一種基于c切鈮酸鋰芯片實時可控的微液滴輸運方法
【專利摘要】本發明公開了一種微液滴輸運方法，該方法以C切鈮酸鋰基底及聚四氟乙烯疏水膜為核心，利用光電潤濕效應驅動微液滴，通過激光聚焦光斑在C切鈮酸鋰晶片上的掃描動作帶動微液滴按任意二維路徑進行輸運。該方法所需的芯片結構簡單可靠，可通過控制光斑掃描路徑和激光功率對微液滴輸運動作進行靈活的調控，可作用于極性液體，對待輸運微液滴的物性沒有特殊要求。該技術可用于生物、化學、醫學分析過程中的微量藥劑及流體樣品的輸運，對生物醫療、藥物診斷、環境監測以及分子生物學等領域的發展具有非常重要的意義。
【專利說明】
一種基于C切鈮酸鋰芯片實時可控的微液滴輸運方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種微液滴操控技術，具體是一種芯片結構簡單可靠、作用液體范圍廣、輸運動作調控靈活的微液滴輸運方法。
【背景技術】
[0002]隨著微流控芯片的迅速發展，微液滴的控制技術也受到人們越來越多的關注。微液滴控制技術一般應用于生物、化學、制藥等領域的微量樣品的分析過程中，它主要涉及微量試劑的輸運、混合等。它對生物醫療、藥物診斷、食品衛生、環境監測以及分子生物學等領域的發展具有非常重要的意義。
[0003]文獻(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))報道了一種利用微氣栗裝置完成微液體輸運的方法，然而該方法需要鼓入空氣，容易造成液體污染，并且需要制備復雜的微通道、微腔室，存在死區。此方法要求待輸運液滴中的微粒較小且分散性良好，以防微通道堵塞。其芯片制作工藝復雜，成本較高，且輸運方向和輸運速度均不可調控。
[0004]2004年岳瑞峰等人利用電潤濕的方法實現了對微液滴的輸運(專利申請號:200410080348.2)。此方法需要在芯片上制作電極陣列與多層薄膜結構，其芯片制作工藝復雜，需要外加電源，并且該方法是通過順序致動電極來改變芯片不同部位的潤濕性，來間接驅動液滴，無法精確靈活地控制液滴的輸運動作。此外，該方法要求被輸運的液滴與芯片的接觸面積必須大于單個電極的截面面積，無法完成較小液滴的輸運，所以該方法只能對較大的微液滴進行輸運，無法適應未來微流控芯片高度集成化的要求。
[0005]文獻(楊旭豪，劉國君，趙天，楊志剛，劉建芳，李新波.聲表面波技術在微流控研究領域中的應用[J].微納電子技術，2014，07:438-446.)敘述了利用聲表面波技術實現微液滴輸運的方法。此方法需要在基底上制作復雜的叉指型電極，電極制作成本較高，工藝復雜，且電極位置不可調整，無法靈活準確的控制微液滴。并且該方法中待輸運微液滴與電極直接接觸，可能會腐蝕電極，造成液滴污染。
[0006]2015年M.Esseling等人(Optofluidic droplet router.Laserand Photonicsreviews,9,98-104(2015))以z切鈮酸鋰晶片做基底，利用該材料光折變空間電荷累積所產生的介電泳力，實現了對具有一定初速度的Novec 7300(電子氟化液)的定向輸運。正如上文所述其缺點主要體現在:該方法實現的是對流體的路由操作，要求微液滴具有一定初速度，無法輸運靜止的液滴，而且此方法僅能完成對于弱極性微液滴的輸運，不能用于強極性微液滴的輸運，更不能對液滴的輸運方向以及輸運速度進行靈活的控制。該方法中虛擬電極的形成需要激光和空間光調制器組成的掩膜光照系統對鈮酸鋰基底進行預處理，成本較尚O
[0007]最近陳立品等人利用y切鈮酸鋰晶體的介電泳力作用實現了微液滴的輸運(專利申請號:CN201511021872.7)。此方法通過激光聚焦光斑在鈮酸鋰晶片上的掃描動作可帶動微液滴按任意二維路徑進行輸運，然而該方法中微液滴直接接觸鈮酸鋰基底，對芯片的保護不足，難以多次使用，在輸運強酸強堿液滴時可能會腐蝕基底并對液滴造成污染。
【發明內容】
[0008]目前已報道的微液滴輸運方法存在芯片結構復雜、可靠性低、對待輸運液滴物性要求高、輸運動作調控性差等缺陷。針對上述問題，本發明提供一種芯片結構簡單可靠、作用液滴范圍廣、輸運動作調控靈活的微液滴輸運方法。
[0009]—種微液滴輸運方法，其特征在于:以C切鈮酸鋰基底及聚四氟乙烯疏水膜為核心，利用光電潤濕效應完成對微液滴的二維輸運。
