本發(fā)明涉及一種微液滴操控技術(shù)，具體是一種基于鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片的實時可控微液滴陣列化裝置及方法。

背景技術(shù)：

隨著微流控芯片的迅速發(fā)展，微液滴操控已經(jīng)成為該領(lǐng)域的研究熱點。微液滴操控技術(shù)主要應(yīng)用于生物、化學(xué)、制藥等過程中微量樣品的分析及檢測，它主要涉及微量試劑的輸運、混合及分離等。它對生物醫(yī)療、藥物診斷、食品衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測以及分子生物學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展具有非常重要的意義。

2006年utkandemirci(acousticpicoliterdropletsforemergingapplicationsinsemiconductorindustryandbiotechnology，journalofmicroelectromechanicalsystems，15，957-966(2006))通過利用聲表面波疊加克服表面張力實現(xiàn)了微液滴的陣列化。該方法需要在壓電基底上制備叉指換能器，成本高、工藝復(fù)雜，且液體介質(zhì)與叉指換能器直接接觸，會對其造成污染。

2010年秦建華利用浮力和表面張力將高通量微液滴固定，實現(xiàn)了微液滴的陣列化(申請公布號為：cn102259040a)。該方法先將連續(xù)相和分散相分別注入微流控芯片，繼而在t型微液滴生成區(qū)形成連續(xù)的單分散性微液滴；在注射泵驅(qū)動下微液滴繼續(xù)流動并進入液滴捕獲器陣列，通過浮力和表面張力被捕獲，后續(xù)液滴從已固定液滴的液滴捕獲器下方通道流過，被順序地捕獲于后續(xù)的液滴捕獲器中。此方法原理雖然簡單，但前期需制備t型微液滴生成區(qū)，加工工藝復(fù)雜，在微液滴陣列形成的過程中需將連續(xù)相和分散相混合，容易造成交叉污染，另外，該方法微液滴陣列中的每個微液滴不能同時形成(即不能一次性形成微液滴陣列)，且不能對捕獲后的微液滴進行輸運，嚴重限制了應(yīng)用。

2014年李會增利用界面潤濕技術(shù)實現(xiàn)了微液滴分離及微陣列的制備(申請公布號為：cn105689026a)。該方法需通過光刻技術(shù)在基底表面構(gòu)筑圖案化的親水性區(qū)域和疏水性區(qū)域，以0-650μn的壓力和1-20mm/s的速度在基底表面拖動液滴，形成微液滴陣列，工藝過程復(fù)雜而且拖動液滴的壓力和速度不好控制，不能保證陣列化后微液滴體積的均勻性。

2015年張旻提出了一種利用氣壓驅(qū)動產(chǎn)生微液滴陣列的方法(申請公布號為：cn105381903a)。通過控制進氣孔和排氣孔控制閥的通斷，先使密封氣腔內(nèi)的壓力升高至足以使液體擠出到分樣板的噴嘴處，隨后使密封氣腔內(nèi)的壓力降低，進而使噴嘴處的液體斷裂形成液滴并噴出，承接于多孔板中。此方法需要較為復(fù)雜的外接驅(qū)動設(shè)備，并且需要設(shè)計制作導(dǎo)氣管、封閉氣腔等結(jié)構(gòu)，該方法芯片制作工藝復(fù)雜，噴嘴結(jié)構(gòu)易被堵塞、不易清潔，不能對該過程進行實時觀測，而且不能對分離出的微液滴進行合并及并行輸運操作。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

目前已報道的微液滴陣列化方法存在諸多缺點，如：裝置成本高、芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜；不能一次性形成體積均等的微液滴組成的陣列；陣列化后的微液滴不可合并、不可輸運；陣列化過程不能實時控制等。針對上述問題，本發(fā)明提供一種簡單、易行的微液滴陣列化方法，陣列化后的微液滴體積相等，而且可合并、可并行輸運，整個過程實時可控。

一種微液滴實時可控陣列化的裝置，其特征在于：激光器1、光闌2、空間濾波器3、透鏡(1)4、透鏡(2)5、掩膜6、半透半反鏡14、物鏡13、透明微動芯片平移臺12、鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片11按順序形成微液滴陣列化光路；背景光源10、鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片11、透明芯片微動平移臺12、物鏡13、半透半反鏡14、濾光片15、ccd相機(2)16按順序形成實時觀測光路；激光器1、光闌2、空間濾波器3、透鏡(1)4、透鏡(2)5、掩膜6、分束器7、ccd相機(1)8、計算機9按順序形成光強實時探測光路，通過三條部分重合的光路實現(xiàn)微液滴陣列化、觀測及操控的同時進行。

