基于光热效应的样品微球水平滚动控制方法和系统

技术领域

本发明涉及微纳材料驱动技术领域，特别涉及一种基于光热效应的样品微球水平滚动控制方法和系统。

背景技术

在液体中实现微米和纳米级物体的可控运动对生命科学，表面科学，微流控和微机电等领域有重要的研究意义。目前有文献报道的对微纳米结构微粒的驱动方法包括声波，磁场，电场，光催化，化学反应，光镊和光热等；所采用微球在尺度上大都小于数个微米，以纳米级微粒居多；微球的结构形状有火箭型，球型和表面非对称型等。采用光驱动，特别是激光光热效应所引发的热渗流，进而使得粒子产生“自热泳”的驱动方式，具有以下特点，例如，1)激光通过显微技术容易实现微米级的远程控制，甚至是纳米级的能量聚焦；2)驱动粒子含有的光热材料和所处的溶液一般不发生化学反应，是一种“免燃料”的驱动方式，可避免对生物样品的“二次污染”，且光热引起的温度梯度和热渗流可在绝大多数溶液中产生；3)相比基于光子动量转移的光镊调控技术，光热驱动对光能的转化效率更高，且同等的光功率作用下光热驱动比光镊的驱动力更大，可达到纳米牛顿量级，实现对数十微米的微粒的驱动。

已有报道的纯光热驱动微球技术，驱动的微球大小一般也在几个微米以下，且大都是非聚焦的光照，一般还利用了两面型不对称结构在微球周围产生温度梯度，运动速度虽然可达数百个微米每秒，但运动方向难以控制，且微球体积越小受布朗运动的影响越显著。此外，还有利用聚焦点光源激发含有光热材料的微球，使其产生自热泳。何强课题组(Superfast Near-Infrared Light-Driven Polymer Multilayer Rockets,Small 2016,12,577–582)制备的一种长约10μm火箭型微球，以逐层组装+模板辅助合成的苯乙烯磺酸/多环芳烃复合层(总计20层)的中空管为基础框架，在管道内壁组装由聚(二烯丙基二甲基氯化铵)稳定化的纳米铂作为催化层，外壁则生长金纳米层，激光点光源作用于该微球的瞬间，光热产生的热量可令微粒内壁的催化材料加速分解周围溶液中的过氧化氢(0.1％)，所产生的氧气气泡最终足以推动整个微粒朝着背离点光源的方向运动一段距离；上述火箭型微球的结构复杂，且并非单纯依赖光热泳驱动。Utsab Khadka等人(Active particlesbound by information flows,Nat.Commun.2018,9:3864)亦采用激光聚焦光源作用于金纳米粒子稀疏包裹的2.13μm的三聚氰胺树脂颗粒的一侧，产生温度梯度形成热泳，并利用波分复用和算法诱导多个同类粒子有规律的群体悬浮运动，由于颗粒较小，布朗运动的干扰也较明显，因而运动速度受限。相比之下，尺寸在几十微米量级微球的可控驱动却鲜有报道，Ido Frenkel等人(Light generated bubble for microparticle propulsion,Scientific Reports 2017,7:2814)则采用40-60μm的中空玻璃微球，其微球表面包覆一层厚度为200nm的金属银，将上百毫瓦的激光(405nm)聚焦到粒子的一侧，局部高温促使气泡在数十个微秒内经历产生、增大、消失的过程，在气泡逐渐溶解的同时最终将微粒弹射出去，速度变化极快(可达1m/s)，因此运动变化过程要借助高速相机拍摄观察，该方法的驱动方式属于单点快速触发，因此不易对微球进行连续的方向控制。

所以现在需要一种更可靠的方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于光热效应的样品微球水平滚动控制方法和系统。本发明主要采用尺寸为几十至几百微米量级的微球作为控制对象，通过物镜聚焦作用照射微球一侧边缘，引发微球表面纳米材料层的光热效应，从而驱动粒子在液体中的底部基板上水平滚动；本发明可对微球进行连续的方向控制，受布朗运动的干扰小，控制简单。

为实现上述目的和本发明的其他优点，本发明采用的技术方案是：一种基于光热效应的样品微球水平滚动控制系统，包括：光学显微成像模块、控制模块、激光光源、样品平台以及样品微球；

所述样品微球包括球核以及包覆在所述球核表面的光热材料层，所述样品微球通过容器置于所述样品平台上，所述激光光源发出激光光斑，所述光学显微成像模块用于对所述样品微球进行成像；

所述控制模块用于控制实现激光光源和样品微球之间进行相对运动，以使所述激光光源发出的激光光斑可聚焦在所述样品微球边缘，从而使得所述样品微球因光热效应而朝远离激光光斑的方向滚动。

优选的是，所述光学显微成像模块包括成像光源、沿所述成像光源发出的成像光的出射方向依次设置的聚光镜、显微物镜、半反半透镜、目镜以及CCD相机，所述样品平台设置在所述聚光镜和显微物镜之间。

