一種光纖微流體驅(qū)動(dòng)裝置及驅(qū)動(dòng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微流體控制領(lǐng)域，特別涉及一種光纖微流體驅(qū)動(dòng)裝置及驅(qū)動(dòng)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微流體控制技術(shù)是指在至少有一維為微米甚至納米尺度的低維通道結(jié)構(gòu)中控制體積為皮升至納升的流體進(jìn)行流動(dòng)并傳質(zhì)、傳熱的技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于生化分析、免疫分析、微創(chuàng)外科手術(shù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域。
[0003]微流體控制的關(guān)鍵技術(shù)主要包括:微通道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造、微納尺度流體的驅(qū)動(dòng)與控制和微流體控制器件及系統(tǒng)的集成與封裝。而微通道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造和微納尺度流體的驅(qū)動(dòng)與控制是微流體控制的前提。
[0004]微流控系統(tǒng)中流體需要在一定尺寸和結(jié)構(gòu)的微通道中以一定的方式進(jìn)行流動(dòng)，以達(dá)到傳熱、傳質(zhì)和動(dòng)量傳輸?shù)哪康?，是微流控系統(tǒng)的核心部分。硅和玻璃材料上加工微通道主要采用光刻和刻蝕技術(shù)，但光刻工藝對(duì)襯底表面質(zhì)量要求苛刻、工藝復(fù)雜，需要昂貴的曝光和刻蝕設(shè)備，成本較高、成品率較低等不足。聚合物類材料的加工通常采用軟光刻技術(shù)來完成，但有機(jī)物導(dǎo)熱性差、不耐高溫、加工工藝與微制造工藝不兼容，使其在微流控技術(shù)的應(yīng)用受到一定限制。
[0005]另外，流體在微納尺度的通道中流動(dòng)的阻力很大，要形成有效的驅(qū)動(dòng)可以有多種方法，如采用注射泵、氣泵、蠕動(dòng)微泵等進(jìn)行壓力驅(qū)動(dòng)，或者利用電滲流、電泳、電潤(rùn)濕和介電流體等現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)電動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。采用哪種驅(qū)動(dòng)方式都要考慮微流體流量極微、流速可控、低成本和工作時(shí)間長(zhǎng)。
[0006]目前，微流體的驅(qū)動(dòng)和控制技術(shù)種類很多，如按原理來分，可分為壓力驅(qū)動(dòng)、電水力驅(qū)動(dòng)、電滲驅(qū)動(dòng)、熱驅(qū)動(dòng)、表面張力驅(qū)動(dòng)、離心力驅(qū)動(dòng)等。壓力驅(qū)動(dòng)方式是微流控芯片最常見的驅(qū)動(dòng)方式，是流體在壓力梯度作用下的運(yùn)動(dòng)。采用注射泵、氣泵、蠕動(dòng)微泵等都屬于壓力驅(qū)動(dòng)。Nakamura H 等人的文章 “Preparat1n of CdSe nanocrystalsin a micro-flow-reactor”中提到的注射泵式的微流控制，使用微型注射器通過溫度快速精確的控制微流體的注入，可以實(shí)現(xiàn)微小顆粒的控制，并且可以重復(fù)使用，該文章發(fā)表在Chemical Communicat1ns, 2002 (23): 2844-2845上；另外臺(tái)灣省財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研宄院吳碧珠等申請(qǐng)的專利“微流體驅(qū)動(dòng)及速度控制裝置與方法”(申請(qǐng)?zhí)?CN200510135579.3)也是一種活塞是壓力驅(qū)動(dòng)方法。這種活塞式壓力驅(qū)動(dòng)方法由于采用外部活塞控制微流體，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作困難，集成難度高；Grover W H等人的文章“Monolithic membrane valves and diaphragm pumps for practical large-scaleintegrat1n into glass microfluidic devices” 和 Xie J 等人的文章“Surfacemicromachined electrostatically actuated micro peristaltic pump，，中分別介紹了隔膜泵和婦動(dòng)泵產(chǎn)生壓力用以驅(qū)動(dòng)微流體的方法(分別發(fā)表在Sensors and ActuatorsB:Chemical, 2003，89(3):315-323 和 Lab on a Chip, 2004，4 (5):495-501 上)，除此之外還有很多種以機(jī)械泵作為動(dòng)力的壓力驅(qū)動(dòng)方法，他們必然或多或少的要引入機(jī)械結(jié)構(gòu)或微小設(shè)備，這對(duì)微流控芯片來說是不利的。因此我們提出了一種新的壓力驅(qū)動(dòng)方法一一負(fù)壓力驅(qū)動(dòng)方法，該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壓力控制部分與微流控芯片分離無接觸，易于實(shí)現(xiàn)微型化，集成化。
