本實(shí)用新型屬于光流控技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于微納光纖的微流體鑷子。

背景技術(shù)：

微流控實(shí)驗(yàn)室又稱微流控芯片，把生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)分析過(guò)程的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等基本操作單元集成到一塊幾平方厘米(甚至更小)的芯片上，由微通道形成網(wǎng)絡(luò)，可控流體貫穿整個(gè)系統(tǒng)，可以取代常規(guī)生物或化學(xué)實(shí)驗(yàn)室各種功能的一種技術(shù)。21世紀(jì)后，微流控技術(shù)得到了充分發(fā)展，微流控技術(shù)被應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域，發(fā)展成為一個(gè)生物、化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)、材料、微流體力學(xué)等多學(xué)科交叉的嶄新研究領(lǐng)域。2004年，美國(guó)Bus iness 2.0雜志封面文章將微流控芯片列為“改變世界”的七種技術(shù)之一。2006年，Nature雜志推出一期命名為“芯片實(shí)驗(yàn)室”的專輯，全面闡述了微流控芯片的研究歷史、現(xiàn)狀和應(yīng)用前景。由于微流控芯片具有分析效率高、樣品和試劑消耗少、易于集成化、體積小、快捷簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，在生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)、藥物篩選、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

21世紀(jì)中后期，蓬勃發(fā)展的微流控技術(shù)與光學(xué)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，兩者相輔相成，造就了光控微流技術(shù)的產(chǎn)生。傳統(tǒng)光鑷通過(guò)控制激光的強(qiáng)度、偏振和相位結(jié)構(gòu)變量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的捕獲與操控。但是，需要高能量的激發(fā)光源用于克服周圍液體的粘滯力，具有操控作用范圍小的缺陷，微納流體及流體中微納米材料的操控受到了限制。另外，高性能的傳統(tǒng)激光器工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴；激光的準(zhǔn)直、聚焦、偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換等也需要復(fù)雜的光學(xué)元器件與光路來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此設(shè)備龐大復(fù)雜，不易于現(xiàn)有的微流體芯片系統(tǒng)集成，其應(yīng)用受到很大限制。

研究表明，利用流體流動(dòng)本身的粘滯阻力能操控各種特質(zhì)以及各種形狀的材料，具有更好的兼容性。因此，研發(fā)一種價(jià)格便宜、操作簡(jiǎn)單、流體控制范圍大的微流體鑷子是迫切需要的。利用光熱轉(zhuǎn)換材料將光能轉(zhuǎn)化為熱能，再轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)流體動(dòng)力能量的方法是光控微流技術(shù)的典型。光控微流既滿足了復(fù)雜泵閥器件、表面化學(xué)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中處理生物化學(xué)材料時(shí)不需要輔助任何物理或者機(jī)械泵浦器件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于微納光纖的微流體鑷子，該鑷子以光熱微納光纖為基礎(chǔ)，利用其可調(diào)諧的優(yōu)勢(shì)，誘導(dǎo)微流體產(chǎn)生豎直式、水平式、豎直+水平式的渦旋流動(dòng)，突破目前的光控微流技術(shù)形式單一、功能單一的局限。

本實(shí)用新型的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：基于微納光纖的微流體鑷子，包括鑷子基底、光熱微納光纖、微流室、光信號(hào)輸入端口、微流泵、微流體，所述微流室設(shè)置在鑷子基底上，所述光熱微納光纖由光熱轉(zhuǎn)換材料與微納光纖組裝而成，光熱微納光纖浸沒(méi)在微流室底部，光熱微納光纖一端通過(guò)光信號(hào)輸入端口與外部光源連接，光源發(fā)出的光信號(hào)在所述光熱微納光纖上傳輸；所述微流體放置在微流室內(nèi)，微流泵通過(guò)管道與微流室連接。

所述的微納光纖，可以使用本領(lǐng)域公知的任何光纖材料，比如石英、氮化硅、或者其余熔點(diǎn)大于100攝氏度的聚合物。優(yōu)選為石英。

所述的微納光纖優(yōu)選采用火焰加熱拉伸法拉制單模石英光纖制得，折射率為1.45，直徑優(yōu)選為0.2～5μm，具有較好的表面光滑度和長(zhǎng)度均勻性，以及優(yōu)良的機(jī)械性能。

