[发明专利]基于光流漩涡阵列的材料分布式控制平台及控制方法

说明书

本发明公开了一种基于光流漩涡阵列的材料分布式控制平台及控制方法，通过激发微流体表面上的光热热源产生马兰格尼对流，其由四个漩涡组成，每个漩涡均按照一定方向旋转，且在中心处速度最小。每个漩涡的中心可以提供一个稳定的势垒用于捕获材料。一旦材料被捕获至漩涡中心，漩涡的旋转流向可提供扭矩驱动材料旋转(顺时针或者逆时针均可)。漩涡阵列可在芯片中随着微纳波导的移动而移动，进而可以操控目标在微流体中定向移动。在漩涡对微粒的捕获与旋转的基础上，可以将原先就散布在微流体中的互不接触的多种微粒、生物细胞等通过吸引捕获在同一个漩涡中，各种材料在涡旋中的旋转将促进材料之间的相互作用，从而诱导材料实现自动组装等功能。

技术领域

本发明属于材料操控领域，具体涉及一种基于光流漩涡阵列的实现对微纳米材料、生物细胞及其分子等的分布式捕获、靶向操控、自身旋转、自动组装的多功能控制平台及控制方法。

背景技术

在微流控系统中，实现对流体中各种材料的捕获、移动、排列等操控是实现材料合成与分析的基本手段。在微系统和生物医学领域具有广泛的应用价值。以往的操作技术主要通过原子力显微镜的探针实现接触式操作，对于生化环境，这种直接接触容易对样品造成机械损伤和污染。因此利用外来的设备激发各类场来实现遥控操作成为材料操控的首选。然而这种方法对操控的目标的材料性质具有很大的限制。比如利用静电场只能捕获带有电荷的材料，利用静磁场只能捕获带有磁性的粒子。由于激光光束具有方向性好、无污染等优点，并且能够在液相中工作，利用光场已经逐渐成为研发遥控操作微纳米材料的理想工具。利用激光光束的线动量或者角动量可以将微粒限制在光束中心甚至驱动微粒旋转，分别被称为光镊以及光学扳手。此外利用激光激发具有激发表面等离子体增强效应的各类金属纳米结构也可实现对流体及流体中粒子的操作，被称为等离子体光镊。

目前利用激光的方法已经实现了多样的控制功能，包括捕获、旋转、收集等。但这种方法对材料的折射率、形状有很大限制，例如，对于规则球体的聚合物材料准确率较高，而对于金属材料以及不规则材料的操控失误率较高。此外需要克服流体的粘滞阻力，以及激光聚焦衍射极限的存在等因素，使得激光光源需要较大功率。此外采用一束激光进行激发，只能控制位于激光光斑内的材料，作用范围有限，若想同时捕获多个区域的材料，需要使用多束激光，这也意味着需要更多的实验设备与操作来完成。因此目前的激光光镊技术难以实现材料的分布式捕获。

发明内容

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的目的在于以光流漩涡阵列为基础，提出一种材料分布式控制平台，该平台通过激发微流体表面上的光热热源产生马兰格尼对流，利用该对流的特性实现材料分布式控制。

本发明基于光流漩涡阵列的材料分布式控制方法具体包括4种：捕获、操控、旋转、组装，通过在微流体上激发光流漩涡阵列实现微纳米材料的分布式捕获，通过激发功率或者调控激发源的位置实现对捕获材料的靶向操控，通过漩涡的旋转流向实现对捕获材料的旋转操控，通过漩涡的旋转实现对多种捕获材料的自动组装。

本发明的目的通过下述技术方案实现：基于光流漩涡阵列的材料分布式控制平台，包括光热热源、微流控芯片、微流体、普通光纤、光源以及微调整架，微流体放置在微流控芯片中，所述光热热源由光热转换材料与微纳波导组装而成，光热转换材料包覆在微纳波导上，光热热源放置在微流体上，微纳波导一端与普通光纤连接；所述普通光纤放置在所述微调整架上，另一端通过端口与光源连接。

优选的，所述材料分布式控制平台还包括显微镜系统，微流控芯片放置在所述显微镜系统的载物台上。

更进一步的，所述的显微镜系统优先选用配有CCD成像系统的显微镜，用于观察并记录实验现象。

优选的，所述普通光纤优先采用单模石英光纤。

更进一步的，所述的微纳波导采用火焰熔融拉伸法拉制普通光纤制得，直径优选为0.2～5μm，长度优选为100～500μm。