基于光热效应的样品微球水平滚动控制方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于光热效应的样品微球水平滚动控制方法和系统，该系统包括：光学显微成像模块、控制模块、激光光源、样品平台以及样品微球；所述控制模块用于控制实现激光光源和样品微球之间进行相对运动，以使所述激光光源发出的激光光斑可聚焦在所述样品微球边缘，从而使得所述样品微球因光热效应而朝远离激光光斑的方向滚动。本发明专利技术提供了一种简便可行的微球运动控制方案，整个控制系统的搭建简便、成本低廉，本发明专利技术单纯依靠光热驱动实现微球的运动，微球直径可达10～500μm，受布朗运动的干扰小，且可对微球进行连续的方向控制，控制简单，具有很好的应用前景。具有很好的应用前景。具有很好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于光热效应的样品微球水平滚动控制方法和系统


[0001]本专利技术涉及微纳材料驱动
，特别涉及一种基于光热效应的样品微球水平滚动控制方法和系统。

技术介绍

[0002]在液体中实现微米和纳米级物体的可控运动对生命科学，表面科学，微流控和微机电等领域有重要的研究意义。目前有文献报道的对微纳米结构微粒的驱动方法包括声波，磁场，电场，光催化，化学反应，光镊和光热等；所采用微球在尺度上大都小于数个微米，以纳米级微粒居多；微球的结构形状有火箭型，球型和表面非对称型等。采用光驱动，特别是激光光热效应所引发的热渗流，进而使得粒子产生“自热泳”的驱动方式，具有以下特点，例如，1)激光通过显微技术容易实现微米级的远程控制，甚至是纳米级的能量聚焦；2)驱动粒子含有的光热材料和所处的溶液一般不发生化学反应，是一种“免燃料”的驱动方式，可避免对生物样品的“二次污染”，且光热引起的温度梯度和热渗流可在绝大多数溶液中产生；3)相比基于光子动量转移的光镊调控技术，光热驱动对光能的转化效率更高，且同等的光功率作用下光热驱动比光镊的驱动力更大，可达到纳米牛顿量级，实现对数十微米的微粒的驱动。
[0003]已有报道的纯光热驱动微球技术，驱动的微球大小一般也在几个微米以下，且大都是非聚焦的光照，一般还利用了两面型不对称结构在微球周围产生温度梯度，运动速度虽然可达数百个微米每秒，但运动方向难以控制，且微球体积越小受布朗运动的影响越显著。此外，还有利用聚焦点光源激发含有光热材料的微球，使其产生自热泳。何强课题组(Superfast Near-Infrared Light-Driven Polymer Multilayer Rockets,Small 2016,12,577
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582)制备的一种长约10μm火箭型微球，以逐层组装+模板辅助合成的苯乙烯磺酸/多环芳烃复合层(总计20层)的中空管为基础框架，在管道内壁组装由聚(二烯丙基二甲基氯化铵)稳定化的纳米铂作为催化层，外壁则生长金纳米层，激光点光源作用于该微球的瞬间，光热产生的热量可令微粒内壁的催化材料加速分解周围溶液中的过氧化氢(0.1％)，所产生的氧气气泡最终足以推动整个微粒朝着背离点光源的方向运动一段距离；上述火箭型微球的结构复杂，且并非单纯依赖光热泳驱动。Utsab Khadka等人(Active particles bound by information flows,Nat.Commun.2018,9:3864)亦采用激光聚焦光源作用于金纳米粒子稀疏包裹的2.13μm的三聚氰胺树脂颗粒的一侧，产生温度梯度形成热泳，并利用波分复用和算法诱导多个同类粒子有规律的群体悬浮运动，由于颗粒较小，布朗运动的干扰也较明显，因而运动速度受限。相比之下，尺寸在几十微米量级微球的可控驱动却鲜有报道，Ido Frenkel等人(Light generated bubble for microparticle propulsion,Scientific Reports 2017,7:2814)则采用40-60μm的中空玻璃微球，其微球表面包覆一层厚度为200nm的金属银，将上百毫瓦的激光(405nm)聚焦到粒子的一侧，局部高温促使气泡在数十个微秒内经历产生、增大、消失的过程，在气泡逐渐溶解的同时最终将微粒弹射出去，速度变化极快(可达1m/s)，因此运动变化过程要借助高速相机拍摄观察，该方法的驱动
方式属于单点快速触发，因此不易对微球进行连续的方向控制。
[0004]所以现在需要一种更可靠的方案。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于光热效应的样品微球水平滚动控制方法和系统。本专利技术主要采用尺寸为几十至几百微米量级的微球作为控制对象，通过物镜聚焦作用照射微球一侧边缘，引发微球表面纳米材料层的光热效应，从而驱动粒子在液体中的底部基板上水平滚动；本专利技术可对微球进行连续的方向控制，受布朗运动的干扰小，控制简单。
