本發(fā)明屬于材料操控領域，具體涉及一種基于光流漩渦陣列的實現(xiàn)對微納米材料、生物細胞及其分子等的分布式捕獲、靶向操控、自身旋轉、自動組裝的多功能控制平臺及控制方法。

背景技術：

在微流控系統(tǒng)中，實現(xiàn)對流體中各種材料的捕獲、移動、排列等操控是實現(xiàn)材料合成與分析的基本手段。在微系統(tǒng)和生物醫(yī)學領域具有廣泛的應用價值。以往的操作技術主要通過原子力顯微鏡的探針實現(xiàn)接觸式操作，對于生化環(huán)境，這種直接接觸容易對樣品造成機械損傷和污染。因此利用外來的設備激發(fā)各類場來實現(xiàn)遙控操作成為材料操控的首選。然而這種方法對操控的目標的材料性質(zhì)具有很大的限制。比如利用靜電場只能捕獲帶有電荷的材料，利用靜磁場只能捕獲帶有磁性的粒子。由于激光光束具有方向性好、無污染等優(yōu)點，并且能夠在液相中工作，利用光場已經(jīng)逐漸成為研發(fā)遙控操作微納米材料的理想工具。利用激光光束的線動量或者角動量可以將微粒限制在光束中心甚至驅動微粒旋轉，分別被稱為光鑷以及光學扳手。此外利用激光激發(fā)具有激發(fā)表面等離子體增強效應的各類金屬納米結構也可實現(xiàn)對流體及流體中粒子的操作，被稱為等離子體光鑷。

目前利用激光的方法已經(jīng)實現(xiàn)了多樣的控制功能，包括捕獲、旋轉、收集等。但這種方法對材料的折射率、形狀有很大限制，例如，對于規(guī)則球體的聚合物材料準確率較高，而對于金屬材料以及不規(guī)則材料的操控失誤率較高。此外需要克服流體的粘滯阻力，以及激光聚焦衍射極限的存在等因素，使得激光光源需要較大功率。此外采用一束激光進行激發(fā)，只能控制位于激光光斑內(nèi)的材料，作用范圍有限，若想同時捕獲多個區(qū)域的材料，需要使用多束激光，這也意味著需要更多的實驗設備與操作來完成。因此目前的激光光鑷技術難以實現(xiàn)材料的分布式捕獲。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術的缺點與不足，本發(fā)明的目的在于以光流漩渦陣列為基礎，提出一種材料分布式控制平臺，該平臺通過激發(fā)微流體表面上的光熱熱源產(chǎn)生馬蘭格尼對流，利用該對流的特性實現(xiàn)材料分布式控制。

本發(fā)明基于光流漩渦陣列的材料分布式控制方法具體包括4種：捕獲、操控、旋轉、組裝，通過在微流體上激發(fā)光流漩渦陣列實現(xiàn)微納米材料的分布式捕獲，通過激發(fā)功率或者調(diào)控激發(fā)源的位置實現(xiàn)對捕獲材料的靶向操控，通過漩渦的旋轉流向實現(xiàn)對捕獲材料的旋轉操控，通過漩渦的旋轉實現(xiàn)對多種捕獲材料的自動組裝。

本發(fā)明的目的通過下述技術方案實現(xiàn)：基于光流漩渦陣列的材料分布式控制平臺，包括光熱熱源、微流控芯片、微流體、普通光纖、光源以及微調(diào)整架，微流體放置在微流控芯片中，所述光熱熱源由光熱轉換材料與微納波導組裝而成，光熱轉換材料包覆在微納波導上，光熱熱源放置在微流體上，微納波導一端與普通光纖連接；所述普通光纖放置在所述微調(diào)整架上，另一端通過端口與光源連接。

優(yōu)選的，所述材料分布式控制平臺還包括顯微鏡系統(tǒng)，微流控芯片放置在所述顯微鏡系統(tǒng)的載物臺上。

更進一步的，所述的顯微鏡系統(tǒng)優(yōu)先選用配有CCD成像系統(tǒng)的顯微鏡，用于觀察并記錄實驗現(xiàn)象。

優(yōu)選的，所述普通光纖優(yōu)先采用單模石英光纖。

更進一步的，所述的微納波導采用火焰熔融拉伸法拉制普通光纖制得，直徑優(yōu)選為0.2～5μm，長度優(yōu)選為100～500μm。

更進一步的，所述的光熱轉換材料可以使用本領域公知的具有良好的光熱轉換性能以及導熱性能的納米材料，為氧化石墨烯、納米金膠體或者納米銀膠體，優(yōu)選為氧化石墨烯。

