基于光热波导的微流控芯片及其微流控方法

摘要

本发明公开了一种基于光热波导的微流控芯片及其微流控方法，该芯片包括光热波导、微流室、光信号输入端口、微流泵、微流体，光热波导由光热转换材料与微纳波导组装而成，光热波导浸没在微流室底部，光源发出的光信号在光热波导上传输；微流泵通过管道与微流室连接。光热波导通过光信号激发出热量进而在整个微流体中产生温度梯度，诱导产生以竖直式涡旋流为特征的浮力对流以及以水平式涡旋流为特征的热毛细对流。通过微流泵可改变流体层厚度进而控制微流体的流动模式。通过光信号的功率可改变光热波导的热量进而控制微流体的流动强度。该方法快捷方便、成本低廉且高效，可以产生多种形式的涡旋流。

说明书

技术领域

本发明属于光流控技术领域，具体涉及一种基于光热波导的微流控芯片及其微流控方法。

背景技术

在微流控芯片中，微流体流动的产生与控制是实现生物化学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等模块的基础操之一。早期的微流体流动技术主要通过微型泵阀器件以及复杂流体通道来实现。21世纪中后期，伴随着器件向集成化和小型化方向发展，蓬勃发展的微流控芯片技术与光学技术的有机结合，两者相辅相成，造就了新技术领域的诞生，即光控微流技术。利用光热材料将光能转化为热能，再转化为驱动流体动力能量的方法是光控微流技术的典型。2008年，美国加利福利亚大学的研究者在《Nature Materials》(Nature Materials 5,27-32(2006))杂志报道了利用光热金属纳米粒子的能量转化特性，通过悬浮的纳米金来实现光热操控流体技术，以此控制流体流向以用来运输生物分子和活体细胞。此后，《Nature Communications》(Nature Communications 5,155-164(2014))《ACS Nano》(ACS Nano 5(7),5457-5462(2011))等杂志报道了利用金属纳米结构的光热转化来实现光热操控流体技术，以此控制流体产生竖直流动来运输化学材料。光控微流既满足了复杂泵阀器件、表面化学和电极模式或者其他衬底制作的需求，又允许在大尺寸的微流控芯片中处理生物化学材料时不需要辅助任何物理或者机械泵浦器件。

在光控微流领域，激光与光热材料相互作用产生的热量的范围与强度是能否实现控制微流的关键。鉴于目前传统激光光束的局限性，目前的光控微流技术有几大不足：1，激发设备复杂，损耗较大。高性能的传统激光器工艺复杂、价格昂贵。同时激光的准直、聚焦、偏振态的转换也需要复杂的光学元器件与光路来实现。因此，实验平台的准备、维护需要较高的经济成本和时间成本。激光从光源出发需经过复杂光路再与材料相互作用，光学元器件会散射和吸收部分能量造成浪费。2，直接激光激发方式产生的流体流动形式单一，一般只激发流体的竖直流动，最终造成光控微流技术的功能局限在流体传热与传质之中。

发明内容

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种基于光热波导的微流控芯片，该芯片以光热波导为基础，利用其可调谐的优势，诱导微流体产生竖直式、水平式、竖直水平混合式的涡旋流动，突破目前的光控微流技术形式单一、功能单一的局限。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述涡旋式微流控芯片的微流控方法，该方法以光热波导为基础，具有成本低、损耗低、效率高的优势，突破了传统激光光束激发成本高、损耗大的局限。

本发明的目的通过下述技术方案实现：基于光热波导的微流控芯片，包括芯片基底、光热波导、微流室、光信号输入端口、微流泵、微流体，所述微流室设置在芯片基底上，所述光热波导由光热转换材料与微纳波导组装而成，光热波导浸没在微流室底部，光热波导一端通过光信号输入端口与外部光源连接，光源发出的光信号在所述光热波导上传输；所述微流体放置在微流室内，微流泵通过管道与微流室连接。

