基于单孔光纤的光热微流混合器制造技术

本发明专利技术提供了一种基于单孔光纤的光热微流混合器。其特征是，该光热微流混合器由一段经微加工处理过的单孔光纤和光源组成。在空气孔外侧制备多个微孔，当不同种液体通过微孔进入到空气孔内后，由于光纤芯与空气孔位置相切，通入光能后对微流液体产生热能辐射，使得液体分子加速运动从而达到混合的目的。这种能用于微流控芯片的单孔光纤光热微流混合器制备简单，一致性好，便于配合微流控芯片使用，与光源连接方便快捷，适合规模化大批量生产。

【技术实现步骤摘要】
基于单孔光纤的光热微流混合器(一)
本专利技术涉及一种基于单孔光纤的光热微流混合器，便于配合微流控芯片使用，同样在微米尺度操作微量液体中可以代替芯片内混合功能的微流通道结构单元，属于光流控
(二)
技术介绍
微流控技术(Microfluidics或Lab-on-a-chip)指的是使用几十微米或数百微米的微通道处理或操纵微小流体的系统。微流控技术经过几十年的发展，已经成为一门涉及化学、流体物理、光学、微电子、新材料、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科。由于微流控芯片中的样品体积小，检测光程短，灵敏度高、响应时间快、功耗低的光学检测器和新型检测方法对于微流控技术向实用化发展至关重要，并且无论是生物检测、药物测试，还是化学分析、环境监测，需要微升级液体的系统越来越多。微流控制系统通常包括微通道、微流混合器、微阀、微反应器、微传感器、微检测器等各种功能单元，并将其集成在一块微小的芯片上，通过控制微量液体在其中的流动，来完成生物和化学领域所涉及的样品制备、混合、反应、分离、检测、生化分析等功能的微分析系统。微流控系统具有极快的分析速度，极少的试剂消耗，体积集成化，功能集成化，操作简单，价格便宜等众多的独特性能。微流控制系统在化学生物等领域的应用主要是基于不同微量液体物质的混合反应，因此混合搅拌是微流体控制系统重要的环节之一。混合搅拌的目的是让参与反应的不同物质在反应腔中实现均匀分布。一般而言，溶液中的溶质的混合基于两种原理：对流混合和扩散混合。在对流的作用下，溶质团会被分成细小的碎块，使溶液间的接触面积增大，扩散间距变小，从而增加微流间混合效率。而溶质在溶液中的扩散系数与温度相关，因此温度也会影响微流的混合搅拌效率。根据混合方式的不同，可以将微搅拌器分为主动式混合和被动式混合。主动式混合是指通过外界的能量的输入来实现溶液的混合，例如压力、磁力、电场力、声场力和热动力等均可以用于作为主动式混合的能量来源；被动式混合主要依靠通道的几何结构，通过扩散的方式来实现混合。通常可以通过设计微流通道的结构来实现较为均匀的快速混合，例如Brody等人首次提出一种“十”字形的微流通道，通过侧路溶液对中路溶液的挤压形成一条窄带，侧路溶液通过扩散作用与中路溶液混合【Brody,JamesP.,etal.“BiotechnologyatlowReynoldsnumbers.”Biophysicaljournal,1996:71(6),3430-3441.】。还有的人采用在通道内增加修饰物的方法来增加混合效率，例如2002年Strook等人首先提出一种微流通道内部设置有交错排布的“人”字结构，有效地提高了混合效果【Stroock,A.D.,etal.“Chaoticmixerformicrochannels.”Science,2002:295(5555),647-651.】。专利CN106582903提出了一种光热波导的微流控芯片，该光热波导浸没在长方体的微流室底部，并且要求微流室的长宽高和注入液体体积一定，在光波导表面涂有导热性能的纳米材料，波导附近的液体成旋涡形状进而被混合。上述的微流混合器无论基于主动式的还是被动式或是光热效应，大多需要复杂的技术和尺寸要求，制备方法繁琐，成本较高。基于此，本专利技术提出了一种结构简单的基于带孔光纤的光热微流混合器。从制作材料和成本来说，由于光纤自身结构包含空气孔，尺寸与微流控芯片的微升量级相匹配，并且相对来说光纤生产量较大，微混合器制备的过程中所使用的微加工技术也较为简单，易于实现。这样制得微混合器平均造价低廉，适合批量生产，也有助于优化微流系统的集成度和小型化。从混合效果来说，本专利技术采用光热效应，形成温度梯度，当液体吸收光能后，可以增加溶液中分子的扩散速度。为了能进一步提高微流控芯片的集成度和小型化，克服上述在先进技术中的缺点和不足，本专利技术提出了一种基于单孔光纤的光热微流混合器，这种能用于微流控芯片的单孔光纤光热微流混合器制备简单，一致性好，便于配合微流控芯片使用，避免了分离情况下的光学对准与调节，适合规模化大批量生产。(三)
