基于光流漩涡阵列的材料分布式控制平台及控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光流漩涡阵列的材料分布式控制平台及控制方法，通过激发微流体表面上的光热热源产生马兰格尼对流，其由四个漩涡组成，每个漩涡均按照一定方向旋转，且在中心处速度最小。每个漩涡的中心可以提供一个稳定的势垒用于捕获材料。一旦材料被捕获至漩涡中心，漩涡的旋转流向可提供扭矩驱动材料旋转(顺时针或者逆时针均可)。漩涡阵列可在芯片中随着微纳波导的移动而移动，进而可以操控目标在微流体中定向移动。在漩涡对微粒的捕获与旋转的基础上，可以将原先就散布在微流体中的互不接触的多种微粒、生物细胞等通过吸引捕获在同一个漩涡中，各种材料在涡旋中的旋转将促进材料之间的相互作用，从而诱导材料实现自动组装等功能。

Material distributed control platform and control method based on optical flow vortex array

The invention discloses a distributed optical vortex array material control platform and control method based on Ma Lan Gurney convection by stimulating the photothermal micro fluid on the surface of the heat source, which is composed of four vortex, each vortex are in accordance with certain direction of rotation, and at the center of the minimum speed. The center of each vortex can provide a stable barrier for capturing the material. Once the material is trapped in the center of the vortex, the rotating direction of the vortex can provide the torque to drive the material to rotate (clockwise or counterclockwise). The vortex array can move in the chip with the micro nano waveguide moving, and then the target can be controlled to move in the micro fluid. Based on the vortex particle capture and rotation, the original can be spread in the micro fluid in a variety of particles, such as biological cells don't contact each other by attracting capture in the same whirlpool, all kinds of material in the vortex of rotation will promote the interaction between material and material, from the induction automatic assembly other functions.

