[發明專利]基于光熱波導的微流控芯片及其微流控方法

有效

• 申請號: 201611217086.9
• 申請日: 2016-12-26
• 公開（公告）號: CN106582903B
• 公開（公告）日: 2018-12-07
• 發明（設計）人: 邢曉波;鄭嘉鵬;周瑞雪;張俊優;何賽靈;楊劍鑫;史可樟
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: B01L3/00
• 分類號: B01L3/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 劉巧霞

本發明公開了一種基于光熱波導的微流控芯片及其微流控方法，該芯片包括光熱波導、微流室、光信號輸入端口、微流泵、微流體，光熱波導由光熱轉換材料與微納波導組裝而成，光熱波導浸沒在微流室底部，光源發出的光信號在光熱波導上傳輸；微流泵通過管道與微流室連接。光熱波導通過光信號激發出熱量進而在整個微流體中產生溫度梯度，誘導產生以豎直式渦旋流為特征的浮力對流以及以水平式渦旋流為特征的熱毛細對流。通過微流泵可改變流體層厚度進而控制微流體的流動模式。通過光信號的功率可改變光熱波導的熱量進而控制微流體的流動強度。該方法快捷方便、成本低廉且高效，可以產生多種形式的渦旋流。

技術領域

本發明屬于光流控技術領域，具體涉及一種基于光熱波導的微流控芯片及其微流控方法。

背景技術

在微流控芯片中，微流體流動的產生與控制是實現生物化學分析過程的樣品制備、反應、分離、檢測等模塊的基礎操之一。早期的微流體流動技術主要通過微型泵閥器件以及復雜流體通道來實現。21世紀中后期，伴隨著器件向集成化和小型化方向發展，蓬勃發展的微流控芯片技術與光學技術的有機結合，兩者相輔相成，造就了新技術領域的誕生，即光控微流技術。利用光熱材料將光能轉化為熱能，再轉化為驅動流體動力能量的方法是光控微流技術的典型。2008年，美國加利福利亞大學的研究者在《Nature Materials》(NatureMaterials 5,27-32(2006))雜志報道了利用光熱金屬納米粒子的能量轉化特性，通過懸浮的納米金來實現光熱操控流體技術，以此控制流體流向以用來運輸生物分子和活體細胞。此后，《Nature Communications》(Nature Communications 5,155-164(2014))《ACS Nano》(ACS Nano 5(7),5457-5462(2011))等雜志報道了利用金屬納米結構的光熱轉化來實現光熱操控流體技術，以此控制流體產生豎直流動來運輸化學材料。光控微流既滿足了復雜泵閥器件、表面化學和電極模式或者其他襯底制作的需求，又允許在大尺寸的微流控芯片中處理生物化學材料時不需要輔助任何物理或者機械泵浦器件。

在光控微流領域，激光與光熱材料相互作用產生的熱量的范圍與強度是能否實現控制微流的關鍵。鑒于目前傳統激光光束的局限性，目前的光控微流技術有幾大不足：1，激發設備復雜，損耗較大。高性能的傳統激光器工藝復雜、價格昂貴。同時激光的準直、聚焦、偏振態的轉換也需要復雜的光學元器件與光路來實現。因此，實驗平臺的準備、維護需要較高的經濟成本和時間成本。激光從光源出發需經過復雜光路再與材料相互作用，光學元器件會散射和吸收部分能量造成浪費。2，直接激光激發方式產生的流體流動形式單一，一般只激發流體的豎直流動，最終造成光控微流技術的功能局限在流體傳熱與傳質之中。

發明內容

為了克服現有技術的缺點與不足，本發明的目的在于提供一種基于光熱波導的微流控芯片，該芯片以光熱波導為基礎，利用其可調諧的優勢，誘導微流體產生豎直式、水平式、豎直水平混合式的渦旋流動，突破目前的光控微流技術形式單一、功能單一的局限。

本發明的另一目的在于提供一種基于上述渦旋式微流控芯片的微流控方法，該方法以光熱波導為基礎，具有成本低、損耗低、效率高的優勢，突破了傳統激光光束激發成本高、損耗大的局限。

本發明的目的通過下述技術方案實現：基于光熱波導的微流控芯片，包括芯片基底、光熱波導、微流室、光信號輸入端口、微流泵、微流體，所述微流室設置在芯片基底上，所述光熱波導由光熱轉換材料與微納波導組裝而成，光熱波導浸沒在微流室底部，光熱波導一端通過光信號輸入端口與外部光源連接，光源發出的光信號在所述光熱波導上傳輸；所述微流體放置在微流室內，微流泵通過管道與微流室連接。

所述的微納波導，為石英、氮化硅、或者其余熔點大于100攝氏度的聚合物等。優選為石英。

所述的微納波導，為脊形波導、矩形波導、或者圓柱形波導。優選為圓柱形波導。