所述的光熱熱源總共有兩種制作方法，制作方法一為光致沉積法，包括如下步驟：

(1)將所述光熱轉換材料分散于DMF中形成分散液；

(2)將所述微納波導浸沒在微流體中；

(3)利用所屬光纖激光器向微納波導輸入光能量；

(4)光熱轉換材料受微納波導上倏逝場的作用沉積在微納波導表面，形成線性熱源。

所述的光熱熱源總共有兩種制作方法，制作方法二為液滴涂覆法，包括如下步驟：

(1)將所述光熱轉換材料分散于乙醇中形成微流體；

(2)將形成的微流體直接滴在微納波導上形成橢球狀液滴；

(3)隨著酒精的蒸發(fā)，液滴將逐漸萎縮，最后在所述光熱轉換材料自動涂覆在波導表面。

所述光源為功率可調(diào)諧光源。

所述光源與所述普通光纖的端口相互連接。

所述的微流控芯片用于盛放微流體。可以使用本領域公知的微流控通道，微流室。

所述的微流體可以使用本領域中公知的任何牛頓型流體，優(yōu)選為DMF等。

所述的光熱熱源優(yōu)先放置在微流體表面。

在采用上述控制平臺進行操控時，有三種類型的材料，一種是微納米球，可以使用本領域中公知的任何材質(zhì)任何形狀的微球，比如聚合物微納米球、二氧化硅微納米球、金屬微納米球。第二種是納米線，可以使用本領域中公知的任何材質(zhì)任何形狀的納米線，比如金納米線，硅納米線，碳納米管。第三種是生物細胞和生物分子。

所述的基于光流渦旋陣列的材料分布式控制方法的機理是：本發(fā)明利用光熱轉換材料對微納波導上的傳輸光場的限制并產(chǎn)生光熱轉換，形成線型的光熱熱源，所轉換而成的熱量將在整個微流體中產(chǎn)生溫度梯度，進而造成了微流體表面上的表面張力變化，最終產(chǎn)生馬蘭格尼對流。其由四個漩渦組成，每個漩渦均按照一定方向旋轉，且在最中心處速度最小。每個漩渦的中心可以提供一個穩(wěn)定的勢壘用于捕獲材料。一旦材料被捕獲至漩渦中心，漩渦的旋轉流向可提供扭矩驅動材料旋轉(順時針或者逆時針)。若光熱熱源隨著微調(diào)整架移動，漩渦可在芯片中跟著移動，可以操控目標隨著漩渦而在流體中定向移動。在漩渦對微粒的捕獲與旋轉的基礎上，可以將原先就散布在微流體中的互不接觸的多種微粒通過吸引捕獲在同一個漩渦中，各種材料在漩渦中的旋轉將促進材料之間的相互作用，從而誘導材料實現(xiàn)自動組裝。

一種基于光流漩渦陣列的材料分布式控制方法，在進行控制前，進行如下初始化步驟：

(1)將操控目標如微球，納米線分散于DMF(二甲基甲酰胺)中，形成微流體；

(2)將所述微流體引入所述微流控芯片中；

(3)將所述光熱熱源置于微流體的表面；

(4)通過所述光源向微納波導輸入光能量。

完成上述初始化后，進行以下4種方式(光流捕獲技術、光流操控技術、光流旋轉技術、光流組裝技術)的控制。

所述的光流捕獲技術的實施方式為：在所述光源的激發(fā)下，所述光熱熱源附近的材料會被自動吸引至漩渦中心。

所述的光流操控技術的實施方式有兩種。實施方式一為：在光源的輸出功率的調(diào)控下，漩渦的尺寸產(chǎn)生變化，漩渦的中心產(chǎn)生移動，所述被捕獲的材料會隨之移動。功率增大時，材料遠離光熱熱源。功率降低時，材料靠近光熱熱源。

所述的光流操控技術的實施方式有兩種。實施方式二為：在所述微調(diào)整架的調(diào)控下，漩渦的產(chǎn)生位置產(chǎn)生變化，漩渦的中心產(chǎn)生移動，所述被捕獲的材料會隨之移動。