【技术实现步骤摘要】
基于光流漩涡阵列的材料分布式控制平台及控制方法
本专利技术属于材料操控领域，具体涉及一种基于光流漩涡阵列的实现对微纳米材料、生物细胞及其分子等的分布式捕获、靶向操控、自身旋转、自动组装的多功能控制平台及控制方法。
技术介绍
在微流控系统中，实现对流体中各种材料的捕获、移动、排列等操控是实现材料合成与分析的基本手段。在微系统和生物医学领域具有广泛的应用价值。以往的操作技术主要通过原子力显微镜的探针实现接触式操作，对于生化环境，这种直接接触容易对样品造成机械损伤和污染。因此利用外来的设备激发各类场来实现遥控操作成为材料操控的首选。然而这种方法对操控的目标的材料性质具有很大的限制。比如利用静电场只能捕获带有电荷的材料，利用静磁场只能捕获带有磁性的粒子。由于激光光束具有方向性好、无污染等优点，并且能够在液相中工作，利用光场已经逐渐成为研发遥控操作微纳米材料的理想工具。利用激光光束的线动量或者角动量可以将微粒限制在光束中心甚至驱动微粒旋转，分别被称为光镊以及光学扳手。此外利用激光激发具有激发表面等离子体增强效应的各类金属纳米结构也可实现对流体及流体中粒子的操作，被称为等离子体光镊。目前利用激光的方法已经实现了多样的控制功能，包括捕获、旋转、收集等。但这种方法对材料的折射率、形状有很大限制，例如，对于规则球体的聚合物材料准确率较高，而对于金属材料以及不规则材料的操控失误率较高。此外需要克服流体的粘滞阻力，以及激光聚焦衍射极限的存在等因素，使得激光光源需要较大功率。此外采用一束激光进行激发，只能控制位于激光光斑内的材料，作用范围有限，若想同时捕获多个区域的材料，需要使用多束激光，这也意味着需要更多的实验设备与操作来完成。因此目前的激光光镊技术难以实现材料的分布式捕获。
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以光流漩涡阵列为基础，提出一种材料分布式控制平台，该平台通过激发微流体表面上的光热热源产生马兰格尼对流，利用该对流的特性实现材料分布式控制。本专利技术基于光流漩涡阵列的材料分布式控制方法具体包括4种：捕获、操控、旋转、组装，通过在微流体上激发光流漩涡阵列实现微纳米材料的分布式捕获，通过激发功率或者调控激发源的位置实现对捕获材料的靶向操控，通过漩涡的旋转流向实现对捕获材料的旋转操控，通过漩涡的旋转实现对多种捕获材料的自动组装。本专利技术的目的通过下述技术方案实现：基于光流漩涡阵列的材料分布式控制平台，包括光热热源、微流控芯片、微流体、普通光纤、光源以及微调整架，微流体放置在微流控芯片中，所述光热热源由光热转换材料与微纳波导组装而成，光热转换材料包覆在微纳波导上，光热热源放置在微流体上，微纳波导一端与普通光纤连接；所述普通光纤放置在所述微调整架上，另一端通过端口与光源连接。优选的，所述材料分布式控制平台还包括显微镜系统，微流控芯片放置在所述显微镜系统的载物台上。更进一步的，所述的显微镜系统优先选用配有CCD成像系统的显微镜，用于观察并记录实验现象。优选的，所述普通光纤优先采用单模石英光纤。更进一步的，所述的微纳波导采用火焰熔融拉伸法拉制普通光纤制得，直径优选为0.2～5μm，长度优选为100～500μm。更进一步的，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，为氧化石墨烯、纳米金胶体或者纳米银胶体，优选为氧化石墨烯。所述的光热热源总共有两种制作方法，制作方法一为光致沉积法，包括如下步骤：(1)将所述光热转换材料分散于DMF中形成分散液；(2)将所述微纳波导浸没在微流体中；(3)利用所属光纤激光器向微纳波导输入光能量；(4)光热转换材料受微纳波导上倏逝场的作用沉积在微纳波导表面，形成线性热源。所述的光热热源总共有两种制作方法，制作方法二为液滴涂覆法，包括如下步骤：(1)将所述光热转换材料分散于乙醇中形成微流体；(2)将形成的微流体直接滴在微纳波导上形成椭球状液滴；(3)随着酒精的蒸发，液滴将逐渐萎缩，最后在所述光热转换材料自动涂覆在波导表面。所述光源为功率可调谐光源。所述光源与所述普通光纤的端口相互连接。所述的微流控芯片用于盛放微流体。可以使用本领域公知的微流控通道，微流室。所述的微流体可以使用本领域中公知的任何牛顿型流体，优选为DMF等。所述的光热热源优先放置在微流体表面。在采用上述控制平台进行操控时，有三种类型的材料，一种是微纳米球，可以使用本领域中公知的任何材质任何形状的微球，比如聚合物微纳米球、二氧化硅微纳米球、金属微纳米球。第二种是纳米线，可以使用本领域中公知的任何材质任何形状的纳米线，比如金纳米线，硅纳米线，碳纳米管。第三种是生物细胞和生物分子。所述的基于光流涡旋阵列的材料分布式控制方法的机理是：本专利技术利用光热转换材料对微纳波导上的传输光场的限制并产生光热转换，形成线型的光热热源，所转换而成的热量将在整个微流体中产生温度梯度，进而造成了微流体表面上的表面张力变化，最终产生马兰格尼对流。其由四个漩涡组成，每个漩涡均按照一定方向旋转，且在最中心处速度最小。每个漩涡的中心可以提供一个稳定的势垒用于捕获材料。一旦材料被捕获至漩涡中心，漩涡的旋转流向可提供扭矩驱动材料旋转(顺时针或者逆时针)。若光热热源随着微调整架移动，漩涡可在芯片中跟着移动，可以操控目标随着漩涡而在流体中定向移动。在漩涡对微粒的捕获与旋转的基础上，可以将原先就散布在微流体中的互不接触的多种微粒通过吸引捕获在同一个漩涡中，各种材料在漩涡中的旋转将促进材料之间的相互作用，从而诱导材料实现自动组装。一种基于光流漩涡阵列的材料分布式控制方法，在进行控制前，进行如下初始化步骤：(1)将操控目标如微球，纳米线分散于DMF(二甲基甲酰胺)中，形成微流体；(2)将所述微流体引入所述微流控芯片中；(3)将所述光热热源置于微流体的表面；(4)通过所述光源向微纳波导输入光能量。完成上述初始化后，进行以下4种方式(光流捕获技术、光流操控技术、光流旋转技术、光流组装技术)的控制。所述的光流捕获技术的实施方式为：在所述光源的激发下，所述光热热源附近的材料会被自动吸引至漩涡中心。所述的光流操控技术的实施方式有两种。实施方式一为：在光源的输出功率的调控下，漩涡的尺寸产生变化，漩涡的中心产生移动，所述被捕获的材料会随之移动。功率增大时，材料远离光热热源。功率降低时，材料靠近光热热源。所述的光流操控技术的实施方式有两种。实施方式二为：在所述微调整架的调控下，漩涡的产生位置产生变化，漩涡的中心产生移动，所述被捕获的材料会随之移动。所述的光流旋转技术的实施方式为：在所述光源的激发下，所述光热热源附近的材料会被自动吸引至漩涡中心之后旋转，不同漩涡中的旋转方向不同。四个漩涡中，两个操控材料的顺时针旋转，另外两个操控材料的逆时针旋转。所述的光流组装技术的实施方式为：在所述微调整架的调控下，有序捕获多种材料并吸引至漩涡中心之后旋转，最后组装成一个整体。所述的捕获的材料为微纳米球，或者微纳米线，或者生物细胞及生物分子。本领域中公知的任何形状的材料也可捕获。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：1、本专利技术材料分布式控制平台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，可以形成具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于光流漩涡阵列的材料分布式控制平台，其特征在于，包括光热热源、微流控芯片、微流体、普通光纤、光源以及微调整架，微流体放置在微流控芯片中，光热热源由光热转换材料与微纳波导组装而成，光热转换材料包覆在微纳波导上，光热热源放置在微流体上，微纳波导一端与普通光纤连接；所述普通光纤放置在所述微调整架上，普通光纤另一端通过端口与光源连接。