所述的光熱轉(zhuǎn)換材料可以使用本領(lǐng)域公知的具有良好的光熱轉(zhuǎn)換性能以及導(dǎo)熱性能的納米材料，為石墨烯、氧化石墨烯、納米金膠體或納米銀膠體等，優(yōu)選為氧化石墨烯。

所述光熱轉(zhuǎn)換材料可以通過(guò)涂覆、沉積等方式包覆于微納光纖表面。

所述的光熱微納光纖優(yōu)先采用液滴涂覆法制備，制備方法為：將氧化石墨烯的乙醇溶液直接滴在微納光纖上形成橢球狀結(jié)構(gòu)，隨著酒精的蒸發(fā)，液滴將逐漸萎縮，最后在光纖表面逐漸形成薄膜。

所述的光信號(hào)的波長(zhǎng)范圍在可見(jiàn)光波段或者近紅外波段均可選擇，但必須避開溶液中的吸收波段以及優(yōu)先選擇光熱轉(zhuǎn)換材料的吸收波段，比如對(duì)于氧化石墨烯，在980nm以及1550nm均有較強(qiáng)的吸收，對(duì)于水，在1550nm波段具有強(qiáng)烈的吸收而在980nm波段具有較少的吸收。整體優(yōu)選為980nm。

所述光信號(hào)的光功率可調(diào)諧，優(yōu)先選取在20mW-100mW范圍內(nèi)。

所述的微流室用于盛放微流體?？梢允褂帽绢I(lǐng)域公知的任何形狀的微流室?？梢杂杀绢I(lǐng)域公知的用于微流體通道的材料圍成，材料可以采用石蠟、聚二甲硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或者紫外固化膠等。

所述的微流泵用于注射或者排放微流體，并通過(guò)注射與排放的微流體的體積計(jì)算在微流室中微流體層的厚度，可以使用本領(lǐng)域公知的任何類型的微流泵或者微量注射器等。

所述的微流體可以使用本領(lǐng)域中公知的任何牛頓型流體，優(yōu)選為水、DMF、PBS緩沖液等。

所述的微流體中帶有用于流體示蹤的微納米顆粒，可以使用本領(lǐng)域中公知的任何材質(zhì)任何形狀的顆粒，比如規(guī)則球體的聚合物小球、silica小球，或者規(guī)則棒狀的金屬微納米線、半導(dǎo)體微納米線、聚合物微納米線，或者不規(guī)則形狀碳粉等。

所述的基于光熱微納光纖的微流體鑷子的機(jī)理是：本實(shí)用新型基于光熱轉(zhuǎn)換材料對(duì)微納光纖上的傳輸光場(chǎng)的限制并吸收，產(chǎn)生光熱能量轉(zhuǎn)換。所轉(zhuǎn)換而成的熱量將由微流室中間底部的光熱微納光纖開始向外擴(kuò)散，進(jìn)而在整個(gè)微流體中產(chǎn)生溫度梯度。溫度梯度的產(chǎn)生造成了微流體內(nèi)部密度以及微流體表面上的表面張力的重新分布。前者產(chǎn)生了浮力驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)內(nèi)部流體從低位流向高位，形成浮力對(duì)流。后者產(chǎn)生了表面剪應(yīng)力，驅(qū)動(dòng)表面流體從低表面張力區(qū)流向高表面張力區(qū)，形成熱毛細(xì)對(duì)流。通過(guò)控制流體層的厚度，就能改變內(nèi)部流體與表面流體的溫度分布，從而改變兩種對(duì)流的強(qiáng)弱。理論仿真表明，浮力對(duì)流為豎直式的渦旋流動(dòng)，熱毛細(xì)對(duì)流為水平式的渦旋流動(dòng)。隨著流體層厚度的增大，熱毛細(xì)對(duì)流由強(qiáng)變?nèi)酰×?duì)流由弱變強(qiáng)，因此可以通過(guò)控制流體層厚度來(lái)控制流體的流動(dòng)模式。薄膜流體層主要產(chǎn)生熱毛細(xì)對(duì)流主導(dǎo)的水平式渦旋流動(dòng)，厚度比較大的流體層主要產(chǎn)生由浮力對(duì)流主導(dǎo)的豎直式渦旋流動(dòng)，對(duì)于適當(dāng)厚度的流體層，則會(huì)出現(xiàn)水平式與豎直式混合的渦旋流動(dòng)。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