所述的光流旋轉技術的實施方式為：在所述光源的激發(fā)下，所述光熱熱源附近的材料會被自動吸引至漩渦中心之后旋轉，不同漩渦中的旋轉方向不同。四個漩渦中，兩個操控材料的順時針旋轉，另外兩個操控材料的逆時針旋轉。

所述的光流組裝技術的實施方式為：在所述微調(diào)整架的調(diào)控下，有序捕獲多種材料并吸引至漩渦中心之后旋轉，最后組裝成一個整體。

所述的捕獲的材料為微納米球，或者微納米線，或者生物細胞及生物分子。本領域中公知的任何形狀的材料也可捕獲。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點和有益效果：

1、本發(fā)明材料分布式控制平臺既可以作為獨立的裝置，又可以作為一個模塊并入到本領域公認的任何適當?shù)奈⒘骺叵到y(tǒng)中。在某些實施方式中，可以形成具有多種功能的芯片上的一個普適元件，適合推廣。

2、本發(fā)明對材料的折射率、形狀不做限制，應用場合廣泛。

3、本發(fā)明基于光流漩渦陣列，只需要一束激光就能夠同時捕獲多個區(qū)域的材料，實現(xiàn)材料的分布式捕獲，具有成本低、系統(tǒng)架構簡單的優(yōu)點。

4、本發(fā)明利用微調(diào)整架可以同時實現(xiàn)光流操控和組裝。

附圖說明

圖1是基于光流漩渦陣列的材料分布式捕獲與多功能操控技術平臺的裝置示意圖。

圖2是基于光流漩渦陣列的材料分布式捕獲與多功能操控技術平臺的實施方式的圖示。

圖3a是基于光流漩渦陣列的光流捕獲技術的實施方式的圖示。圖3b-d是顯微照片，所述的顯微照片示出在25mW輸入功率下，漩渦1與漩渦3分布捕獲兩顆聚苯乙烯微球。

圖4a是基于光流漩渦陣列的光流操控技術的實施方式的圖示。圖4b-d是顯微照片，所述的顯微照片示出漩渦2與漩渦4分布捕獲兩顆聚苯乙烯微球并通過光輸入功率(10、15、以及20mW)操控聚苯乙烯微球。

圖5(a)是基于光流漩渦陣列的光流操控技術的實施方式的圖示。圖5(b)、(c)、(d)是顯微照片，所述的顯微照片示出四個漩渦分布捕獲四顆聚苯乙烯微球并通過移動光熱熱源操控聚苯乙烯微球。

圖6a是基于光流漩渦陣列的光流旋轉技術的實施方式的圖示。圖6b-c是顯微照片，所述的顯微照片示出單根納米線在漩渦中心旋轉。

圖7a是基于光流漩渦陣列的光流組裝技術的實施方式的圖示。圖7b-d是顯微照片，所述的顯微照片示出在40mW輸入功率下三顆聚苯乙烯微球在漩渦中心組裝成鏈狀或者三角狀的微粒簇，三根納米線在漩渦中心組裝成“*”字形狀的結構。兩顆聚苯乙烯微球與一根納米線在漩渦中心組裝成啞鈴狀的結構。

具體實施方式

本發(fā)明采用控制微流控芯片中的漩渦流動對微納米材料進行捕獲與操控。通過激發(fā)微流體表面上的微納波導產(chǎn)生馬蘭格尼對流，其由四個漩渦組成，每個漩渦均按照一定方向旋轉，且在最中心處速度最小。每個漩渦的中心可以提供一個穩(wěn)定的勢壘用于捕獲材料。一旦材料被捕獲至漩渦中心，漩渦的旋轉流向可提供扭矩驅動材料旋轉(順時針或者逆時針)。漩渦陣列可在芯片中隨著微納波導的移動而移動，進而可以操控目標在微流體中定向移動。在漩渦對微粒的捕獲與旋轉的基礎上，可以將原先就散布在微流體中的互不接觸的多種微粒通過吸引捕獲在同一個漩渦中，各種材料在渦旋中的旋轉將促進材料之間的相互作用，從而誘導材料實現(xiàn)自動組裝。