所述的微纳波导，为石英、氮化硅、或者其余熔点大于100摄氏度的聚合物等。优选为石英。

所述的微纳波导，为脊形波导、矩形波导、或者圆柱形波导。优选为圆柱形波导。

所述的微纳波导优选采用火焰加热拉伸法拉制单模石英光纤制得，折射率为1.45，直径优选为0.2～5μm，具有较好的表面光滑度和长度均匀性，以及优良的机械性能。

所述的光热转换材料可以使用本领域公知的具有良好的光热转换性能以及导热性能的纳米材料，具体为石墨烯、氧化石墨烯、纳米金胶体或纳米银胶体等，优选为氧化石墨烯。

所述光热转换材料可以通过涂覆、沉积等方式包覆于微纳波导表面。

所述的光热波导优先采用液滴涂覆法制备，制备方法为：将氧化石墨烯的乙醇溶液直接滴在微纳波导上形成椭球状结构，随着酒精的蒸发，液滴将逐渐萎缩，最后在波导表面逐渐形成薄膜。

所述的光信号的波长范围在可见光波段或者近红外波段均可选择，但必须避开芯片溶液中的吸收波段以及优先选择光热材料的吸收波段，比如对于氧化石墨烯，在980nm以及1550nm均有较强的吸收，对于水，在1550nm波段具有强烈的吸收而在980nm波段具有较少的吸收。整体优选为980nm。

所述光信号的光功率范围可调谐，优先选取在20mW-100mW范围内。

所述的微流室用于盛放微流体。可以使用本领域公知的任何形状的微流室。可以由本领域公知的用于微流体通道的材料围成，例如可使用石蜡、聚二甲硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、或紫外固化胶等。

所述的微流泵用于注射或者排放微流体，并通过注射与排放的微流体的体积计算在微流室中微流体层的厚度，可以使用本领域公知的任何类型的微流泵或者微量注射器等。

所述的微流体可以使用本领域中公知的任何牛顿型流体，例如水、DMF、或PBS缓冲液等。

所述的微流体中带有用于流体示踪的微纳米颗粒，可以使用本领域中公知的任何材质任何形状的颗粒，例如规则球体的聚合物小球、silica小球，或者规则棒状的金属微纳米线、半导体微纳米线、聚合物微纳米线，或者不规则形状碳粉等。

所述的基于光热波导的涡旋式微流控芯片的机理是：本发明基于光热转换材料对微纳波导上的传输光场的限制并吸收，产生光热能量转换。所转换而成的热量将由微流室中间底部的光热波导开始向外扩散，进而在整个微流体中产生温度梯度。温度梯度的产生造成了微流体内部密度以及微流体表面上的表面张力的重新分布。前者产生了浮力驱动力，驱动内部流体从低位流向高位，形成浮力对流。后者产生了表面剪应力，驱动表面流体从低表面张力区流向高表面张力区，形成热毛细对流。通过控制流体层的厚度，就能改变内部流体与表面流体的温度分布，从而改变两种对流的强弱。理论仿真表明，浮力对流为竖直式的涡旋流动，热毛细对流为水平式的涡旋流动。随着流体层厚度的增大，热毛细对流由强变弱，浮力对流由弱变强，因此可以通过控制流体层厚度来控制流体的流动模式。薄膜流体层主要产生热毛细对流主导的水平式涡旋流动，厚度比较大的流体层主要产生由浮力对流主导的竖直式涡旋流动，对于适当厚度的流体层，则会出现水平式与竖直式混合的涡旋流动。

基于上述涡旋式微流控芯片的微流控方法，步骤是：

(1)将所述微流体通过所述微流泵注射入所述微流室中，根据注射微流体的体积计算微流室中微流体层的厚度；

(2)将光信号通过光热波导的光信号输入端口输入；

(3)通过微流泵调整微流室中微流体层的厚度，以控制流体的流动模式，按照流体层由薄到厚，依次出现：热毛细对流主导的水平式涡旋流动，水平式与竖直式混合的涡旋流动，以及由浮力对流主导的竖直式涡旋流动；