一種實現(xiàn)微液滴陣列化的方法，其特征在于：經(jīng)透鏡(1)和透鏡(2)擴束并準直的激光通過開有多個小孔的掩膜產(chǎn)生激光光斑陣列，激光光斑陣列經(jīng)物鏡會聚于鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片上，通過離焦操作，使各激光光斑之間距離變大，實現(xiàn)微液滴的陣列化；通過ccd相機(1)檢測各激光光斑功率，保證陣列化后的每個微液滴同時形成并且體積相等；通過聚焦操作，使各激光光斑之間距離變小，實現(xiàn)陣列化后的微液滴合并；通過激光光斑在鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片上的掃描動作可實現(xiàn)陣列化后微液滴的并行輸運。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：基于鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片以及物鏡激光聚焦系統(tǒng)，裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本較低；可通過激光光斑陣列使鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片中的微液滴陣列化；該方法可保證陣列中的每個微液滴同時形成且體積相等；可實現(xiàn)陣列化后微液滴的合并及并行輸運；另外該方法整個過程實時可控。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片的微液滴實時可控陣列化方案的裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明基于鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片的微液滴實時可控陣列化方案的一種實施例(實施例1)的陣列化過程圖。

圖3為本發(fā)明基于鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片的微液滴實時可控陣列化方案的一種實施例(實施例2)的陣列化過程圖。

圖4為本發(fā)明基于鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片的微液滴實時可控陣列化方案的一種實施例(實施例3)的陣列化過程圖。

圖5為本發(fā)明基于鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片的微液滴實時可控陣列化方案的一種實施例(實施例4)陣列化后的微液滴合并過程圖。

圖6為本發(fā)明基于鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片的微液滴實時可控陣列化方案的一種實施例(實施例5)陣列化后的微液滴并行輸運效果圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明做進一步說明。

本發(fā)明公開了一種微液滴實時可控陣列化的裝置及方法，該裝置包括：激光器1、光闌2、空間濾波器3、透鏡(1)4、透鏡(2)5、掩膜6、分束器7、ccd相機(1)8、計算機9、背景光源10、鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片11、透明微動芯片平移臺12、物鏡13、半透半反鏡14、濾光片15、ccd相機(2)16。激光器1、光闌2、空間濾波器3、透鏡(1)4、透鏡(2)5、掩膜6、半透半反鏡14、物鏡13、透明微動芯片平移臺12、鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片11按順序形成微液滴陣列化光路；背景光源10、鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片11、透明微動芯片平移臺12、物鏡13、半透半反鏡14、濾光片15、ccd相機(2)16按順序形成實時觀測光路；激光器1、光闌2、空間濾波器3、透鏡(1)4、透鏡(2)5、掩膜6、分束器7、ccd相機(1)8、計算機9按順序形成光強實時探測光路。

本發(fā)明公開了一種微液滴實時可控陣列化的裝置及方法，該方法的操作步驟為：將待陣列化的微液滴導(dǎo)入鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片中，并將鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片置于透明微動芯片平移臺上，調(diào)節(jié)透明微動芯片平移臺，使待陣列化的微液滴位于物鏡焦點附近，利用ccd相機(2)捕獲清晰的物象；打開激光器，利用兩透鏡將光闌和空間濾波器調(diào)整的激光擴束，并使擴束后的激光通過開有多個小孔的掩膜形成激光光斑陣列，調(diào)整光路使ccd相機(1)檢測到的每個激光光斑功率相同；調(diào)節(jié)透明微動芯片平移臺使待陣列化微液滴的中心與聚焦激光光斑重合，調(diào)節(jié)鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片在豎直方向上的位置使其離焦，利用產(chǎn)生的激光光斑陣列完成微液滴的陣列化過程；通過調(diào)節(jié)鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片在豎直方向上的位置使其重新回到焦點處，實現(xiàn)陣列化后微液滴的合并；通過激光光斑陣列在鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片上的掃描動作實現(xiàn)陣列化后微液滴的并行輸運。

所述的激光器1，要求其所發(fā)出的激光照射在鈮酸鋰晶片上能有效地激發(fā)出載流子，故其波長應(yīng)介于350～650nm，其功率應(yīng)介于0.4～40mw；透鏡(1)的焦距應(yīng)介于6～30mm，透鏡(2)的焦距應(yīng)介于150～350mm；鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片可選用鈮酸鋰晶片+c面對-c面或鈮酸鋰+c表面上蓋一片石英；物鏡12放大倍率介于5～30倍。

綜合上述并考慮元件的成本以及陣列化的效果，各參數(shù)的優(yōu)選范圍是：激光器波長應(yīng)介于390～550nm，其激光功率應(yīng)介于8～20mw；透鏡(1)的焦距應(yīng)介于10～20mm，透鏡(2)的焦距應(yīng)介于200～300mm；鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片選用鈮酸鋰晶片+c面對-c面；聚焦物鏡放大倍率介于6～20倍。