[0010]—種微液滴輸運方法，其特征在于:C切鈮酸鋰芯片由C切鈮酸鋰基底與一層聚四氟乙烯疏水膜組成，芯片結構簡單。
[0011 ] —種微液滴輸運方法，其特征在于:利用光電潤濕效應完成對微液滴的輸運，對待輸運液滴的導電性、酸堿性、液滴中微粒大小以及分散程度等沒有特殊要求，可以實現多種類型微液滴的輸運。
[0012]一種微液滴輸運方法，其特征在于:C切鈮酸鋰芯片有一層耐酸耐堿的聚四氟乙烯疏水膜，可以對C切鈮酸鋰基底進行有效的保護，芯片結構可靠性高，對待輸運液滴影響小。
[0013]—種微液滴輸運方法，其特征在于:通過計算機程序控制激光掃描路徑，進而控制微液滴的輸運路徑。
[0014]與現有技術相比，本發明的優點在于所需C切鈮酸鋰芯片結構相對簡單，不需要制作微栗、微閥、微通道及電極等，無需外加電源;該方法可以實現對于多種類型的微液滴的輸運，對于待輸運微液滴的導電性、微粒大小及分散程度、酸堿性沒有特殊要求;芯片可靠性高，聚四氟乙烯薄膜可以對C切鈮酸鋰基底進行有效的保護;該方法可通過調節聚焦光斑的激光功率控制微液滴的接觸角的變化從而控制微液滴輸運的驅動力大小，并且可通過計算機控制光斑掃描路徑對微液滴輸運動作進行靈活的調控。
【附圖說明】
[0015]圖1為實現本發明一種基于C切鈮酸鋰芯片實時可控的微液滴輸運方法所采用的裝置圖。
[0016]圖2為本發明一種基于C切芯片實時可控的微液滴輸運方法的光電潤濕原理圖。
[0017]圖3為本發明一種基于C切鈮酸鋰芯片實時可控的微液滴輸運方法的一種實施例(實例I)的輸運過程圖。(圖中白色小圓點標識激光光斑的位置，箭頭標識激光光斑相對于C切鈮酸鋰芯片的移動方向，下同)。
[0018]圖4為本發明一種基于C切銀酸鋰芯片實時可控的微液滴輸運方法的一種實施例(實例2)的輸運過程圖。
[0019]圖5為本發明一種基于C切銀酸鋰芯片實時可控的微液滴輸運方法的一種實施例(實例3)的輸運過程圖。
[0020]圖6為本發明一種基于C切銀酸鋰芯片實時可控的微液滴輸運方法的一種實施例(實例4)的輸運過程圖。
【具體實施方式】
[0021 ]下面結合實施例和附圖對本發明做進一步說明。
[0022]本發明公開了一種微液滴輸運方法，實現該方法所需要的裝置包括激光器1、光闌
2、背景光源3、C切鈮酸鋰芯片4、伺服電機5、計算機6、透明微動芯片平移臺7、聚焦物鏡8、半透半反鏡9、濾光片10、(XD相機11、剛性支架12。其中激光器1、光闌2、半透半反鏡9、聚焦物鏡8、透明微動芯片平移臺7、伺服電機5、計算機6、C切鈮酸鋰芯片4按順序形成輸運光路;背景光源3、C切鈮酸鋰芯片4、透明微動芯片平移臺7、聚焦物鏡8、半透半反鏡9、濾光片10、(XD相機11按順序形成實時觀測光路。C切鈮酸鋰芯片6固定在透明微動芯片平移臺7上，剩下的光學元件和電子器件均固定在鋼性連接架12上，保證所有元件同軸準直。
[0023]本發明公開了一種微液滴輸運方法，該方法的操作步驟為:以C切鈮酸鋰晶片為芯片基底，在基底上制備一層聚四氟乙烯疏水膜，通過上述方法制成C切鈮酸鋰芯片4，將待輸運的微液滴導入至C切鈮酸鋰芯片上表面;打開激光器1，通過計算機6控制透明微動芯片平移臺7移動C切鈮酸鋰芯片4的空間位置，使聚焦激光打在微液滴邊緣位置;適當調節激光功率，再通過計算機程序控制透明微動芯片平移臺7驅動C切鈮酸鋰芯片4運動，使激光聚焦光斑在C切鈮酸鋰晶片的二維平面上做相對掃描動作，帶動微液滴按任意二維路徑進行輸運。液滴的輸運速度可直接通過光斑掃描速度進行精準調控，液滴的輸運驅動力可通過調節聚焦光功率進行實時控制。
[0024]所述的激光器I，要求它發出的激光照射在C切鈮酸鋰片上能有效地形成光生伏打場，所以其波長應介于350?750nm，聚焦激光功率應大于2mW，背景光源3可使用氙燈、鹵素燈或高功率白光LED燈。聚焦物鏡8放大倍率介于5?90倍。待輸運液滴的介電常數應介于2.2?81，接觸角應大于90°。
[0025]考慮元件的成本以及輸運效果，各參數的優選范圍是:激光器I的波長應介于380?580nm，聚焦激光功率應介于5?30mW，背景光源3選用鹵素燈或白光LED燈。聚焦物鏡8的放大倍率應介于25?50倍。待輸運液滴的介電常數應介于2.2?81，接觸角應介于90°?100。。