[0006]为实现上述目的和本专利技术的其他优点，本专利技术采用的技术方案是：一种基于光热效应的样品微球水平滚动控制系统，包括：光学显微成像模块、控制模块、激光光源、样品平台以及样品微球；
[0007]所述样品微球包括球核以及包覆在所述球核表面的光热材料层，所述样品微球通过容器置于所述样品平台上，所述激光光源发出激光光斑，所述光学显微成像模块用于对所述样品微球进行成像；
[0008]所述控制模块用于控制实现激光光源和样品微球之间进行相对运动，以使所述激光光源发出的激光光斑可聚焦在所述样品微球边缘，从而使得所述样品微球因光热效应而朝远离激光光斑的方向滚动。
[0009]优选的是，所述光学显微成像模块包括成像光源、沿所述成像光源发出的成像光的出射方向依次设置的聚光镜、显微物镜、半反半透镜、目镜以及CCD相机，所述样品平台设置在所述聚光镜和显微物镜之间。
[0010]优选的是，所述激光光源包括激光器以及设置在所述激光器的出光口上的准直器。
[0011]优选的是，所述激光器发出的激光经过所述准直器后被所述半反半透镜反射，再经所述显微物镜后照射到所述样品平台上的样品微球边缘；
[0012]所述成像光源发出的成像光经过所述聚光镜后照射到所述样品平台上的样品微球边缘，所述样品微球反射的光经所述显微物镜收集后再透射所述半反半透镜，再经过所述目镜后到达所述CCD相机。
[0013]优选的是，所述准直器为可调光纤准直器，经过所述可调光纤准直器后的准直光束直径大于所述显微物镜的入瞳直径。
[0014]优选的是，所述球核的材料为在所述激光器发出的激光的中心波段无光热效应的非金属材料，且密度大于水；
[0015]所述样品微球的直径为10～500μm，所述光热材料层的厚度为50～500nm。
[0016]优选的是，所述球核的材料为聚苯乙烯、二氧化硅或其他聚合物，所述光热材料层的材料为金或银或其他具有光热转换效应的有机聚合物。
[0017]优选的是，所述样品平台具有X、Y两个方向的自由度，其可在所述控制模块的控制下进行X、Y方向的水平移动，以使所述激光光源出射的激光光斑可聚焦到所述样品平台上的样品微球边缘。
[0018]优选的是，该系统还包括可调节所述激光光源出射的激光光斑的聚焦位置的空间
光调制机构或反射机构，所述空间光调制机构或反射机构可在所述控制模块的控制下调节所述激光光源出射的激光光斑的位置，以使激光光斑聚焦在样品平台上的样品微球边缘附近。
[0019]本专利技术还提供一种基于光热效应的样品微球水平滚动控制系统的控制方法，包括以下步骤：
[0020]1)将所述CCD相机和二维样品台分别与所述控制模块连接，将样品微球放入盛有液体的容器中，将容器置于所述二维样品台上，开启所述成像光源，通过所述控制模块控制所述二维样品台进行水平移动，同时调节所述显微物镜与样品微球的距离，使得样品微球清晰成像于所述CCD相机的视野中央；
[0021]2)开启所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光热效应的样品微球水平滚动控制系统，其特征在于，包括：光学显微成像模块、控制模块、激光光源、样品平台以及样品微球；所述样品微球包括球核以及包覆在所述球核表面的光热材料层，所述样品微球通过容器置于所述样品平台上，所述激光光源发出激光光斑，所述光学显微成像模块用于对所述样品微球进行成像；所述控制模块用于控制实现激光光源和样品微球之间进行相对运动，以使所述激光光源发出的激光光斑可聚焦在所述样品微球边缘，从而使得所述样品微球因光热效应而朝远离激光光斑的方向滚动。2.根据权利要求1所述的基于光热效应的样品微球水平滚动控制系统，其特征在于，所述光学显微成像模块包括成像光源、沿所述成像光源发出的成像光的出射方向依次设置的聚光镜、显微物镜、半反半透镜、目镜以及CCD相机，所述样品平台设置在所述聚光镜和显微物镜之间。3.根据权利要求2所述的基于光热效应的样品微球水平滚动控制系统，其特征在于，所述激光光源包括激光器以及设置在所述激光器的出光口上的准直器。4.根据权利要求3所述的基于光热效应的样品微球水平滚动控制系统，其特征在于，所述激光器发出的激光经过所述准直器后被所述半反半透镜反射，再经所述显微物镜后照射到所述样品平台上的样品微球上；所述成像光源发出的成像光经过所述聚光镜后照射到所述样品平台上的样品微球上，所述样品微球反射的光经所述显微物镜收集后再透射所述半反半透镜，再经过所述目镜后到达所述CCD相机。5.根据权利要求4所述的基于光热效应的样品微球水平滚动控制系统，其特征在于，所述准直器为可调光纤准直器，经过所述可调光纤准直器后的准直光束直径大于所述显微物镜的入瞳直径。6.根据权利要求5所述的基于光热效应的样品微球水平滚动控制系统，其特征在于，所述球核的材料为在所述激光器发出的激光的中心波段无光热效应的非金属材料，且密度大于水；所述样品微球的直...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志强，戴喜德，刘聪，史国华，周武平，张涛，蒋克明，黎海文，
申请(专利权)人：中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，
类型：发明
国别省市：