為保證光的正確傳播和測量精度，光路上所有光學(xué)元件和電子器件均固定在剛性連接架上。

本發(fā)明方案的工作原理：激光照射鈮酸鋰晶片，會產(chǎn)生定向移動的光激載流子(電子)，由于光激載流子沿+c方向運動，使得+c面帶負電，-c面帶正電。

本方案中的夾層結(jié)構(gòu)芯片由鈮酸鋰晶片+c面對-c面或鈮酸鋰晶片+c面和一片石英平行組合而成，因此當(dāng)激光光斑陣列照射鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片時，光斑處芯片內(nèi)表面會產(chǎn)生電荷，形成電場，通過介電泳力對微液滴進行操控。通過離焦操作，使各激光光斑之間距離變大，產(chǎn)生的介電泳力將微液滴向四周拉扯，使其陣列化；通過聚焦操作，使各激光光斑之間距離變小，從而使陣列化后的微液滴合并；通過激光光斑陣列在鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片上的掃描動作可改變介電泳力對每個微液滴的作用方向和位置，從而實現(xiàn)陣列化后微液滴的并行輸運。

下面給出本發(fā)明實現(xiàn)實時可控微液滴陣列化方案的具體實施例，具體實施例僅用于詳細說明本發(fā)明，并不限制本申請權(quán)利要求的保護范圍。

實施例1

使用532nm激光器，激光功率為7.9mw，透鏡(1)的焦距為15mm，透鏡(2)的焦距為250mm，鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片選用鈮酸鋰晶片+c面對-c面，聚焦物鏡放大倍數(shù)為10倍，將待陣列化的體積為0.407nl的微液滴導(dǎo)入鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片中，擴束后的激光穿過開有四個呈中心對稱小孔的掩膜，通過綜合調(diào)節(jié)透明微動芯片平移臺移動夾層液滴，使液滴位于四個聚焦激光光斑形成的正方形中心，陣列化后得到的小液滴體積為101.75pl。

實施例2

使用405nm激光器，激光功率為8.1mw，透鏡(1)的焦距為15mm，透鏡(2)的焦距為250mm，鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片選用鈮酸鋰晶片+c表面上蓋一片石英，聚焦物鏡放大倍數(shù)為10倍，將待陣列化的體積為0.308nl的微液滴導(dǎo)入鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片中，擴束后的激光穿過開有四個呈中心對稱小孔的掩膜，形成由四個激光光斑組成的光斑陣列，通過綜合調(diào)節(jié)透明微動芯片平移臺移動夾層液滴，使液滴位于四個聚焦激光光斑形成的正方形中心，陣列化后得到的小液滴體積為77pl。

實施例3

使用532nm激光器，激光功率為4.5mw，透鏡(1)的焦距為15mm，透鏡(2)的焦距為250mm，鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片選用鈮酸鋰晶片+c面對-c面，聚焦物鏡放大倍數(shù)為10倍，將待陣列化的體積為0.348nl的微液滴導(dǎo)入鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片中，擴束后的激光穿過開有四個呈中心對稱小孔的掩膜，形成由四個激光光斑組成的光斑陣列，通過綜合調(diào)節(jié)透明微動芯片平移臺移動夾層液滴，使液滴位于四個聚焦激光光斑形成的正方形中心，陣列化后得到的小液滴體積為87pl。

實施例4

使用532nm激光器，激光功率為7.9mw，透鏡(1)的焦距為15mm，透鏡(2)的焦距為250mm，鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片選用鈮酸鋰晶片+c面對-c面，聚焦物鏡放大倍數(shù)為10倍，擴束后的激光穿過開有四個呈中心對稱小孔的掩膜，形成由四個激光光斑組成的光斑陣列，調(diào)節(jié)激光光斑與透明微動芯片平移臺的相對位置使陣列化后的微液滴分別與四個激光光斑位置重合，調(diào)節(jié)透明微動芯片平移臺在豎直方向上的位置，使陣列化后的四個微液滴合并。

實施例5

使用405nm激光器，激光功率為8.5mw，透鏡(1)的焦距為15mm，透鏡(2)的焦距為250mm，鈮酸鋰夾層結(jié)構(gòu)芯片選用鈮酸鋰晶片+c表面上蓋一片石英，聚焦物鏡放大倍數(shù)為10倍，擴束后的激光穿過開有四個呈中心對稱小孔的掩膜，形成由四個激光光斑組成的光斑陣列，調(diào)節(jié)激光光斑與透明微動芯片平移臺的相對位置使陣列化后的微液滴分別與四個激光光斑位置重合，對陣列化后的四個微液滴進行并行輸運。

以上所述具體實例對本發(fā)明的技術(shù)方案、實施辦法做了進一步的詳細說明，應(yīng)理解的是，以上實例并不僅用于本發(fā)明，凡是在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)進行的同等修改、等效替換、改進等均應(yīng)該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。