(4)通过调节所述光信号的功率以控制流体的流动强度。

所述的基于光热波导的涡旋式微流控芯片既可以作为独立的装置，又可以作为一个模块并入到本领域公认的任何适当的微流控系统中。在某些实施方式中，基于光热波导的涡旋式微流控芯片可以形成具有多种功能的芯片上的一个元件。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)从成本和可行性出发，相比于传统激光激发形式，本发明通过光耦合将光信号耦合进光波导，激发光热波导能更高效、更集中、更稳定地激发热量。比用复杂的光学系统产生激光束照射更加合适。光热波导能将光稳定牢固地限制在材料中，增强了激光与物质的相互作用，既可以避免光能的浪费，又可以更高效、更集中、更稳定地激发热量。而这些仅仅需要一台光纤激光器，实验设备成本较低，能量损耗较低，增加了能源利用效率。

(2)制作方法快捷方便，成本低廉且有效。本发明所用的光热转换纳米材料，包括氧化石墨烯，可以推广到其他光热转换纳米材料如碳纳米管、纳米金、纳米银等。本发明所用的波导，包括但不仅限于二氧化硅，可以推广到其他波导材料如硅、聚合物等。

附图说明

图1是本实施例微流控芯片的结构示意图。

图2a是流体层较厚，产生由浮力对流主导的竖直式涡旋流动时，水平方向上对流的原理示意图。

图2b是流体层较厚，产生由浮力对流主导的竖直式涡旋流动时，竖直方向上对流的原理示意图。

图3a是流体层较薄，产生热毛细对流主导的水平式涡旋流动时，水平方向上对流的原理示意图。

图3b是流体层较薄，产生热毛细对流主导的水平式涡旋流动时，竖直方向上对流的原理示意图。

图4a是产生水平式与竖直式混合的涡旋流动时，水平方向上对流的原理示意图。

图4b是产生水平式与竖直式混合的涡旋流动时，竖直方向上对流的原理示意图。

图5a、5b是显微照片，所述的显微照片示出在不同光输入功率下基于光热波导的由浮力对流主导的竖直式涡旋流动。

图6a、6b是显微照片，所述的显微照片示出在不同光输入功率下基于光热波导的由热毛细对流主导的水平式涡旋流动。

图7a、7b是显微照片，所述的显微照片示出在不同光输入功率下基于光热波导的水平式与竖直式混合的涡旋流动。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明通过控制微流体中的热分布来控制微流体的流动模式。通过激发微流体中光热波导造成微流体内部密度的以及微流体表面上的表面张力的重新分布。最终产生竖直涡旋流动的浮力对流与水平涡旋流动的热毛细对流。在本发明中，微流体的厚度是流体模式的控制因素，浮力对流随着微流体厚度增加而增强，而热毛细对流随着微流体厚度增加而减弱。光热波导是激发源，流体流动强度与光功率成正相关关系。

图1给出了下面各个实施例所基于的微流控芯片的结构。微流控芯片包括芯片基底1和微流室2，微流室2设置在芯片基底1上，长、宽、高一定，光热波导置于微流室中的底部中央。微流泵3置于微流室的一个角落，用于引入或者排出微流体。作为激发源，光热波导由以氧化石墨烯为代表的光热材料4与微纳波导5组装而成。氧化石墨烯具有较高的折射率，可以将大部分原先在波导上传输的光能限制在其中。同时氧化石墨烯具有极强的吸收率，可以将所限制的光能吸收，从而实现在较低的光输入功率下激发较高的温度。光热波导一端通过光信号输入端口6与外部光源连接，光源发出的光信号在所述光热波导上传输。

下面结合实施例及附图对本发明的实施方式以及物理机制分别作进一步详细的描述。

实施例1

该实施方式主要产生浮力对流主导的竖直式涡旋流动。在该实施方式中，微流泵注入较多的液体形成较厚的流体层，H厚度30～100μm，此时通过激发微流体中光热波导的热量在微流体中扩散，靠近热源的微流体由于温度升高产生局部膨胀，密度降低。这种微流体内部密度的重新分布产生了浮力驱动力。此驱动力方向为竖直方向，因此驱动流体从低位流向高位，又从高位流向低位，如此循环形成竖直式涡旋。其对流的竖直方向如图2b所示。同时由于热扩散的方向以光热波导为轴对称，因此，产生的对流的水平方向也以光热波导为轴对称。图2a示出水平方向上对流的方向。而由于微流体厚度较大，微流体表面温度较为均匀，无法驱动热毛细对流。