(1)從成本和可行性出發(fā)，相比于傳統(tǒng)激光激發(fā)形式，本實(shí)用新型通過(guò)光耦合激發(fā)光熱微納光纖能更高效、更集中、更穩(wěn)定地激發(fā)熱量。比用復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生激光束照射更加合適。光熱微納光纖能將光穩(wěn)定牢固地限制在材料中，增強(qiáng)了激光與物質(zhì)的相互作用，既可以避免光能的浪費(fèi)，又可以更高效、更集中、更穩(wěn)定地激發(fā)熱量。而這些僅僅需要一臺(tái)光纖激光器，實(shí)驗(yàn)設(shè)備成本較低，能量損耗較低，增加了能源利用效率。

(2)制作方法快捷方便，成本低廉且有效。本實(shí)用新型所用的光熱轉(zhuǎn)換材料，不局限于氧化石墨烯，可以推廣到其他光熱轉(zhuǎn)換材料如碳納米管、納米金、納米銀等。本實(shí)用新型所用的光纖，不局限于二氧化硅，可以推廣到其他光纖材料如硅、聚合物等。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)施例微流體鑷子的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2a是流體層較厚，產(chǎn)生由浮力對(duì)流主導(dǎo)的豎直式渦旋流動(dòng)時(shí)，水平方向上對(duì)流的原理示意圖。

圖2b是流體層較厚，產(chǎn)生由浮力對(duì)流主導(dǎo)的豎直式渦旋流動(dòng)時(shí)，豎直方向上對(duì)流的原理示意圖。

圖3a是流體層較薄，產(chǎn)生熱毛細(xì)對(duì)流主導(dǎo)的水平式渦旋流動(dòng)時(shí)，水平方向上對(duì)流的原理示意圖。

圖3b是流體層較薄，產(chǎn)生熱毛細(xì)對(duì)流主導(dǎo)的水平式渦旋流動(dòng)時(shí)，豎直方向上對(duì)流的原理示意圖。

圖4a是產(chǎn)生水平式與豎直式混合的渦旋流動(dòng)時(shí)，水平方向上對(duì)流的原理示意圖。

圖4b是產(chǎn)生水平式與豎直式混合的渦旋流動(dòng)時(shí)，豎直方向上對(duì)流的原理示意圖。

圖5a、5b是顯微照片，所述的顯微照片示出在不同光輸入功率下基于光熱微納光纖的由浮力對(duì)流主導(dǎo)的豎直式渦旋流動(dòng)。

圖6a、6b是顯微照片，所述的顯微照片示出在不同光輸入功率下基于光熱微納光纖的由熱毛細(xì)對(duì)流主導(dǎo)的水平式渦旋流動(dòng)。

圖7a、7b是顯微照片，所述的顯微照片示出在不同光輸入功率下基于光熱微納光纖的水平式與豎直式混合的渦旋流動(dòng)

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。

本實(shí)用新型通過(guò)控制微流體中的熱分布來(lái)控制微流體的流動(dòng)模式。通過(guò)激發(fā)微流體中光熱微納光纖造成微流體內(nèi)部密度的以及微流體表面上的表面張力的重新分布。最終產(chǎn)生豎直渦旋流動(dòng)的浮力對(duì)流與水平渦旋流動(dòng)的熱毛細(xì)對(duì)流。在本實(shí)用新型中，微流體的厚度是控制因素，其改變?cè)炀土烁×?duì)流與熱毛細(xì)對(duì)流相反的趨勢(shì)變化，最終導(dǎo)致流體流動(dòng)模式的變化。光熱微納光纖是激發(fā)源，其改變相同的趨勢(shì)變化，最終導(dǎo)致流體流動(dòng)強(qiáng)度的變化。