圖1是示出了本發(fā)明基于光流漩渦陣列的材料分布式控制平臺的一種實例結構。其中：微流控芯片1、微流體2、微納波導3、氧化石墨烯4、微調(diào)整架5、普通光纖6、摻鉺激光放大器7、寬帶光源8、顯微鏡9、電腦10。配有CCD成像系統(tǒng)的顯微鏡用于觀察并記錄實驗現(xiàn)象。在顯微鏡的載物臺上放有微流控芯片，里面盛放了微流體。微納波導上的光纖固定在一個精密的三維微調(diào)整架上，可實現(xiàn)精密的三維空間調(diào)節(jié)。將寬帶光源(工作波段：1525～1565nm，功率10mW)連接到摻鉺光纖放大器(放大波段：1525～1565nm，放大功率范圍10-100mW)上，從而得到波長在1525～1565nm、可調(diào)諧功率為10～100mW的激發(fā)光源。光纖端口與摻鉺光纖放大器的輸出端口連接。

圖2是光流漩渦陣列的實施方式的圖示。所述的微流控芯片主要由一個微流室構成，微流室中裝有微流體。采用火焰熔融拉伸法拉制普通光纖制得微納波導(長為0.2mm，直徑為2.0μm)，在微納波導上附上氧化石墨烯組成光熱熱源，將光熱熱源放置在微流體表面中。在氧化石墨烯較強的光限制與光吸收作用下，氧化石墨烯激發(fā)出高溫，并將溫度在微流體表面擴散。微流體表面的溫度分布誘導產(chǎn)生了馬蘭格尼對流。如圖2可以看出，馬蘭格尼對流由四個等效的漩渦組成，以此標記為漩渦1～4。每個漩渦在漩渦中心處流速最小，且按照一定方向旋轉。例如，漩渦1與3為順時針流動方向，漩渦2與4為逆時針流動方向。

下面結合實施案例及附圖對本發(fā)明的實施方式，物理機制以及操作過程分別作進一步詳細的描述。但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例1

該實施方式示出了基于光流渦旋陣列的分布式光流捕獲技術。如圖3a所示，在漩渦附近的微納米材料會受到兩種力的作用，第一種力是粘性力，其方向沿著漩渦流向，第二種力是升力，其方向垂直于漩渦流向并指向漩渦中心。在粘性力與升力的作用下，微納米材料會以螺旋的軌跡進入漩渦中心。因此，漩渦中心可以作為一個穩(wěn)定點用于捕獲材料。馬格蘭尼對流可以提供四個漩渦中心，這意味著可以提供四個捕獲位置，從而實現(xiàn)了基于光流漩渦陣列的分布式捕獲技術。圖3b-d所示的是漩渦1與漩渦3分別捕獲兩顆聚苯乙烯微球的整體過程。在t＝0s時，光源還未啟動，兩顆聚苯乙烯微球自由懸浮在光熱熱源附近，直徑分別為2μm與4μm。在t＝1s時，光源開始啟動，在25mW輸入功率下，兩顆聚苯乙烯微球開始分別螺旋進入漩渦并停在漩渦中心。經(jīng)測量每顆聚苯乙烯微球與光熱熱源的垂直距離均約為10μm。在t＝5s時光源持續(xù)啟動時，聚苯乙烯微球持續(xù)限制在漩渦中心無法逃逸，且與光熱熱源的垂直距離保持不變。

實施例2

該實施方式示出了通過調(diào)諧光源功率的光流操控技術。如圖4a所示，隨著光輸入功率的增大，微流體表面的光熱熱源吸收更多的光能，釋放更多的熱能，溫度也隨之增加。在此過程中，微流體將熱能擴散到更遠處，從而使得產(chǎn)生的馬蘭格尼對流范圍更大，速度更快。對流范圍的增大影響了漩渦中心的移動，最終引導捕獲材料遠離光熱熱源。反之，功率的降低也可引導捕獲材料靠近光熱熱源。圖4b-d所示的是通過調(diào)諧光源功率實現(xiàn)光流操控的實驗過程。在10mW輸入功率下，兩顆聚苯乙烯微球分別被漩渦2與漩渦4捕獲并停在漩渦中心，其直徑均為1μm。經(jīng)測量每顆聚苯乙烯微球與光熱熱源的垂直距離均約為4μm。當輸入功率增加至15mW時，垂直距離增大至6μm。當輸入功率增加至20mW時，垂直距離增大至8μm。可以看出，每顆聚苯乙烯微球與光熱熱源的垂直距離與輸入功率成線性增長關系。

