用于多组分微流体系内浓度梯度以及流场的可视化方法技术

本发明专利技术提出了一种利用荧光材料对多组分微流体系内浓度梯度以及流场的可视化方法。所用荧光材料在微流体系中具有高分辨率。所述微流体系包括：二组分、三组分、多组分、互溶或者不互溶的流体。

Visualization Method for Concentration Gradient and Flow Field in Multicomponent Microfluids System

The invention provides a visualization method of concentration gradient and flow field in multi-component microfluids system by using fluorescent materials. The fluorescent materials used have high resolution in microfluidic systems. The microfluidic system comprises two components, three components, multi-components, mutually soluble or immiscible fluids.

【技术实现步骤摘要】
用于多组分微流体系内浓度梯度以及流场的可视化方法
本专利技术涉及材料科学
，更特别地，涉及一种利用荧光材料对多组分微流体系内浓度梯度以及流场的可视化方法。
技术介绍
多组分微小液滴的蒸发广泛应用于多种领域，如喷墨打印、散热系统、DNA作图以及用于疾病诊断的血液分析等等。相比于单一组分液滴的蒸发，多组分液滴的蒸发模式更为复杂，且在实际应用中具有重要意义，因此成为多相流领域的研究热点之一。多组分液滴在加热和不加热的均匀基底上的蒸发已有过实验研究；Dash等人研究了在疏水和超疏水基底上，基底温度对于液滴蒸发特性的影响。同时研究发现基底疏水程度越高，液滴蒸发速率越慢。C.Bourges-Monnier等人研究了二元水和癸烷液滴的蒸发。K.Sefiane等人通过测量液滴动态接触角和液滴维度(液滴底面宽度和体积)随时间的变化，研究了二元水-乙醇液滴的蒸发速率。Christy等人利用粒子图像测速法(particleimagevelocimetry，PIV)研究了水-乙醇液滴蒸发过程中三个蒸发阶段的内部流场。基于之前的研究，水和挥发性有机液体组成的二元液滴的蒸发过程可分为三个阶段：第一阶段易挥发组分优先蒸发；在第二阶段液滴接触角开始增大伴随着液滴底面直径的收缩；第三阶段几乎相当于纯水的蒸发。之前的研究认为，几乎绝大部分易挥发组分在第二阶段结束时蒸发完毕。尽管对于这一基础的现象已经有了广泛的研究，然而关于多组分液滴蒸发过程中的浓度梯度以及局部表面张力的差异仍然存在许多未知。这些未知的问题与液滴复杂的内部流场和三相线的动态变化息息相关。近来陆续报到了一些关于二元体系蒸发过程中浓度变化的研究。SamDehaeck等人通过探测折光指数的差别，描绘了宏观尺度下一杯鸡尾酒在蒸发过程中不同时间步下的局部乙醇浓度。PinChen等人利用声波法追踪了蒸发过程中的水-乙醇液滴以及水-正丁醇液滴底部挥发性组分的浓度演变。然而，微尺度多组分液滴在蒸发过程中的局部浓度梯度仍然没有被完全理解。随着聚集诱导发光(AIE)材料的发展，由于其不会因聚集导致荧光猝灭的特性，AIE发光材料(AIEgens)可以作为一项强有力的技术应用在诸多领域，如生物探针、生物成像以及生物检测。当溶于良性溶剂，例如四氢呋喃、乙腈、醇类(甲醇、乙醇、丙醇和丁醇等)、丙酮、乙酸乙酯、甲醛等，AIEgens通常不发光。水溶性AIEgens可溶解于水。然而，当AIEgens在不良溶剂中会发生聚集并且显示出强烈的发光特性。通常，具有有机溶解性的AIEgens在二元混合液中荧光会随着水的体积分数的增加而增强。相反的，水溶性AIEgens在二元混合液中荧光会随着水的提积分朱的增加而减弱。这种AIEgens的与浓度相关的荧光变化可以提供多组分溶液体系中局部浓度分布的信息。由于AIEgens有可能自组装成为纳米粒子，这为可视化粒子在微流体系中的运动提供了可能性，且不仅仅局限于流体传热传质的研究领域。
技术实现思路
本专利技术描述了可视化二元水-四氢呋喃液滴蒸发过程中内部浓度分布的方法，通过追踪AIEgens荧光强度差异来分析液滴内局部浓度梯度。预先建立的荧光强度和水的体积分数之间的函数关系为描绘二元液滴内局部四氢呋喃浓度变化提供了可能性。另外，本专利技术展示了液滴蒸发过程中液滴内部粒子的运动。本专利技术通过使用AIEgens作为荧光示踪粒子，提供了测量微流体系统的局部浓度分布的机会，所述微流体系统涉及几种可混溶的溶剂。随着整个系统的强度增加，所产生的数据可以被解释为蒸发过程中某组分的浓度变化。另外，所述方法被证明可以作为多组分液滴内局部浓度分布的可视化。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1所示为用于可视化蒸发液滴内部荧光强度的实验装置示意图；图2所示为5μL去离子水液滴在基底上的静态接触角；图3所示为(a)：在四氢呋喃-水混合液中，不同水的体积分数(fw)下p-AIEgen的荧光照片截图，照片在激发波长为365nm的UV灯下拍摄；(b)：不同水分数下，四氢呋喃-水混合液中p-AIEgen荧光强度(I/I0)曲线；图4所示为不同四氢呋喃浓度的二元四氢呋喃-水液滴在不同热条件下蒸发时的快照和浓度分布示意图；图5所示为初始四氢呋喃体积分数为(a)30vol％、(b)50vol％和(c)60vol％的液滴在蒸发不同时间步下的归一化平均强度(I/I0)和接触角；图6所示为初始四氢呋喃体积分数为(a)30vol％、(b)50vol％和(c)60vol％的液滴在不同热条件下蒸发期间平均浓度随时间的变化；图7所示为液滴表面层上三个区域的示意图，区域1和3位于接触线附近的表面上，区域2位于液滴顶点附近；图8所示为在蒸发的不同时间步下，液滴表层上不同区域的荧光强度图，液滴含有(a)-(c)60％、(d)-(f)50％、和(g)-(i)30％的四氢呋喃，X轴所示的区域编号与图7中定义的液滴表层区域相同。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。材料聚合物-AIEgen(p-AIEgen)由AIEgenBiotechCo.，Limited直接提供。四氢呋喃(THF)是使用前在干燥的氮气下从二苯甲酮羰基钠立即蒸馏所得。在这个实验中，去离子水被简称为水。在二元四氢呋喃-水溶液中制备p-AIEgen纳米聚集体制备浓度为20mM的p-AIEgen在四氢呋喃中的原液。将原液的等分试样(1mL)转移至10mL容量瓶中。加入适量的四氢呋喃后，在充分搅拌下逐滴加入水以配置200μM具有不同四氢呋喃体积分数(30％、50％、60％)的溶液。迄今为止，大多数报道的AIE-活性荧光聚合物纳米粒子(PNP)是直径范围从几十到几百纳米的小球。这种PNP的形貌已被证明对其生物医学特性和应用至关重要。同时，本专利技术所用的p-AIEgen纳米聚集体在400摄氏度以下具有良好的热稳定性。实验步骤图1为本专利技术所用实验装置示意图。在本专利技术中，液滴在透明的疏水基底上蒸发。所述基底的制备步骤包括两部分：金电极的制备和疏水层的制备。透明基底由氧化铟锡(ITO)玻璃组成。厚度100nm的氧化铟锡层可以用作电阻加热器，两个平行的金电极通过物理气相沉积(PVD)方法沉积在氧化铟锡层的顶部。为了获得疏水性表面，将样品浸入含有1H、1H、2H、2H-全氟癸基三氯硅烷质量分数为0.5％的的己烷溶液中1小时，随后在180℃下在烘箱中热处理1小时。经表面处理后，发现纯水在该基底上具有115±4°的静态接触角，如图2所示。所述实验在室温21℃和约40％的相对湿度下进行。使用直流电源来加热基底，通过改变输入功率来获得不同的表面温度。所述试验中二元溶液是去离子水和四氢呋喃的混合液，并具有30％、50％和60％三种四氢呋喃体积本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于多组分微流体系内浓度梯度以及流场的可视化方法，包括：将在不同溶剂体系中具有不同溶解度的荧光物质，加入多组分微流体系，所述多组分微流体系包括多种可混溶及不混溶的溶剂；通过记录对荧光强度的变化来分析所述多组分微流体系中的局部浓度分布。

