[發明專利]基于光流漩渦陣列的材料分布式控制平臺及控制方法

有效

• 申請號: 201611217652.6
• 申請日: 2016-12-26
• 公開（公告）號: CN106622436B
• 公開（公告）日: 2019-02-26
• 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: B01L9/02
• 分類號: B01L9/02;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流漩渦陣列的材料分布式控制平臺及控制方法，通過激發微流體表面上的光熱熱源產生馬蘭格尼對流，其由四個漩渦組成，每個漩渦均按照一定方向旋轉，且在中心處速度最小。每個漩渦的中心可以提供一個穩定的勢壘用于捕獲材料。一旦材料被捕獲至漩渦中心，漩渦的旋轉流向可提供扭矩驅動材料旋轉(順時針或者逆時針均可)。漩渦陣列可在芯片中隨著微納波導的移動而移動，進而可以操控目標在微流體中定向移動。在漩渦對微粒的捕獲與旋轉的基礎上，可以將原先就散布在微流體中的互不接觸的多種微粒、生物細胞等通過吸引捕獲在同一個漩渦中，各種材料在渦旋中的旋轉將促進材料之間的相互作用，從而誘導材料實現自動組裝等功能。

技術領域

本發明屬于材料操控領域，具體涉及一種基于光流漩渦陣列的實現對微納米材料、生物細胞及其分子等的分布式捕獲、靶向操控、自身旋轉、自動組裝的多功能控制平臺及控制方法。

背景技術

在微流控系統中，實現對流體中各種材料的捕獲、移動、排列等操控是實現材料合成與分析的基本手段。在微系統和生物醫學領域具有廣泛的應用價值。以往的操作技術主要通過原子力顯微鏡的探針實現接觸式操作，對于生化環境，這種直接接觸容易對樣品造成機械損傷和污染。因此利用外來的設備激發各類場來實現遙控操作成為材料操控的首選。然而這種方法對操控的目標的材料性質具有很大的限制。比如利用靜電場只能捕獲帶有電荷的材料，利用靜磁場只能捕獲帶有磁性的粒子。由于激光光束具有方向性好、無污染等優點，并且能夠在液相中工作，利用光場已經逐漸成為研發遙控操作微納米材料的理想工具。利用激光光束的線動量或者角動量可以將微粒限制在光束中心甚至驅動微粒旋轉，分別被稱為光鑷以及光學扳手。此外利用激光激發具有激發表面等離子體增強效應的各類金屬納米結構也可實現對流體及流體中粒子的操作，被稱為等離子體光鑷。

目前利用激光的方法已經實現了多樣的控制功能，包括捕獲、旋轉、收集等。但這種方法對材料的折射率、形狀有很大限制，例如，對于規則球體的聚合物材料準確率較高，而對于金屬材料以及不規則材料的操控失誤率較高。此外需要克服流體的粘滯阻力，以及激光聚焦衍射極限的存在等因素，使得激光光源需要較大功率。此外采用一束激光進行激發，只能控制位于激光光斑內的材料，作用范圍有限，若想同時捕獲多個區域的材料，需要使用多束激光，這也意味著需要更多的實驗設備與操作來完成。因此目前的激光光鑷技術難以實現材料的分布式捕獲。

發明內容

為了克服現有技術的缺點與不足，本發明的目的在于以光流漩渦陣列為基礎，提出一種材料分布式控制平臺，該平臺通過激發微流體表面上的光熱熱源產生馬蘭格尼對流，利用該對流的特性實現材料分布式控制。

本發明基于光流漩渦陣列的材料分布式控制方法具體包括4種：捕獲、操控、旋轉、組裝，通過在微流體上激發光流漩渦陣列實現微納米材料的分布式捕獲，通過激發功率或者調控激發源的位置實現對捕獲材料的靶向操控，通過漩渦的旋轉流向實現對捕獲材料的旋轉操控，通過漩渦的旋轉實現對多種捕獲材料的自動組裝。

本發明的目的通過下述技術方案實現：基于光流漩渦陣列的材料分布式控制平臺，包括光熱熱源、微流控芯片、微流體、普通光纖、光源以及微調整架，微流體放置在微流控芯片中，所述光熱熱源由光熱轉換材料與微納波導組裝而成，光熱轉換材料包覆在微納波導上，光熱熱源放置在微流體上，微納波導一端與普通光纖連接；所述普通光纖放置在所述微調整架上，另一端通過端口與光源連接。

優選的，所述材料分布式控制平臺還包括顯微鏡系統，微流控芯片放置在所述顯微鏡系統的載物臺上。

更進一步的，所述的顯微鏡系統優先選用配有CCD成像系統的顯微鏡，用于觀察并記錄實驗現象。

優選的，所述普通光纖優先采用單模石英光纖。

更進一步的，所述的微納波導采用火焰熔融拉伸法拉制普通光纖制得，直徑優選為0.2～5μm，長度優選為100～500μm。