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供了一种在微米尺度操作微量液体的混合器，可以代替微流控芯片内通过微流通道几何形状来实现微流液体混合的集成单元，进一步提高微流控芯片的集成度和小型化。本专利技术的目的是这样实现的：一种基于单孔光纤的光热微流混合器，该光热微流混合器由一段经微加工处理过的单孔光纤和光源组成。将由图1所示的单孔光纤空气孔外侧制备多个微孔，当不同种液体通过微孔进入到空气孔内后，由于光纤芯与空气孔位置相切，通入光能后对微流液体产生热能辐射，使得液体分子加速运动从而达到混合的目的。这种能用于微流控芯片的单孔光纤光热微流混合器制备简单，一致性好，便于配合微流控芯片使用，与光源连接方便快捷，适合规模化大批量生产。进一步地，该光热微流混合器可以通过改变注入光能量的大小来调节空气孔内多种液体的混合程度。进一步地，该微流混合器所使用的单孔光纤，该光纤具有一个中间纤芯作光通道，在纤芯旁有且只有一个与纤芯几何位置外切的空气孔。进一步地，该光热混合器的液体进入口可近一步拓展为具有m个微孔结构，每个微孔都可以作为一种液体的一个进入口，即m个微孔可同时混合m种液体(m>1，m为整数)。进一步地，可以根据该光热微流混合器长度和进样要求通过飞秒打孔技术制备出所需的微孔尺寸和形状，如圆形微孔、正方形微孔、椭圆形微孔、长方形微孔等。为了实现微流控芯片中微流混合器的功能，中间纤芯和外部光源相连接，当单孔光纤被注入光能后，光沿着纤芯传播，当光纤中的空气孔充满液体时，由于纤芯与空气孔位置相切，纤芯的热量会很快地传递到空气孔中的液体中，光能转化为被液体吸收的热能进而转化为分子动能。被加热的液体扩散现象加速，从而达到多种液体充分混合的功效。具体原理如下：众所周知，光是电磁波的一种，该光热微流混合器所连接的光源所提供的光能量即为电磁波，并通过纤芯表面放射出来，由于纤芯与微流液体相邻，这种电磁波在纤芯中传递并再次到达微流液体转换成内能，当光源能量越强时，纤芯的温度就随之越高，放射性能量也就越大。所以该微流混合器是通过电磁波的形式从高温物体(光纤芯)向低温物体(微流液体)进行热量传递的。那么不同种微流液体又是如何被均匀混合的呢？可以简单理解为微流混合器内同时发生了两种对流传热现象，使得微流液体内的分子内能增大，加速运动，促使了空气孔内的多种液体扩散现象加剧。第一种导致液体混合的原因是：在高温物体表面(近纤芯处)被加热后的流体向低温物体表面(远纤芯处)移动的传热方式为对流传热。第二种导致液体混合的原因是：该单孔光纤光热微流混合器的空气孔内被加热后的液体和刚进入空气孔内温度略低的液体之间的热量传递方式属于对流传热，并且这种流体升温后，液体密度发生改变，进而产生对流。考虑到该专利技术所提出的光热微流混合器主要应用在微流控芯片领域内，微流混合器结构和芯片微流通道均为微米量级，所以雷诺数较低，液体流动为层流，且光纤芯与流体间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于单孔光纤的光热微流混合器，其特征是：该微流混合器由单孔单芯光纤加工而成，其中单孔光纤中间纤芯作为与外部光源相互连接的光接口，单孔光纤空气孔可以作为液体的微流通道，其中光纤的一端通过加热熔缩直至使空气孔塌缩密封，通过飞秒打孔加工技术在空气孔外侧制备微孔作为液体进入口，单孔光纤另一端未加工过的开放端作为液体的排出口。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于单孔光纤的光热微流混合器，其特征是：该微流混合器由单孔单芯光纤加工而成，其中单孔光纤中间纤芯作为与外部光源相互连接的光接口，单孔光纤空气孔可以作为液体的微流通道，其中光纤的一端通过加热熔缩直至使空气孔塌缩密封，通过飞秒打孔加工技术在空气孔外侧制备微孔作为液体进入口，单孔光纤另一端未加工过的开放端作为液体的排出口。


2.根据权利要求1所述的一种基于单孔光纤的光热微流混合器，该微流混合器所使用的单孔光纤，其特征是：该光纤具有一个中间纤芯作光通道，在纤芯旁有且只有一个与纤芯几何位置外切的空气孔。


3.根据权利要求1所述的一种基于单孔光纤的光热微流混合器，其特征是：该光热微流混合器可以具有m个微孔结构，每个微孔都可以作为一种液体...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑婷婷，张晓彤，苑立波，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西;45