【技术特征摘要】
2017.05.26 US 62/603,3321.一种用于多组分微流体系内浓度梯度以及流场的可视化方法，包括：将在不同溶剂体系中具有不同溶解度的荧光物质，加入多组分微流体系，所述多组分微流体系包括多种可混溶及不混溶的溶剂；通过记录对荧光强度的变化来分析所述多组分微流体系中的局部浓度分布。2.根据权利要求1所述的用于多组分微流体系内浓度梯度以及流场的可视化方法，其特征在于，所述多组分微流体系为与水互溶的不同溶剂体系，包括醇类、酮类、醚类、环醚类、酸类、氨基酸类、水溶脂类、水溶胺类、水溶聚合物类。3.根据权利要求1所述的用于多组分微流体系内浓度梯度以及流场的可视化方法，其特征在于，所述多组分微流体系为与水不互溶的不同溶剂体系，包括硅油、矿物油。4.根据权利要求2或3所述的用于多组分微流体系内浓度梯度以及流场的可视化方法，其特征在于，所述多组分微流体系为任意两种或多种不同互溶或不互溶的溶剂体系。5.根据权利要求1所述的用于多组分微流体系内浓度梯度以及流场的可视化方法，其特征在于，将在不同溶剂体系中具有不同溶解度的荧光物质，加入多组分微流体系的所述步骤包括：在二元四氢呋喃-水溶液中制备p-AIEgen纳米聚集体，形成多组分液滴。6.根据权利要求5所述的用于多组分微流体系内...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐本忠，谢你，邱惠和，蔡歆，
申请(专利权)人：香港科技大学，
类型：发明
国别省市：中国香港,81