本发明专利技术涉及一种新型的具有大变焦比的复合结构液体微镜，微镜芯片由透明柔性材料构成，具有顶层、中层和底层共三个功能层，每个功能层中均设置一个圆形微腔，三个圆形微腔的中心彼此垂直对齐，每个圆形微腔均与带入口的管道相通，中层的圆形微腔通过管道与至少一个设置在同一层中的蓄液微腔连通，顶层和/或底层中在与所述蓄液微腔对应的位置设置气动阀，气动阀的阀门均与带入口的管路相通，入口与压缩气泵连接，三个圆形微腔一起组成形状动态可调的复合微镜组镜，在控制层阀门的数字式调控下，微镜焦距可以在数厘米至数百微米之间精确变换，实现可控的大变焦比和显微成像。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及微镜芯片及其制备方法，特别涉及一种。
技术介绍
光流体学是一种将微流控学与微型光学组件结合的学科。在器件越来越小型化，各种科学实验集成在一块小芯片上进行的今天，光流体学为在芯片平台上产生、控制以及处理光信号提供了一种独特的解决方案。例如在液芯波导芯片中，微流管道里的液体被用作光全内反射传播的介质，而简单通过更换不同折射率的液体就可以实现对波导光学性能 的调制。诸如此类，微流芯片可以提供多种方式操控光传播的特性，特别是光的聚焦和发散。在数量众多的光流体学器件中，液体填充(液滴)微镜常作为它们的核心部件用于传统的光刻，光开关或是光学成像。而近年来，多类基于不同原理的自适应式液体微镜又被报道用于完成各种新型的，向生物学延展的芯片任务，例如细胞分类、单细胞分析等。当这类自适应式液体微镜用于和观察，成像相关的研究时，芯片的变焦速度、变焦范围以及调焦的精确性将是衡量其性能好坏的关键因素。在早期的通过更换液体，调节折射率实现变焦功能的微镜芯片中存在的主要问题是器件的响应速度较慢；在随后发展出来的基于PDMS(聚二甲基硅氧烷)弹性体材料的微镜芯片中，液体被灌入一个个由PDMS薄膜构成的微腔中，形成微镜。外接气动泵连入微流管道中调节微腔内液体压力，实时驱使PDMS弹性薄膜膨胀或收缩。这种设计不改变器件中光学介质的折射率，转而通过改变微镜单元的形状(曲率半径)来实现变焦，并由PDMS弹性膜的高度可伸缩性实现了大的变焦比。但由于这种设计高度依赖外接压力源的稳定性，因此会存在变焦不够精准，可控性不够好等问题。在此，在一个优选的方案中，我们以PDMS弹性体为材料，使用多层软光刻技术，研制出一种新型的具有大变焦比的复合结构液体微镜。镜组包含三个联动的微镜单元，在控制层阀门的数字式调控下，一组尺寸700微米的微镜焦距可以在数厘米至数百微米之间精确变换，实现可控的大变焦比和显微成像。
技术实现思路
本专利技术的目的正是为了解决上述技术问题，提供一种具有大的变焦比且变焦精准、可控性好的复合微镜芯片。本专利技术中的“微腔”指的是参与成像的具有光学功能的微腔，而“蓄液微腔”只有储存液体的功能，不参与成像。本专利技术的微镜芯片由透明弹性体构成。由于微镜要实现光的聚集和发散，其材料需要选择透明材料，这是显而易见的；选择弹性体则是为了易于控制其形状而达到变焦的目的。微镜芯片包括顶层、中层和底层共三个功能层，每个功能层中均设置一个微腔，三个微腔的中心彼此垂直对齐，每个微腔均与带入口的管道相通。其中，中间层的微腔是核心的形变元件，其尺寸可以根据实际需要设定。每个微腔均与带入口的管道相通，用于流体的注入。三个微腔是通过上下两层透明弹性体薄膜彼此分离的。如果两个相邻的微腔内的压力不同，透明弹性体薄膜就会形变，使得中间层的微腔上下表面曲率半径发生变化，这样中间层的微腔就变成一个压力控制下，形状可调的液体微镜。然而，仅有这样的结构，想精确和快速地通过控制压力得到对应精确变化的微镜形状依然是困难的。因此，我们在中间层中设置一个或多个蓄液微腔(若蓄液微腔为多个，则多个蓄液微腔彼此连通)，通过管道连接上述蓄液微腔与中间层的微腔；同时，顶层和/或底 层中在与所述蓄液微腔对应的位置设置气动阀，所述气动阀的阀门均与带入口的管路相通，所述入口与压缩气泵连接。