【技术特征摘要】
1.基于光流漩涡阵列的材料分布式控制平台，其特征在于，包括光热热源、微流控芯片、微流体、普通光纤、光源以及微调整架，微流体放置在微流控芯片中，光热热源由光热转换材料与微纳波导组装而成，光热转换材料包覆在微纳波导上，光热热源放置在微流体上，微纳波导一端与普通光纤连接；所述普通光纤放置在所述微调整架上，普通光纤另一端通过端口与光源连接。2.根据权利要求1所述的材料分布式控制平台，其特征在于，所述材料分布式控制平台还包括显微镜系统，微流控芯片放置在所述显微镜系统的载物台上；所述的显微镜系统采用配有CCD成像系统的显微镜。3.根据权利要求1所述的材料分布式控制平台，其特征在于，所述的普通光纤为单模石英光纤；微纳波导采用火焰熔融拉伸法拉制普通光纤制得；光热热源由光热转换材料与微纳波导经光致沉积或液滴涂覆方式组装而成。4.根据权利要求1所述的材料分布式控制平台，其特征在于，所述的光源为功率可调谐光源。5.基于权利要求1-4任一项所述材料分布式控制平台的材料分布式控制方法，其特征在于，包括材料的捕获控制方法，捕获控制方法包括步骤：通过微调整架将光热热源放置在微流体表面要捕获的目标附近；通过光源激发光热热源诱导微流体产生漩涡阵列；捕获目标被其中一个漩涡吸引至漩涡中心。6.根据权利要求5所述的材料分布式控...

【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