圖1示出了下面各個(gè)實(shí)施例所基于的微流體鑷子的結(jié)構(gòu)。微流體鑷子包括鑷子基底1和微流室2，微流室2設(shè)置在鑷子基底1上，長(zhǎng)、寬、高一定，光熱微納光纖置于微流室中的底部中央。微流泵3置于微流室的一個(gè)角落，用于引入或者排出微流體。作為激發(fā)源，光熱微納光纖由以氧化石墨烯為代表的光熱轉(zhuǎn)換材料4與微納光纖5組裝而成。氧化石墨烯具有較高的折射率，可以將大部分原先在光纖上傳輸?shù)墓饽芟拗圃谄渲?。同時(shí)氧化石墨烯具有極強(qiáng)的吸收率，可以將所限制的光能吸收，從而實(shí)現(xiàn)在降低的光輸入功率下激發(fā)較高的溫度。光熱微納光纖一端通過(guò)光信號(hào)輸入端口6與外部光源連接，光源發(fā)出的光信號(hào)在所述光熱微納光纖上傳輸。

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施方式以及物理機(jī)制分別作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。

實(shí)施例1

該實(shí)施方式主要產(chǎn)生浮力對(duì)流主導(dǎo)的豎直式渦旋流動(dòng)。在該實(shí)施方式中，微流泵注入較多的液體形成較厚的流體層，H厚度30～100μm，此時(shí)通過(guò)激發(fā)微流體中光熱微納光纖的熱量在微流體中擴(kuò)散，靠近熱源的微流體由于溫度升高產(chǎn)生局部膨脹，密度降低。這種微流體內(nèi)部密度的重新分布產(chǎn)生了浮力驅(qū)動(dòng)力。此驅(qū)動(dòng)力方向?yàn)樨Q直方向，因此驅(qū)動(dòng)流體從低位流向高位，又從高位流向低位，如此循環(huán)形成豎直式渦旋。其對(duì)流的豎直方向如圖2b所示。同時(shí)由于熱擴(kuò)散的方向以光熱微納光纖為軸對(duì)稱，因此，產(chǎn)生的對(duì)流的水平方向也以光熱微納光纖為軸對(duì)稱。圖2a示出水平方向上所觀察到的浮力對(duì)流的方向。而由于微流體厚度較大，微流體表面溫度較為均勻，無(wú)法驅(qū)動(dòng)熱毛細(xì)對(duì)流。

實(shí)施例2

該實(shí)施方式主要產(chǎn)生熱毛細(xì)對(duì)流主導(dǎo)的水平式渦旋流動(dòng)。在該實(shí)施方式中，微流泵注入較少的液體形成較薄的流體層，H厚度5～20μm，此時(shí)通過(guò)激發(fā)微流體中光熱微納光纖的熱量在微流體中擴(kuò)散，在微流體表面，靠近中心的微流體由于溫度升高表面張力變小。這種微流體表面張力的重新分布產(chǎn)生了剪應(yīng)力。由于此現(xiàn)象只出現(xiàn)在微流體表面，此驅(qū)動(dòng)力方向?yàn)樗椒较?，因此?qū)動(dòng)流體低表面張力區(qū)(高溫區(qū)域)流向高表面張力區(qū)(低溫區(qū)域)，如此循環(huán)形成水平式渦旋。其對(duì)流方向如圖3a所示。由于熱擴(kuò)散的方向以微流體表面為軸對(duì)稱，因此，產(chǎn)生的水平式渦旋由4個(gè)渦旋組成陣列，相鄰的渦旋旋轉(zhuǎn)方向相反。如圖3b所示，由于微流體厚度較小，微流體內(nèi)部豎直方向上溫度較為均勻，無(wú)法驅(qū)動(dòng)浮力對(duì)流。

實(shí)施例3

該實(shí)施方式中主要產(chǎn)生水平式與豎直式混合的渦旋流動(dòng)。微流泵注入適量的液體使得微流體的厚度H在20～30μm。此時(shí)通過(guò)激發(fā)微流體中光熱微納光纖造成了微流體內(nèi)部密度的以及微流體表面上的表面張力的重新分布。前者形成浮力對(duì)流，參見(jiàn)圖4b。后者形成熱毛細(xì)對(duì)流，參見(jiàn)圖4a，兩種對(duì)流相互重疊。