實施例3

該實施方式示出了通過調(diào)諧光熱熱源位置的光流操控技術。如圖5(a)所示，在微調(diào)整架的操控下，光熱熱源在微流體表面從舊位置移動到新位置，舊位置由于光熱熱源的消失導致了馬蘭格尼對流的消失，而新位置由于光熱熱源的出現(xiàn)引導了馬蘭格尼對流的出現(xiàn)。在此過程中，漩渦中心也從舊位置移動到新位置，最終引導捕獲材料從舊位置移動到新位置。圖5(b)-(d)所示的是通過調(diào)諧光熱熱源位置實現(xiàn)光流操控的實驗過程。t＝0s時，在10mW輸入功率下，四顆聚苯乙烯微球分別被漩渦1-4捕獲并停在漩渦中心，其直徑均為5μm。此后通過微調(diào)整架移動光熱熱源，t＝5s時，光熱熱源水平移動了6μm，垂直移動了3μm，t＝10s時，光熱熱源水平進一步移動了8μm，垂直移動了5μm，可以看出被捕獲的聚苯乙烯微球也隨著光熱熱源的移動而移動。

實施例4

該實施方式示出了基于光流渦旋陣列的光流旋轉技術。與實施例1對比，當微納米材料被捕獲到漩渦中心之后，所受的升力由于軸對稱性相互抵消，此時粘性力為顯性作用，漩渦的旋轉流向可提供扭矩驅動材料微納米材料旋轉。微納米材料的旋轉方向與漩渦的旋轉流向相一致。如圖6a所示，當微納米材料被捕獲到漩渦1與3中時，其旋轉方向為順時針，當微納米材料被捕獲到漩渦2與4中時，其旋轉方向為逆時針漩渦。圖6b-d所示的是利用漩渦旋轉單根金屬納米線的詳細過程，其長度為20μm，直徑為1μm?？梢园l(fā)現(xiàn)，納米線在激光啟動后被捕獲進在渦旋中心并不斷自旋，且旋轉模式可隨著輸入功率的變化而變化，在輸入功率為10mW時，漩渦范圍較小，被捕獲的納米線可圍繞其中點旋轉。當輸入功率增大為20mW時，漩渦范圍增大，被捕獲的納米線可圍繞其頂端旋轉。

實施例5

該實施方式示出了基于光流渦旋陣列的光流組裝技術，旨在實現(xiàn)流體中各種材料的自行組裝，合成制備出新型的材料。如圖7a所示，該實施方式旨在通過外界環(huán)境的變化或者組分之間的相互作用誘導本就分離的組分自動有序地結合成一個新型的整體。在漩渦對微納米的捕獲與旋轉的基礎上，可以將原先就散布在流體中的互不接觸的多種微粒通過吸引捕獲在同一個漩渦中，各種材料在漩渦中的旋轉將促進材料之間的相互作用，從而誘導材料實現(xiàn)自動組裝。圖7b所示的是利用漩渦將三個聚苯乙烯微球組裝成微粒簇的詳細過程。在40mW輸入功率下，一個漩渦依次有序地捕獲三個聚苯乙烯微球，其直徑分別為1μm、2.5μm與4μm，并誘導微球在不同軌道中以同個角頻率進行旋轉，此后由于漩渦中心的吸引作用，微球依次疊加，相互連接，形成鏈狀的微粒簇。在漩渦的持續(xù)旋轉作用下，微球繼續(xù)向穩(wěn)定的狀態(tài)組裝，最終形成三角狀的微粒簇。圖7c所示的是利用漩渦將三根金屬納米線組裝成納米線結構的詳細過程。在40mW輸入功率下，一個漩渦依次有序地捕獲三根金屬納米線到漩渦中心，其長度均為8μm，直徑為0.5μm。納米線依次疊加，并在漩渦的持續(xù)旋轉作用下向穩(wěn)定的狀態(tài)組裝，最終“*”字形狀的納米線結構。圖7d所示的是利用漩渦將一根金屬納米線(其長度為8μm，直徑為1μm)與兩顆聚苯乙烯微球(直徑均為3μm)組裝成納米線結構的詳細過程。在40mW輸入功率下，一個漩渦先捕獲兩顆聚苯乙烯微球使其圍繞漩渦中心旋轉，之后捕獲一根金屬納米線使其圍繞納米線中心旋轉，在漩渦的持續(xù)旋轉作用下三者向穩(wěn)定的狀態(tài)組裝，最終兩顆聚苯乙烯微球分別與金屬納米線的兩端相互連接，形成啞鈴狀的復雜結構。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。