”，描述了通过激光诱导的热效应在液-固界面处形成的微米/纳米尺寸的气泡。在该过程中，激光束聚焦在吸收表面或纳米结构上以选择性地加热该区域。在激光器的某一最小功率以上时，可以在激光器聚焦的表面上产生气泡。这种表面气泡可以用各种各样的激光器有效地产生，例如连续波激光器和脉冲宽度为微秒、纳秒、甚至飞秒的脉冲激光器，而不改变液体溶液的内容物，这归因于表面或纳米结构上的增强的吸收。一旦表面气泡在表面上形成，其在表面上的位置和大小可以被远程测量。这种非侵入性和可操纵的表面气泡还引起温度梯度和长范围流体动力，可用于各种各样的应用。例如，长程流体动力已经被用于操纵颗粒或流体，因此，表面气泡能够在微/纳米操纵、微流体、声流体和生物学中实现广泛的应用。不过目前的发展更多是在底面上的二维驱动，以及与其他领域的交叉应用，需要更加完善和灵活的微纳粒子操纵。

技术实现思路

0、(三)
技术实现要素：

1、针对当前技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于光热气泡的微纳粒子三维操纵系统。通过光热效应产生气泡，带动周围流场变化，可以实现对微纳粒子的三维操纵。

2、本发明的目的是这样实现的：

3、基于光热气泡的微纳粒子三维操纵系统，是由微纳粒子操纵(1)、激光调制系统(2)、操纵装置(3)，其中激光调制系统(2)由固体激光器(101)、空间光调制器(103)、双色分束镜(105)；激光器(101)出射激光光束(102)到空间光调制器(103)中，空间光调制器可以让我们调制任意想要的光场进行操纵；从空间光调制(103)出射的调制光(104)入射到双色分束镜(105)上进行反射，经过双色分束镜(105)反射到物镜(106)中聚焦后输出聚焦光到光热膜(109)上，聚焦光入射到样品室(3)中的光热膜(109)上，最后根据溶液特性选择是否将盖玻片(108)将样品室(107)和其中溶液(110)进行密封处理。

4、对于本操纵系统最重要的就是微纳粒子操纵系统(1)，它包括聚焦光束(111)操纵光束(112)、光热气泡(113)、涡流(114)和微纳粒子(115)，当聚焦光束(111)入射到光热膜(109)时候汇聚，在光热效应下光热膜的表面会逐渐产生光热气泡(113)，由于操纵光束(112)存在的原因，光热气泡(113)周围会出现非对称的涡流(114)，周围存在的微纳粒子(115)会被涡流(114)捕获，并且在流场的作用下沿着环形的轨迹运动，实现了微纳粒子(115)的三维旋转。另一方面还可以通过空间光调制器(103)来改变激光在气泡中的位置实现对涡流(114)位置的改变，最终实现对微纳粒子(115)捕获位置或运动状态的动态调控，实现三维旋转以及光热气泡(113)周围的圆周运动。

5、所述的光热膜(109)是自由基光引发剂，阳离子性光引发剂或者金属氧酸盐等其他相关光刻写材料。所述的聚焦光束(111)和操纵光束(112)的数量可以自由选择的，单束激光、双束激光或者多束激光。所述的聚焦光束(111)和操纵光束(112)是高斯光、贝塞尔光、艾里光、环形光或者其他特殊光束的一种。所述的微纳粒子(114)是介质粒子、金属粒子、生物粒子或者其他粒子。

6、下面详细阐述一下该发明装置中的光热气泡对微纳粒子三维操纵的原理。

7、光热气泡周围的气体-液体表面会因为表面张力的变化产生一种名为热毛细力的净力，一般改变表面张力的方法有很多，而通过局部激光加热而产生温度梯度改变表面张力的办法又叫热毛细效应，其中由温度梯度产生由流体的粘性力平衡的热毛细力。

8、热毛细效应所引起的液体之间的速度场可以描述为：

9、

10、其中γ是表面张力的温度导数(ν/(m*k)，η是动态粘度(kg/ms)，u是速度矢量(m/s)，t是温度(k)，方程表示着在气泡表面生成的热毛细力是与t成正比的。

11、在激光作用之后光热膜对激光进行热转换形成温度梯度，在液体-空气或者不同液体界面有温度梯度存在时候，气液表面的表面张力会受到温度梯度的影响，温度高的地方表面张力变低，温度低的地方表面张力变高，温度梯度对应反向的表面张力梯度，由于热毛细效应，表面张力大的液体对其周围表面张力小的液体的拉力更强，会沿着气-液表面产生相对于气泡切向方向的力，从而引起气泡周围的液体流动，形成涡流场，当加入两束激光时，气泡表面温度场会发生变化。

12、当激光照射到膜结构上时，根据光热气泡周围环境给出流体中的热传递方程式：

13、

14、其中ρ是溶液密度，cp是溶液热容，u是流体的场速度，k是热导率。

15、实验中总热通量主要由两种不同的机制形成：能量辐射，自然对流，激光形成的热源如下：

16、q＝αi0                                                       (3)

17、q为单位体积的热源，α为吸收系数。

18、而系统中的流场运动可以由广义连续性，动量方程给出：

19、

20、

21、其中ρ是流体的密度，η是动态粘度系数，p是外部压力，v表示流体流量，可以通过气泡周围的能量变化，计算出气泡周围液体流速分布，从而了解流场的变化。

22、以图3(b)所述的双激光为例，分别使用一束激光固定另一束移动操纵，理论分析结果如图4(a)-(c)所示，图4(a)可以看到由两束激光为竖直切面的流场分布图，在图4(a)中左边区域可以看到在气泡附近100-200μm之间的位置形成涡流场，并且右边流场流速箭头指向左边流场，因此左边形成捕获流场，微粒主要在这个流场中运动，图4(b)所示在涡流中心截面上的流场分布，可以看到气泡周围流场的汇聚效果，在两束激光对角方向形成捕获流场，同时图4(c)所示气泡周围向上的流速分布，主要部分集中在激光多的区域，少的区域则形成较稳定的捕获流场。

23、图5(a)、(b)分别是图4(b)所示的涡流方向流速分布图，和涡流半径角向流速分布图，可以看到在气泡中心附近形成捕获势阱，同时角向来看在激光连线方向流场都进行反转，拥有与捕获势阱相同的现象，图5(c)是图4(c)所示的涡流方向流速分布图，流速随着远离气泡慢慢降低，在捕获势阱中心附近反向，有唯一的捕获势阱，通过构建这种流场的方式我们可以实现通过激光的变化改变流场，从而对微纳粒子进行三维操纵。

24、本发明的优点主要体现在克服了在先技术的不足，利用特殊膜结构的吸热效应实现了局部光热气泡的形成，再通过偏转的激光在气泡表面构建非轴对称的温度场，进而形成足以驱动微纳粒子的流场，并且我们可以通过对激光的变化引起流场的变化，实现对微纳粒子的三维操纵如三维旋转，圆周运动，微粒集群等效果。整体装置结构简单，功能灵活，可以选择装置的任意位置进行操纵，同时光热气泡可以在激光的操纵下任意移动，这种独特的微纳粒子操纵弥补了激光三维操纵的不足，实现了对一个或多个目标粒子的精确操纵，且无需直接照射它们，激光焦点和流体动力学捕获的物体之间的物理分离保护它们免受光损伤。本装置有望为气泡操纵领域的研究提供新的活力，其对微纳粒子、生物状态、材料组装等方向有新的应用价值。