[发明专利]一种利用空泡输运颗粒的装置与方法

说明书

本发明公开了一种利用激光诱导空泡进行颗粒传输的装置与方法，激光束经过透镜组聚焦于锥形通道出口端的中心位置处，击穿液体形成等离子体，等离子体继续膨胀形成空泡，利用空泡膨胀和溃灭过程中产生的流体推进速度和推进力驱动流体流动，在锥形管道中实现类似“泵吸”作用，带动右侧水槽中颗粒悬浮液向左侧水槽流动，完成颗粒的输运过程。同时通过调节激光能量和工作频率可以达到控制颗粒输运效率的目的。本发明是一种全新的颗粒输运方法，尤其适用于微/纳米尺度颗粒的定向输运，可以广泛应用于微生物医学、MEMS、微流控系统等领域。

技术领域

本发明属于颗粒输运技术，具体涉及一种利用激光诱导空泡对颗粒进行输运的装置与方法。本发明还涉及微流控领域。

背景技术

微/纳米颗粒的定向输运在微电子机械系统以及生物医学领域有着重要的应用前景。在微纳米机械系统领域，对不同类型的微/纳米颗粒进行操控一直是一个复杂的科学技术问题，需要有新的驱动机理来促进微/纳米操控技术的进步。

在现有技术中，机械输运颗粒的方法主要通过正弦泵，但正弦泵普遍体积较大，适用于大尺度颗粒输运，而体积小的正弦泵造价又相当昂贵；藉勇亮通过将药物装载到高磁响应的磁性纳米颗粒上，再通过外加磁场引导药物到达指定部位，但靶向磁体系统的设计，外磁场的性质，目标靶向部位的性质等依旧是一个难点；黄燃采用基于螺线管的电磁垂直输运方案将经过质子束辐照后下落的散裂靶颗粒球再次输运至初始高度，但存在螺线管散热、径轴向颗粒流聚散焦效应和互感损耗等。申请号为00129043.6一种用于微粒操控与微粒导向的装置及其使用方法，给出了一种作为微粒开关，提供在电极组中的电极上施加不同相位的电信号，使分支中的微粒受到行波介电电泳力的作用沿着各自的分支运动，可以输运或是重新定向悬液中的微粒，但微粒操纵装置至少包含三个电极组，结构和控制较复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的利用激光诱导空泡进行微颗粒输运的装置及方法，该微颗粒输运设备整体结构简单、制造成本低且容易实现，进而期望可以运用于医药行业，对药物在血管里进行定向输运提供一种新思路。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种利用空泡输运颗粒的装置，包括第一水槽和第二水槽，所述第一水槽和第二水槽之间通过竖直挡板进行隔断，所述竖直挡板上开有通孔，所述通孔用来连通所述第一水槽和第二水槽；所述第一水槽内装有微颗粒悬浮液，所述第二水槽内装有工作液，所述工作液的上方设有激光束和透镜组，所述第二水槽的工作液中浸入锥形通道，激光束在工作液中的聚焦点位于所锥形通道的出口处，所述锥形通道的入口处正对所述竖直挡板上的通孔。

上述方案中，所述锥形通道的入口直径为毫米量级，且大于微颗粒的直径，所述锥形通道出口端直径与入口端直径比为2~5。

上述方案中，所述锥形通道与所述竖直挡板一体成型，且锥形通道的入口直径与竖直挡板上的通孔孔径相同。

上述方案中，所述微颗粒悬浮液中的颗粒粒径为微/纳米量级，工作液为蒸馏水、甘油、酒精中的任意一种。

本发明还提供一种利用空泡输运颗粒的方法，包括以下步骤：S1：将锥形通道和竖直挡板安装于大水槽中，从而将大水槽分割为第一水槽和第二水槽；S2：先用一小挡片挡住竖直挡板的通孔孔口，将工作液先缓缓倒入第二水槽中，到达一定液面高度后再将微颗粒悬浮液倒入第一水槽中，控制两侧液面高度齐平，且略低于竖直挡板的高度，再撤去小挡片；S3：通过透镜组来调节激光束在第二水槽中的聚焦点位置，使得聚焦点位于锥形通道出口孔中心位置；S4：利用空泡膨胀和溃灭过程中产生的流体推进速度和推进力驱动流体流动，在锥形通道中实现了流体的“泵吸”作用，带动第一水槽（中颗粒悬浮液通过数值挡板上的通孔向第二水槽流动，完成颗粒的输运过程；S5：通过改变激光能量和工作频率大小控制空泡大小和空泡产生速率，达到调节微颗粒输运速率。