基于光热波导的微流控芯片及其微流控方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光热波导的微流控芯片及其微流控方法，该芯片包括光热波导、微流室、光信号输入端口、微流泵、微流体，光热波导由光热转换材料与微纳波导组装而成，光热波导浸没在微流室底部，光源发出的光信号在光热波导上传输；微流泵通过管道与微流室连接。光热波导通过光信号激发出热量进而在整个微流体中产生温度梯度，诱导产生以竖直式涡旋流为特征的浮力对流以及以水平式涡旋流为特征的热毛细对流。通过微流泵可改变流体层厚度进而控制微流体的流动模式。通过光信号的功率可改变光热波导的热量进而控制微流体的流动强度。该方法快捷方便、成本低廉且高效，可以产生多种形式的涡旋流。

Micro fluidic chip based on photothermal waveguide and microfluidic method thereof

The present invention discloses a kind of microfluidic method based on microfluidic chip light waveguide, the chip includes photothermal waveguide, micro flow chamber, the optical signal input port, micro pump, micro fluid, photothermal waveguide by photothermal conversion material and micro nano waveguide assembly, photothermal waveguide immersed in micro flow chamber at the bottom of the light. The signal emitted by the light source in the waveguide transmission photothermal; micro flow pump through the pipeline and micro flow chamber connection. Waveguide optical signals through excitation of thermal heat and the temperature gradient in the micro fluid, the buoyancy convection induced with the vertical vortex flow characteristics and the horizontal vortex flow characteristics of thermocapillary convection. The flow pattern can be controlled by changing the thickness of the fluid layer by the micro flow pump. The power of the optical waveguide can be changed by the power of the optical signal to control the flow intensity of the micro fluid. The method is fast, convenient, low cost and high efficiency.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光流控
，具体涉及一种基于光热波导的微流控芯片及其微流控方法。
技术介绍
在微流控芯片中，微流体流动的产生与控制是实现生物化学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等模块的基础操之一。早期的微流体流动技术主要通过微型泵阀器件以及复杂流体通道来实现。21世纪中后期，伴随着器件向集成化和小型化方向发展，蓬勃发展的微流控芯片技术与光学技术的有机结合，两者相辅相成，造就了新
的诞生，即光控微流技术。利用光热材料将光能转化为热能，再转化为驱动流体动力能量的方法是光控微流技术的典型。2008年，美国加利福利亚大学的研究者在《NatureMaterials》(NatureMaterials5,27-32(2006))杂志报道了利用光热金属纳米粒子的能量转化特性，通过悬浮的纳米金来实现光热操控流体技术，以此控制流体流向以用来运输生物分子和活体细胞。此后，《NatureCommunications》(NatureCommunications5,155-164(2014))《ACSNano》(ACSNano5(7),5457-5462(2011))等杂志报道了利用金属纳米结构的光热转化来实现光热操控流体技术，以此控制流体产生竖直流动来运输化学材料。光控微流既满足了复杂泵阀器件、表面化学和电极模式或者其他衬底制作的需求，又允许在大尺寸的微流控芯片中处理生物化学材料时不需要辅助任何物理或者机械泵浦器件。在光控微流领域，激光与光热材料相互作用产生的热量的范围与强度是能否实现控制微流的关键。鉴于目前传统激光光束的局限性，目前的光控微流技术有几大不足：1，激发设备复杂，损耗较大。高性能的传统激光器工艺复杂、价格昂贵。同时激光的准直、聚焦、偏振态的转换也需要复杂的光学元器件与光路来实现。因此，实验平台的准备、维护需要较高的经济成本和时间成本。激光从光源出发需经过复杂光路再与材料相互作用，光学元器件会散射和吸收部分能量造成浪费。2，直接激光激发方式产生的流体流动形式单一，一般只激发流体的竖直流动，最终造成光控微流技术的功能局限在流体传热与传质之中。
技术实现思路