具有上述结构的微镜芯片即可实现精确、快速的变焦了。微腔的形状并没有特别的限定，可以是常见的圆形、方形或三角形。本专利技术的实施例中采用了常见的圆形，但是本领域的技术人员能够了解，其他形状的微腔也能够达到相同的技术效果。具体操作方法如下首先，往中间层的蓄液微腔中注入一定体积的液体，由于蓄液微腔与中间层的微腔是连通的，微腔中必然也会充满液体；在液体注入到中间层的微腔后，关闭阀门，将整个流体层通路封闭，这样就在连通的中间层蓄液微腔与微腔中封闭了总量一定的液体。当底控制层(或顶控制层)的气动阀被依次加压关闭后，阀门充气膨胀，挤压位于其上方(或下方)的流体层蓄液腔，蓄液腔中的液体被挤入封闭末端中的微腔内，同时使其上下两层的透明弹性体薄膜逐级膨胀。这样，通过体积调节的方式，流体层的微腔变成了一个焦距离散可调的双凸液体微镜。并且，在中间层的微腔由平面变成双凸形的同时，顶层和底层的微腔也被挤压得凹陷下去，形成两个单凹微镜。因此，在操作的过程中，这样的三层微腔结构就变成了一个形状动态可调的复合微镜组，它包含一个双凸镜和两个单凹镜。优选的，可以通过如下的设置进一步增强上述微镜芯片的性能。为了在微小的体系中应用，可以将圆形微腔的直径设置在50μπι-2πιπι之间(方形或三角形微腔的最长边尺寸设置在50 μ m-2mm之间)；将上层和底层的圆形微腔直径设置为相同，且上层和底层的圆形微腔直径大于中层的圆形微腔的直径，可以提高微镜芯片的成像质量；所述蓄液微腔个数大于等于2，更优选地设置为4个-8个，蓄液微腔的体积随着其与微腔的距离增加而增大，如此可以更加精确地控制中间层微腔的形变，进而控制微镜芯片的变焦；选择具有透气性的高分子材料作为透明弹性体，在适当的压力下，单端封死的管路也能被注满液体，这样便可以方便地在中间层的微腔中注入没有气泡的液体，该透气性的高分子材料包括但不限于聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯丙纶、聚氨酯、聚I-三甲硅基丙炔、聚I-三甲硅基丙炔、聚甲基丙烯酸甲脂、聚甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)、聚乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酸甘油酯中的一种或两种以上的混合物；在中层微腔中填充折射率与所述透明弹性体相近的液体作为光学介质，顶层和底层的微腔中填充气体作为光学介质，上述“相近”是指光学介质折射率透明弹性体折射率=O. 8 I. 2，一般来说，腔内气体的折射率低于包围在外的透明弹性体的折射率，它们就会像正折射率的凸透镜一样汇聚光，所述光学介质可以是reliber PF6802氟油，所述气体可以是空气。下面将具体地通过实例以及结合附图来说明本专利技术的微镜芯片的制备方法及结构特征。图Ia展示的是一块制备好的复合微镜芯片。三层微流管道的结构在分别三种颜色染料的演示下清晰可见。芯片的设计如图Ib所示，我们先用AutoCAD画出芯片每层结构的图案，分别为为顶微镜层，中流体层和底控制层。然后按图案打印出菲林掩膜，再通过光刻制作出每层结构的模板。顶层和底层的图案使用负曝光胶SU-8制作，定影后的图案留在硅片上形成模板(图l(cl、c7))，而中间流体层模板则由正胶AZ-100(管道部分)和负胶SU-8(圆形微腔部分)经过两次分区域的曝光、显影、定影步骤制成(图lc4)。流体层模板还需经过24小时的回流烘烤处理，使得管道部分的图案变得平整和圆滑，以确保复印出的PDMS管路能在后续的实验中被控制阀完全关死。