[發明專利]基于光熱效應的樣品微球水平滾動控制方法和系統

有效

• 申請號: 202011263713.9
• 申請日: 2020-11-12
• 公開（公告）號: CN112283059B
• 公開（公告）日: 2021-12-14
• 發明（設計）人: 張志強;戴喜德;劉聰;史國華;周武平;張濤;蔣克明;黎海文
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所
• 主分類號: F03G7/06
• 分類號: F03G7/06;G02B21/36
• 代理公司: 北京遠大卓悅知識產權代理有限公司 11369
• 代理人: 祁云珊

本發明公開了一種基于光熱效應的樣品微球水平滾動控制方法和系統，該系統包括：光學顯微成像模塊、控制模塊、激光光源、樣品平臺以及樣品微球；所述控制模塊用于控制實現激光光源和樣品微球之間進行相對運動，以使所述激光光源發出的激光光斑可聚焦在所述樣品微球邊緣，從而使得所述樣品微球因光熱效應而朝遠離激光光斑的方向滾動。本發明提供了一種簡便可行的微球運動控制方案，整個控制系統的搭建簡便、成本低廉，本發明單純依靠光熱驅動實現微球的運動，微球直徑可達10～500μm，受布朗運動的干擾小，且可對微球進行連續的方向控制，控制簡單，具有很好的應用前景。

技術領域

本發明涉及微納材料驅動技術領域，特別涉及一種基于光熱效應的樣品微球水平滾動控制方法和系統。

背景技術

在液體中實現微米和納米級物體的可控運動對生命科學，表面科學，微流控和微機電等領域有重要的研究意義。目前有文獻報道的對微納米結構微粒的驅動方法包括聲波，磁場，電場，光催化，化學反應，光鑷和光熱等；所采用微球在尺度上大都小于數個微米，以納米級微粒居多；微球的結構形狀有火箭型，球型和表面非對稱型等。采用光驅動，特別是激光光熱效應所引發的熱滲流，進而使得粒子產生“自熱泳”的驅動方式，具有以下特點，例如，1)激光通過顯微技術容易實現微米級的遠程控制，甚至是納米級的能量聚焦；2)驅動粒子含有的光熱材料和所處的溶液一般不發生化學反應，是一種“免燃料”的驅動方式，可避免對生物樣品的“二次污染”，且光熱引起的溫度梯度和熱滲流可在絕大多數溶液中產生；3)相比基于光子動量轉移的光鑷調控技術，光熱驅動對光能的轉化效率更高，且同等的光功率作用下光熱驅動比光鑷的驅動力更大，可達到納米牛頓量級，實現對數十微米的微粒的驅動。

已有報道的純光熱驅動微球技術，驅動的微球大小一般也在幾個微米以下，且大都是非聚焦的光照，一般還利用了兩面型不對稱結構在微球周圍產生溫度梯度，運動速度雖然可達數百個微米每秒，但運動方向難以控制，且微球體積越小受布朗運動的影響越顯著。此外，還有利用聚焦點光源激發含有光熱材料的微球，使其產生自熱泳。何強課題組(Superfast Near-Infrared Light-Driven Polymer Multilayer Rockets,Small 2016,12,577–582)制備的一種長約10μm火箭型微球，以逐層組裝+模板輔助合成的苯乙烯磺酸/多環芳烴復合層(總計20層)的中空管為基礎框架，在管道內壁組裝由聚(二烯丙基二甲基氯化銨)穩定化的納米鉑作為催化層，外壁則生長金納米層，激光點光源作用于該微球的瞬間，光熱產生的熱量可令微粒內壁的催化材料加速分解周圍溶液中的過氧化氫(0.1％)，所產生的氧氣氣泡最終足以推動整個微粒朝著背離點光源的方向運動一段距離；上述火箭型微球的結構復雜，且并非單純依賴光熱泳驅動。Utsab Khadka等人(Active particlesbound by information flows,Nat.Commun.2018,9:3864)亦采用激光聚焦光源作用于金納米粒子稀疏包裹的2.13μm的三聚氰胺樹脂顆粒的一側，產生溫度梯度形成熱泳，并利用波分復用和算法誘導多個同類粒子有規律的群體懸浮運動，由于顆粒較小，布朗運動的干擾也較明顯，因而運動速度受限。相比之下，尺寸在幾十微米量級微球的可控驅動卻鮮有報道，Ido Frenkel等人(Light generated bubble for microparticle propulsion,Scientific Reports 2017,7:2814)則采用40-60μm的中空玻璃微球，其微球表面包覆一層厚度為200nm的金屬銀，將上百毫瓦的激光(405nm)聚焦到粒子的一側，局部高溫促使氣泡在數十個微秒內經歷產生、增大、消失的過程，在氣泡逐漸溶解的同時最終將微粒彈射出去，速度變化極快(可達1m/s)，因此運動變化過程要借助高速相機拍攝觀察，該方法的驅動方式屬于單點快速觸發，因此不易對微球進行連續的方向控制。

所以現在需要一種更可靠的方案。

發明內容