为了克服现有技术的缺点与不足，本专利技术的目的在于提供一种基于光热波导的微流控芯片，该芯片以光热波导为基础，利用其可调谐的优势，诱导微流体产生竖直式、水平式、竖直水平混合式的涡旋流动，突破目前的光控微流技术形式单一、功能单一的局限。本专利技术的另一目的在于提供一种基于上述涡旋式微流控芯片的微流控方法，该方法以光热波导为基础，具有成本低、损耗低、效率高的优势，突破了传统激光光束激发成本高、损耗大的局限。本专利技术的目的通过下述技术方案实现：基于光热波导的微流控芯片，包括芯片基底、光热波导、微流室、光信号输入端口、微流泵、微流体，所述微流室设置在芯片基底上，所述光热波导由光热转换材料与微纳波导组装而成，光热波导浸没在微流室底部，光热波导一端通过光信号输入端口与外部光源连接，光源发出的光信号在所述光热波导上传输；所述微流体放置在微流室内，微流泵通过管道与微流室连接。所述的微纳波导，为石英、氮化硅、或者其余熔点大于100摄氏度的聚合物等。优选为石英。所述的微纳波导，为脊形波导、矩形波导、或者圆柱形波导。优选为圆柱形波导。所述的微纳波导优选采用火焰加热拉伸法拉制单模石英光纤制得，折射率为1.45，直径优选为0.2～5μm，具有较好的表面光滑度和长度均匀性，以及优良的机械性能。所述的光热转换材料可以使用本领域公知的具有良好的光热转换性能以及导热性能的纳米材料，具体为石墨烯、氧化石墨烯、纳米金胶体或纳米银胶体等，优选为氧化石墨烯。所述光热转换材料可以通过涂覆、沉积等方式包覆于微纳波导表面。所述的光热波导优先采用液滴涂覆法制备，制备方法为：将氧化石墨烯的乙醇溶液直接滴在微纳波导上形成椭球状结构，随着酒精的蒸发，液滴将逐渐萎缩，最后在波导表面逐渐形成薄膜。所述的光信号的波长范围在可见光波段或者近红外波段均可选择，但必须避开芯片溶液中的吸收波段以及优先选择光热材料的吸收波段，比如对于氧化石墨烯，在980nm以及1550nm均有较强的吸收，对于水，在1550nm波段具有强烈的吸收而在980nm波段具有较少的吸收。整体优选为980nm。所述光信号的光功率范围可调谐，优先选取在20mW-100mW范围内。所述的微流室用于盛放微流体。可以使用本领域公知的任何形状的微流室。可以由本领域公知的用于微流体通道的材料围成，例如可使用石蜡、聚二甲硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、或紫外固化胶等。所述的微流泵用于注射或者排放微流体，并通过注射与排放的微流体的体积计算在微流室中微流体层的厚度，可以使用本领域公知的任何类型的微流泵或者微量注射器等。所述的微流体可以使用本领域中公知的任何牛顿型流体，例如水、DMF、或PBS缓冲液等。所述的微流体中带有用于流体示踪的微纳米颗粒，可以使用本领域中公知的任何材质任何形状的颗粒，例如规则球体的聚合物小球、silica小球，或者规则棒状的金属微纳米线、半导体微纳米线、聚合物微纳米线，或者不规则形状碳粉等。所述的基于光热波导的涡旋式微流控芯片的机理是：本专利技术基于光热转换材料对微纳波导上的传输光场的限制并吸收，产生光热能量转换。所转换而成的热量将由微流室中间底部的光热波导开始向外扩散，进而在整个微流体中产生温度梯度。温度梯度的产生造成了微流体内部密度以及微流体表面上的表面张力的重新分布。前者产生了浮力驱动力，驱动内部流体从低位流向高位，形成浮力对流。后者产生了表面剪应力，驱动表面流体从低表面张力区流向高表面张力区，形成热毛细对流。通过控制流体层的厚度，就能改变内部流体与表面流体的温度分布，从而改变两种对流的强弱。理论仿真表明，浮力对流为竖直式的涡旋流动，热毛细对流为水平式的涡旋流动。随着流体层厚度的增大，热毛细对流由强变弱，浮力对流由弱变强，因此可以通过控制流体层厚度来控制流体的流动模式。薄膜流体层主要产生热毛细对流主导的水平式涡旋流动，厚度比较大的流体层主要产生由浮力对流主导的竖直式涡旋流动，对于适当厚度的流体层，则会出现水平式与竖直式混合的涡旋流动。基于上述涡旋式微流控芯片的微流控方法，步骤是：(1)将所述微流体通过所述微流泵注射入所述微流室中，根据注射微流体的体积计算微流室中微流体层的厚度；(2)将光信号通过光热波导的光信号输入端口输入；(3)通过微流泵调整微流室中微流体层的厚度，以控制流体的流动模式，按照流体层由薄到厚，依次出现：热毛细对流主导的水平式涡旋流动，水平式与竖直式混合的涡旋流动，以及由浮力对流主导的竖直式涡旋流动；(4)通过调节所述光信号的功率以控制流体的流动强度。所述的基于光热波导的涡旋式微流控芯片既可以作为独立的装置，又可以作为一个模块并入到本领域公认的任何适当的微流控系统中。在某些实施方式中，基于光热波导的涡旋式微流控芯片可以形成具有多种功能的芯片上的一个元件。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：(1)从成本和可行性出发，相比于传统激光激发形式，本专利技术通过光耦合将光信号耦合进光波导，激发光热波导能更高效、更集中、更稳定地激发热量。比用复杂的光学系统产生激光束照射更加合适。光热波导能将光稳定牢固地限制在材料中，增强了本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于光热波导的微流控芯片，其特征在于，包括芯片基底、光热波导、微流室、光信号输入端口、微流泵、微流体，所述微流室设置在芯片基底上，所述光热波导由光热转换材料与微纳波导组装而成，光热波导浸没在微流室底部，光热波导一端通过光信号输入端口与外部光源连接，光源发出的光信号在所述光热波导上传输；所述微流体放置在微流室内，微流泵通过管道与微流室连接。

【技术特征摘要】
1.基于光热波导的微流控芯片，其特征在于，包括芯片基底、光热波导、微流室、光信号输入端口、微流泵、微流体，所述微流室设置在芯片基底上，所述光热波导由光热转换材料与微纳波导组装而成，光热波导浸没在微流室底部，光热波导一端通过光信号输入端口与外部光源连接，光源发出的光信号在所述光热波导上传输；所述微流体放置在微流室内，微流泵通过管道与微流室连接。2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述光热转换材料通过涂覆或沉积方式包覆于微纳波导表面；所述光热转换材料为石墨烯、氧化石墨烯、纳米金胶体或纳米银胶体。3.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，微纳波导的材料为石英、氮化硅、或者熔点大于100摄氏度的聚合物；微纳波导为脊形波导、矩形波导或圆柱形波导。4.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述光热波导浸没在所述微流室底部中央。5.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述光信号的波长范围在可见光波段或者近红外波段。6.根据权利要求5所述的微流控芯片，其特征在于，所述光信号的光功率可调谐范围...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢晓波，郑嘉鹏，周瑞雪，张俊优，何赛灵，杨剑鑫，史可樟，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东;44