在倒胶，除气泡，以及80°C、15分钟的烘烤后，我们从第一层模板上揭下处于半聚合状态并印好图案的微镜层PDMS (厚度约5毫米)，在入口处打好孔后与经过与第一层相似处理，同样处于半聚合状态的流体层PDMS薄膜(厚度约150微米)贴合并对齐图案。经过80°C，约I小时烘烤后，两层聚合，紧密粘连，整体从第二张模板上撕下。重复上述步骤，将聚合的两层PDMS对齐贴到第三层控制层PDMS上 (厚度约190微米)，80°C烘烤一小时，此时三层PDM本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于微流控学的数字可调式微镜芯片，其特征在于所述微镜芯片由透明弹性体构成，具有顶层、中层和底层共三个功能层，每个功能层中均设置一个微腔，三个微腔的中心彼此垂直对齐，每个微腔均与带入口的管道相通，中层的微腔通过管道与至少一个设置在同一层中的蓄液微腔连通，顶层和/或底层中在与所述蓄液微腔对应的位置设置气动阀，所述气动阀的阀门均与带入口的管路相通，所述入口与压缩气泵连接，所述三个微腔一起组成形状动态可调的复合微镜组。
【技术特征摘要】
1.一种基于微流控学的数字可调式微镜芯片，其特征在于所述微镜芯片由透明弹性体构成，具有顶层、中层和底层共三个功能层，每个功能层中均设置一个微腔，三个微腔的中心彼此垂直对齐，每个微腔均与带入口的管道相通，中层的微腔通过管道与至少一个设置在同一层中的蓄液微腔连通，顶层和/或底层中在与所述蓄液微腔对应的位置设置气动阀，所述气动阀的阀门均与带入口的管路相通，所述入口与压缩气泵连接，所述三个微腔一起组成形状动态可调的复合微镜组。2.根据权利要求I所述的微镜芯片，其特征在于所述微腔的形状为圆形、方形或三角形。3.根据权利要求2所述的微镜芯片，其特征在于圆形微腔的直径在50ymlmrn之间，方形或三角形微腔的最长边尺寸在50 V- m-2mm之间。4.根据权利要求1-3的任一项所述的微镜芯片，其特征在于上层和底层的微腔形状、尺寸相同，且上层和底层的微腔尺寸大于中层的微腔尺寸，所述尺寸指微腔边缘两点之间的最大距离。5.根据权利要求1-4的任一项所述的微镜芯片，其特征在于所述蓄液微腔个数大于等于2，且通过管道相互连通。6.根据权利要求1-5的任一项所述的微镜芯片，其特征在于所述蓄液微腔个数为4个-8个，且彼此通过管道连成一条直线，蓄液微腔的体积随着其与微腔的距离增加而增大。7.根据权利要求1-6的任一项所述的微镜芯片，其特征在于所述透明弹性体是具有透气性的高分子材料。8.根据权利要求1-7的任一项所述的微镜芯片，其特征在于所述透明弹性体是聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯丙纶、聚氨酯、聚I-三甲硅基丙炔、聚I-三甲硅基丙炔、聚甲基丙烯酸甲脂、聚甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)、聚乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酸甘油酯中的一种或两种以上的混合物。9.根据权利要求1-8的任一项所述的微镜芯片，其特征在于中层微腔中填充折射率与所述透明弹性体相近的液体作为光学介质，顶层和底层的微腔中填充气体作为光学介质，上述“相近”是指光学介质折射率透明弹性体折射率=0. 8 I. 2。10.根据权利要求9所述的微镜芯片，其特征在于所述光学介质为reliberPF6802氟油，所述气...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄岩谊，费鹏，赫滋，郑春红，陈涛，门涌帆，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：
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