优选的是，所述激光光源包括激光器以及设置在所述激光器的出光口上的准直器。

优选的是，所述激光器发出的激光经过所述准直器后被所述半反半透镜反射，再经所述显微物镜后照射到所述样品平台上的样品微球边缘；

所述成像光源发出的成像光经过所述聚光镜后照射到所述样品平台上的样品微球边缘，所述样品微球反射的光经所述显微物镜收集后再透射所述半反半透镜，再经过所述目镜后到达所述CCD相机。

优选的是，所述准直器为可调光纤准直器，经过所述可调光纤准直器后的准直光束直径大于所述显微物镜的入瞳直径。

优选的是，所述球核的材料为在所述激光器发出的激光的中心波段无光热效应的非金属材料，且密度大于水；

所述样品微球的直径为10～500μm，所述光热材料层的厚度为50～500nm。

优选的是，所述球核的材料为聚苯乙烯、二氧化硅或其他聚合物，所述光热材料层的材料为金或银或其他具有光热转换效应的有机聚合物。

优选的是，所述样品平台具有X、Y两个方向的自由度，其可在所述控制模块的控制下进行X、Y方向的水平移动，以使所述激光光源出射的激光光斑可聚焦到所述样品平台上的样品微球边缘。

优选的是，该系统还包括可调节所述激光光源出射的激光光斑的聚焦位置的空间光调制机构或反射机构，所述空间光调制机构或反射机构可在所述控制模块的控制下调节所述激光光源出射的激光光斑的位置，以使激光光斑聚焦在样品平台上的样品微球边缘附近。

本发明还提供一种基于光热效应的样品微球水平滚动控制系统的控制方法，包括以下步骤：

1)将所述CCD相机和二维样品台分别与所述控制模块连接，将样品微球放入盛有液体的容器中，将容器置于所述二维样品台上，开启所述成像光源，通过所述控制模块控制所述二维样品台进行水平移动，同时调节所述显微物镜与样品微球的距离，使得样品微球清晰成像于所述CCD相机的视野中央；

2)开启所述激光器，通过所述控制模块控制所述二维样品台进行水平移动以调节样品微球的位置，使得视野中的激光光斑位置相对靠近样品微球边缘，同时调节所述可调光纤准直器，缩小激光光斑；

3)控制二维样品台进行水平移动使得样品微球继续靠近激光光斑，并使得激光光斑聚焦在样品微球边缘而使样品微球因光热效应而移动，通过控制二维样品台继续移动，使激光光斑追上移动的样品微球，从而使得样品微球持续进行移动。

本发明的有益效果是：

本发明的基于光热效应的样品微球水平滚动控制方法及系统提供了一种简便可行的微球运动控制方案，整个控制系统的搭建简便、成本低廉，本发明单纯依靠光热驱动实现微球的运动，微球直径可达10～500μm，受布朗运动的干扰小，且可对微球进行连续的方向控制，控制简单，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的基于光热效应的样品微球水平滚动控制系统的结构示意图；

图2为本发明的实施例1中的样品微球的电子显微镜图片；

图3为本发明的实施例1中的样品微球在激光激发下表面温度分布仿真图(左)和流场分布仿真图(右)；

图4为本发明的实施例1中光热驱动样品微球滚动的仿真效果；

图5为本发明的实施例1中40×显微物镜下光热驱动样品微球水平滚动的实验结果。

附图标记说明：

1—成像光源；2—毛玻璃；3—聚光镜；4—样品平台；5—显微物镜；6—半反半透镜；7—目镜；8—CCD相机；9—图像采集卡；10—计算机；11—激光器；12—准直器。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

本实施例的一种基于光热效应的样品微球水平滚动控制系统，包括：光学显微成像模块、控制模块、激光光源、样品平台4以及样品微球；

样品微球包括球核以及包覆在球核表面的光热材料层，样品微球通过容器置于样品平台4上，激光光源发出激光光斑，光学显微成像模块用于对样品微球进行成像；

控制模块用于控制实现激光光源和样品微球之间进行相对运动，以使激光光源发出的激光光斑可聚焦在样品微球边缘，从而使得样品微球因光热效应而朝远离激光光斑的方向滚动。

本发明主要采用尺寸为几十至几百微米量级的样品微球作为控制对象，通过物镜聚焦作用照射样品微球边缘一侧，引发样品微球表面纳米材料层的光热效应，从而驱动粒子在液体中的容器底板上水平滚动。

本发明的原理是：容器中盛有液体，样品微球放置于液体中，在聚焦激光光斑照射下，样品微球表面的光热材料发生光热效应，光能转换成热能，被聚焦的微球表面形成局部高温分布和温度梯度，进而形成热渗流和压强差，在水平方向的压强差和容器底部基板的摩擦力共同作用下，样品微球朝着远离激光光斑的方向滚动。然后通过控制模块控制激光光源和样品微球之间进行相对运动，以使得激光光斑再追上样品微球边缘，并再通过光热效应而使样品微球朝向目的方向移动(其中，需要理解的是，运动控制目的是实现样品微球与容器中的液体之间的相对运动)。