[0007]綜合以上技術(shù)，我們利用光纖拉制方法制作一種石英微管作為微流體通道，利用光致熱效應(yīng)使液體產(chǎn)生熱對(duì)流，利用熱對(duì)流在石英微管管口處伯努利效應(yīng)產(chǎn)生的負(fù)壓作為驅(qū)動(dòng)，提出了一種新型的微流體驅(qū)動(dòng)裝置及驅(qū)動(dòng)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種基于光纖結(jié)構(gòu)緊湊操作方便的光纖微流體驅(qū)動(dòng)裝置，本發(fā)明的目的還在于提供一種光纖微流體驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)方法。
[0009]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0010]光纖微流體驅(qū)動(dòng)裝置，包括微型水槽1、石英微管2、微流體3、光纖4、光源5、吸收流體6，光纖與石英微管嵌入微型水槽中并置于微型水槽兩側(cè)，從光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖入射在微型水槽中使得槽中的吸收流體產(chǎn)生熱對(duì)流運(yùn)動(dòng)，熱對(duì)流運(yùn)動(dòng)在石英微管管口處產(chǎn)生負(fù)壓，使石英微管中的微流體產(chǎn)生向微型水槽內(nèi)的流動(dòng)。
[0011]光纖是單模光纖、多模光纖或光子晶體光纖，光纖端面是平端面、半球形端面、拋物線形端面或錐形端面。
[0012]光源出射光波長(zhǎng)與微型水槽中吸收流體的一個(gè)吸收峰波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)或包含多個(gè)吸收峰。
[0013]光纖與石英微管嵌入微型水槽中并置于微型水槽兩側(cè)或有一夾角。
[0014]光纖微流體驅(qū)動(dòng)方法，將權(quán)利要求1-4所述的所述的光纖微流體驅(qū)動(dòng)裝置的光纖與石英微管嵌入微型水槽中，從光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖傳輸入射在微型水槽中使得槽中的吸收流體產(chǎn)生熱對(duì)流運(yùn)動(dòng)，熱對(duì)流運(yùn)動(dòng)在石英微管管口處產(chǎn)生負(fù)壓，使石英微管中的微流體向微型水槽內(nèi)流動(dòng)，通過調(diào)節(jié)光源功率大小調(diào)節(jié)石英微管中微流體流出速度。
[0015]本發(fā)明的有益效果在于:
[0016]本發(fā)明使用石英微管作為微流體通道，石英微管的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以如拉制光纖的方法拉制，能夠靈活控制微流體通道的大小、結(jié)構(gòu)，且技術(shù)成熟、制作簡(jiǎn)單、成本低。本發(fā)明巧妙的利用光致液體的熱效應(yīng)產(chǎn)生的液體對(duì)流，在微流體通道口產(chǎn)生負(fù)壓作為壓力驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，避免了微流體與加壓裝置的直接接觸。采用光纖作為光能量傳輸，傳輸功率高，結(jié)構(gòu)小巧，有利于裝置的集成化和小型化?？梢愿鶕?jù)光源功率的大小調(diào)節(jié)光纖出射光的功率，從而調(diào)節(jié)液體中的對(duì)流速度，調(diào)節(jié)微流體通道口的壓力大小，實(shí)現(xiàn)高精度調(diào)節(jié)微流體的流動(dòng)速度。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明石英微管與光纖同軸放置立體圖。
[0018]圖2為本發(fā)明石英微管與光纖同軸放置側(cè)視圖。
[0019]圖3為本發(fā)明石英微管與光纖有一夾角俯視圖。
[0020]圖4為本發(fā)明所用石英微管結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]以下結(jié)合實(shí)施例和附圖本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0022]本發(fā)明利用光致熱效應(yīng)，光源發(fā)出的光通過光纖傳輸在液體中出射，產(chǎn)生光致熱效應(yīng)，使得液體流動(dòng)，在石英微管口形成負(fù)壓，實(shí)現(xiàn)微流體流出。
[0023]光纖微流體驅(qū)動(dòng)裝置，包括微型水槽1、石英微管2、微流體3、光纖4、光源5、吸收流體6 ;其特征在于:光纖4與石英微管2嵌入微型水槽I中并置于微型水槽I兩側(cè)，端面相距合適距離，從光源5發(fā)出的光經(jīng)過光纖4入射在微型水槽I中使得槽中的吸收流體6產(chǎn)生熱對(duì)流運(yùn)動(dòng)，熱對(duì)流運(yùn)動(dòng)在石英微管2管口處產(chǎn)生負(fù)壓