[0026]本發明方案的工作原理:聚焦激光光斑照射C切鈮酸鋰基底后會在C切鈮酸鋰基底上下表面間形成光生伏打場，在其上表面會有電荷積累，在光斑的作用范圍內待輸運微液滴會感應出等量的相反的電荷，這些電荷會改變微液滴的表面能，使得光斑作用位置的微液滴的接觸角變小，即光電潤濕效應。同一液滴的不同位置的接觸角不同會使液滴發生變形，在其表面張力的作用下微液滴便會發生移動。通過移動光斑便可使微液滴跟隨光斑移動，即完成液滴的輸運。
[0027]下面給出本發明實現微液滴輸運方法的具體實施例，具體實施例僅用于詳細說明本發明，并不限制本申請權利要求的保護范圍。
[0028]實例I
[0029]使用波長為488nm的激光器，背景光源選用鹵素燈，聚焦物鏡放大倍數為25倍，待輸運微液滴(去離子水)體積為0.2yL。打開激光器，調節微液滴的空間位置使聚焦光斑位于其邊緣，調節聚焦激光功率為15mW。通過計算機控制C切鈮酸鋰芯片運動，使激光光斑在其表面上沿一定路徑進行掃描，微液滴會與激光光斑一同移動，實現對微液滴的輸運，輸運速度為 133ym/s。
[0030]實例2
[0031]使用波長為532nm的激光器，背景光源選用鹵素燈，聚焦物鏡放大倍數為25倍，待輸運微液滴(食鹽水)體積為0.3yL。打開激光器，調節微液滴的空間位置使聚焦光斑位于其邊緣，調節聚焦激光功率為16mW。通過計算機控制C切鈮酸鋰芯片運動，使激光光斑在其表面上沿一定路徑進行掃描，微液滴會與激光光斑一同移動，實現對微液滴的輸運，輸運速度為33ym/s。
[0032]實例3
[0033]使用波長為405nm的激光器，背景光源選用白光LED燈，聚焦物鏡放大倍數為25倍，待輸運微液滴(去離子水)體積為0.lyL。打開激光器，調節微液滴的空間位置使聚焦光斑位于其邊緣，調節聚焦激光功率為16mW。通過計算機控制C切鈮酸鋰芯片運動，使激光光斑在其表面上沿一定路徑進行掃描，微液滴會與激光光斑一同移動，實現對微液滴的輸運，輸運速度為153ym/s。
[0034]實例4
[0035]使用波長為532nm的激光器，背景光源選用鹵素燈，聚焦物鏡放大倍數為25倍，待輸運微液滴(鹽酸)體積為0.07yL。打開激光器，調節微液滴的空間位置使聚焦光斑位于其邊緣，調節聚焦光功率為7mW。通過計算機控制C切鈮酸鋰芯片運動，使激光光斑在其表面上沿一定路徑進行掃描，微液滴會與激光光斑一同移動，實現對微液滴的輸運，輸運速度為100ym/so
[0036]以上所述具體實例對本發明的技術方案和實施辦法做了進一步地詳細說明，應理解的是，以上實例并不僅用于本發明，凡是在本發明的精神和原則之內進行的同等修改、等效替換、改進等均應該在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種微液滴輸運方法，其特征在于:以C切鈮酸鋰基底及聚四氟乙烯疏水膜為核心，利用光電潤濕效應完成對微液滴的二維輸運。2.根據權利要求1所述的一種微液滴輸運方法，其特征在于:C切鈮酸鋰芯片由C切鈮酸鋰基底與一層聚四氟乙烯疏水膜組成，芯片結構簡單。3.根據權利要求1所述的一種微液滴輸運方法，其特征在于:利用光電潤濕效應完成對微液滴的輸運，對待輸運液滴的導電性、酸堿性、液滴中微粒大小以及分散程度等沒有特殊要求，可以實現多種類型微液滴的輸運。4.根據權利要求1所述的一種微液滴輸運方法，其特征在于:C切鈮酸鋰芯片有一層耐酸耐堿的聚四氟乙烯疏水膜，可以對C切鈮酸鋰基底進行有效的保護，芯片結構可靠性高，對待輸運液滴影響小。5.根據權利要求1所述的一種微液滴輸運方法，其特征在于:通過計算機程序控制激光掃描路徑，進而控制微液滴的輸運路徑。
【文檔編號】G01N35/00GK106093443SQ201610382929
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月31日 公開號201610382929.4, CN 106093443 A, CN 106093443A, CN 201610382929, CN-A-106093443, CN106093443 A, CN106093443A, CN201610382929, CN201610382929.4
【發明人】樊博麟, 閻文博, 陳立品, 陳洪建, 王旭亮, 李少北, 李菲菲, 張羽晴
【申請人】河北工業大學