例如，在一种实施例中，样品平台4可在控制模块的控制进行水平移动，样品微球被激光光斑照射而移动后，通过样品平台4带动样品微球进行移动，从而使激光光斑追上并再聚焦到样品微球边缘，从而使样品微球朝向目的方向持续移动。

在另外一种实施例中，控制模块可控制使激光光斑进行移动，样品微球被激光光斑照射而移动后，通过控制激光光斑进行移动从而追上并再聚焦到样品微球边缘，最终使样品微球能朝向目的方向持续移动。

其中，局部高温分布与表面光热材料、微球尺寸、液体导热系数和激光参数有关。通过调节激光照射到微粒一侧的光斑大小或激光功率以及调整激光光斑聚焦的位点，从而可改变样品微球的移动方向。

以上为本发明的总体构思，以下在其基础上提供更为具体的实施例以对本发明做进一步说明。

实施例1

参照图1，本实施例中，控制模块为计算机10，光学显微成像模块包括成像光源1、沿成像光源1发出的成像光的出射方向依次设置的毛玻璃2、聚光镜3、显微物镜5、半反半透镜6、目镜7以及CCD相机8，CCD相机8连接至图像采集卡9，图像采集卡9连接至计算机10，样品平台4设置在聚光镜3和显微物镜5之间。激光光源包括激光器11以及设置在激光器11的出光口上的准直器12。

激光器11发出的激光经过准直器12后被半反半透镜6反射，再经显微物镜5后照射到样品平台4上的样品微球上；

成像光源1发出的成像光经过毛玻璃2、聚光镜3后照射到样品平台4上的样品微球上，样品微球反射的光经显微物镜5收集后再透射半反半透镜6，再经过目镜7后到达CCD相机8，图像采集卡9采集图像并通过计算机10进行成像并显示。

本实施例中，成像光源1选择为卤钨灯或其他卤素灯。激光器11为半导体激光器11，中心波长为红外光波段，激光功率控制在100mW～1500mW。激光器11出光口经过FC/PC端面的光纤连接到准直器12。准直器12为可调光纤准直器12，经过可调光纤准直器12后的准直光束直径大于显微物镜5的入瞳直径。显微物镜5是平场消色差物镜，放大倍率为10～60倍。

本实施例中，样品平台4具有X、Y两个方向的自由度，其可在计算机10的控制下进行X、Y方向的水平移动，以使激光光源出射的激光光斑可聚焦到样品平台4上的样品微球上。

本实施例中，球核的材料为在激光器11发出的激光的中心波段无光热效应的非金属材料，且密度大于水；样品微球的直径为10～500μm，光热材料层的厚度为50～500nm。进一步的，球核的材料为聚苯乙烯、二氧化硅，或其他聚合物、非金属材料等常见的微球材料，光热材料层的材料为金或银等贵金属，或其他具有光热转换效应的有机聚合物。

本实施例还提供一种基于光热效应的样品微球水平滚动控制系统的控制方法，包括以下步骤：

1)将CCD相机8和二维样品台分别与计算机10连接，将样品微球放入盛有液体的容器中，将容器置于二维样品台上，开启成像光源1，通过计算机10控制二维样品台进行水平移动，同时调节显微物镜5与样品微球的距离，使得样品微球清晰成像于CCD相机8的视野中央；

2)开启激光器11，通过控制模块控制二维样品台进行水平移动以调节样品微球的位置，使得视野中的激光光斑位置相对靠近样品微球边缘，同时调节可调光纤准直器12，缩小激光光斑；

3)控制二维样品台进行水平移动使得样品微球边缘继续靠近激光光斑，并使得激光光斑聚焦在样品微球边缘而使样品微球因光热效应而移动，通过控制二维样品台继续移动，使激光光斑追上移动的样品微球边缘，从而使得样品微球持续超目标方向进行移动。

本实施例中，样品微球直径为40μm，光热材料层材料为金，参照图2为该样品微球的电子显微镜图片。参照图3为该样品微球在激光激发下表面温度分布仿真图(左)和流场分布仿真图(右)；参照图4为光热驱动该样品微球滚动的仿真效果：785nm激光，激光功率1mW，作用于40μm微球一侧边缘；参照图5为40×显微物镜5下光热驱动该样品微球水平滚动的实验结果，从图中可以看出，本发明成功实现了样品微球的光热驱动。

在另一种实施例中，该系统还包括可调节激光光源出射的激光光斑的聚焦位置的空间光调制机构或反射机构，空间光调制机构或反射机构可在控制模块的控制下调节激光光源出射的激光光斑的位置，以使激光光斑聚焦在样品平台4上的样品微球边缘。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。