实施例2

该实施方式主要产生热毛细对流主导的水平式涡旋流动。在该实施方式中，微流泵注入较少的液体形成较薄的流体层，H厚度5～20μm，此时通过激发微流体中光热波导的热量在微流体中扩散，在微流体表面，靠近中心的微流体由于温度升高表面张力变小。这种微流体表面张力的重新分布产生了剪应力。由于此现象只出现在微流体表面，此驱动力方向为水平方向，因此驱动流体低表面张力区(高温区域)流向高表面张力区(低温区域)，如此循环形成水平式涡旋。其对流方向如图3a所示。由于热扩散的方向以微流体表面为轴对称，因此，产生的水平式涡旋由4个涡旋组成阵列，相邻的涡旋旋转方向相反。如图3b所示，由于微流体厚度较小，微流体内部竖直方向上温度较为均匀，无法驱动浮力对流。

实施例3

该实施方式中主要产生水平式与竖直式混合的涡旋流动。微流泵注入适量的液体使得微流体的厚度H在20～30μm。此时通过激发微流体中光热波导造成了微流体内部密度的以及微流体表面上的表面张力的重新分布。前者形成浮力对流，后者形成热毛细对流，两种对流相互重叠。

下面结合实施例及附图对本发明实施方式以及实验操作分别作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

采用火焰加热拉伸法拉制单模石英光纤(SMF-28，美国Corning公司)，拉制出直径为1.0μm、长度为2mm的微纳波导。采用液滴涂覆制备方法制备光热波导，方法是：将氧化石墨烯的乙醇溶液直接滴在微纳波导上形成椭球状结构，随着酒精的蒸发，液滴将逐渐萎缩，最后在波导表面逐渐形成薄膜。如图5所示的氧化石墨烯层长度为4μm，平均厚度为200nm。将制备而成的光热波导放置在芯片基底。采用高温熔化的石蜡材料围成长为1mm，宽为1mm，高为100μm的微流室。将可调谐功率为20-100mW，工作波长为980nm的光纤激光器作为光源与光热波导的光信号输入端口相连。将来自光纤激光器的光信号通过端口输入，并在光热波导上传输。将直径为300nm的聚苯乙烯小球胶体溶液以1:100的比例融入水中，并通过微流泵注入微流室。通过聚苯乙烯小球的移动轨迹判断流体流动模式。图5-7给出了本实例所述聚苯乙烯小球在不同微流体厚度以及不同功率的光信号输入下的运动轨迹的光学显微镜图像。

如图5a所示，将10μL的所示微流体通过微流泵注入微流室中，形成厚度大约为100μm的微流体，在功率为40mW、波长为980nm的光信号输入下，聚苯乙烯小球产生竖直方向的循环流动，这表示微流体上产生了浮力对流。如图5b所示，继续输入光信号且将光信号功率提升至80mW，聚苯乙烯小球产生更大范围的循环流动，且流动速度增大，这表示微流体上产生了强度更大，范围更大的浮力对流。

如图6a所示，将1μL的所示微流体通过微流泵注入微流室中，形成厚度大约为10μm的微流体，在功率为40mW、波长为980nm的光信号输入下，聚苯乙烯小球产生水平方向的循环流动，从显微镜视图上看，聚苯乙烯的轨迹形成四个涡旋图样。这表示微流体上产生了热毛细对流。如图6b所示，继续输入光信号且将光信号功率提升至80mW，聚苯乙烯小球产生更大范围的循环流动，且流动速度增大，这表示微流体上产生了强度更大，范围更大的热毛细对流。

如图7a所示，将3μL的所示微流体通过微流泵注入微流室中，形成厚度大约为30μm的微流体，在功率为40mW、波长为980nm的光信号输入下，聚苯乙烯小球既产生了水平方向的循环流动，又产生了水平方向的循环流动。这表示微流体上同时产生了浮力对流与热毛细对流。如图7b所示，继续输入光信号且将光信号功率提升至80mW，聚苯乙烯小球产生更大范围的循环流动，且流动速度增大，这表示微流体上产生了强度更大、范围更大的热毛细对流。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。