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施方式以及實(shí)驗(yàn)操作分別作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。

采用火焰加熱拉伸法拉制單模石英光纖(SMF-28，美國(guó)Corning公司)，拉制出直徑為1.0μm、長(zhǎng)度為2mm的微納光纖。采用液滴涂覆制備方法制備光熱微納光纖，方法是：將氧化石墨烯的乙醇溶液直接滴在微納光纖上形成橢球狀結(jié)構(gòu)，隨著酒精的蒸發(fā)，液滴將逐漸萎縮，最后在光纖表面逐漸形成薄膜。如圖5所示的氧化石墨烯層長(zhǎng)度為3μm，平均厚度為200nm。將制備而成的光熱微納光纖放置在鑷子基底。采用高溫熔化的石蠟材料圍成長(zhǎng)為1mm，寬為1mm，高為100μm的微流室。將可調(diào)諧功率為20-100mW，工作波長(zhǎng)為980nm的光纖激光器作為光源與光熱微納光纖的光信號(hào)輸入端口相連。將來(lái)自光纖激光器的光信號(hào)通過(guò)端口輸入，并在光熱微納光纖上傳輸。將直徑為300nm的聚苯乙烯小球膠體溶液以1:100的比例融入水中，并通過(guò)微流泵注入微流室。通過(guò)聚苯乙烯小球的移動(dòng)軌跡判斷流體流動(dòng)模式。圖5-7給出了本實(shí)例所述聚苯乙烯小球在不同微流體厚度以及不同功率的光信號(hào)輸入下的運(yùn)動(dòng)軌跡的光學(xué)顯微鏡圖像。

如圖5a所示，將10μL的所示微流體通過(guò)微流泵注入微流室中，形成厚度大約為100μm的微流體，在功率為40mW、波長(zhǎng)為980nm的光信號(hào)輸入下，聚苯乙烯小球產(chǎn)生豎直方向的循環(huán)流動(dòng)，這表示微流體上產(chǎn)生了浮力對(duì)流。如圖5b所示，繼續(xù)輸入光信號(hào)且將光信號(hào)功率提升至80mW，聚苯乙烯小球產(chǎn)生更大范圍的循環(huán)流動(dòng)，且流動(dòng)速度增大，這表示微流體上產(chǎn)生了強(qiáng)度更大，范圍更大的浮力對(duì)流。

如圖6a所示，將1μL的所示微流體通過(guò)微流泵注入微流室中，形成厚度大約為10μm的微流體，在功率為40mW、波長(zhǎng)為980nm的光信號(hào)輸入下，聚苯乙烯小球產(chǎn)生水平方向的循環(huán)流動(dòng)，從顯微鏡視圖上看，聚苯乙烯的軌跡形成四個(gè)渦旋圖樣。這表示微流體上產(chǎn)生了熱毛細(xì)對(duì)流。如圖6b所示，繼續(xù)輸入光信號(hào)且將光信號(hào)功率提升至80mW，聚苯乙烯小球產(chǎn)生更大范圍的循環(huán)流動(dòng)，且流動(dòng)速度增大，這表示微流體上產(chǎn)生了強(qiáng)度更大，范圍更大的熱毛細(xì)對(duì)流。

如圖7a所示，將3μL的所示微流體通過(guò)微流泵注入微流室中，形成厚度大約為30μm的微流體，在功率為40mW、波長(zhǎng)為980nm的光信號(hào)輸入下，聚苯乙烯小球既產(chǎn)生了豎直方向的循環(huán)流動(dòng)，又產(chǎn)生了水平方向的循環(huán)流動(dòng)。這表示微流體上同時(shí)產(chǎn)生了浮力對(duì)流與熱毛細(xì)對(duì)流。如圖7b所示，繼續(xù)輸入光信號(hào)且將光信號(hào)功率提升至80mW，聚苯乙烯小球產(chǎn)生更大范圍的循環(huán)流動(dòng)，且流動(dòng)速度增大，這表示微流體上產(chǎn)生了強(qiáng)度更大、范圍更大的熱毛細(xì)對(duì)流。

上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。