專利名稱:多芯光纖驅(qū)動(dòng)的微攪拌器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微攪拌器，具體地說是一種利用多光芯光纖驅(qū)動(dòng)微小粒子構(gòu)成的微攪拌器。
背景技術(shù)：
近些年來，微全分析系統(tǒng)(μ TAS)也稱為單晶片上構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)在醫(yī)學(xué)研究、生物應(yīng)用分析和化學(xué)領(lǐng)域掀起了巨大的研究浪潮。其中微攪拌器是將多種不同的微流樣本能夠最快最充分的進(jìn)行混合的至關(guān)重要的部分之一。因此設(shè)計(jì)和制備微攪拌器也變得越來越重要。一般而言，微攪拌器可分為兩類被動(dòng)型和主動(dòng)型也稱為靜止型和轉(zhuǎn)動(dòng)型。依靠分子擴(kuò)散和混亂的對(duì)流，被動(dòng)微攪拌器具有結(jié)構(gòu)簡單，不需要外部能量來驅(qū)動(dòng)攪拌，穩(wěn)定。這也是第一種被報(bào)道的微攪拌器的類型。報(bào)道的被動(dòng)微攪拌器，如Y型或T型，改進(jìn)泰斯拉結(jié)構(gòu)，蜿蜒的微通道和嵌入式障礙，目的是利用了不同的幾何形狀獲得最大的界面面積(S. H. Wong，Μ. C. L.Ward，C. W. Wharton，“Micro T-mixer as a rapid mixing micro-mixer, "Sensors and Actuators B 100(2004)359-379 ；D. S. Kim,S. W. Lee, T. H. Kwon, S. S. Lee, "A barrier embedded chaotic micro-mixer, "J. Micromechanical Micro engineering 14^004)798-805.])。與被動(dòng)攪拌器相比主動(dòng)型攪拌器具有更高的攪拌效率。主動(dòng)型攪拌器到目前為止主要分為兩種，一種是外部施加驅(qū)動(dòng)，例如，給整個(gè)攪拌器施加振動(dòng)或使攪拌器整體做周期性的翻轉(zhuǎn)等(Yaw-Jen Chang, Yeon-Pun Chang and Ching-ffei Huang. Design and Fabrication of Micro-mixer With Piezoceramic Buzzer 3rd International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering. iCBBE 2009，art. no. 5162586.)；另一種是在微流通道內(nèi)放置微轉(zhuǎn)子，利用光壓力原理驅(qū)動(dòng)微轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)從而使樣本液體得到充分的混合。由于采用光驅(qū)動(dòng)的微攪拌器裝置，轉(zhuǎn)子是在微流通道內(nèi)部進(jìn)行充分混合樣本液體，所以樣本液體混合效率高，并且驅(qū)動(dòng)裝置可以非接觸式操作，使得操作方便、靈活。
1936年，R. A. Beth在實(shí)驗(yàn)上讓一束圓偏振光通過細(xì)絲懸掛的半波片，首次利用光束中光子的角動(dòng)量實(shí)現(xiàn)了物體的旋轉(zhuǎn)。自此以來人們一直在不停的探索著實(shí)現(xiàn)光致旋轉(zhuǎn)的方法。自從1986年Askin等人在Opt. Lett. 11，沘8-290上發(fā)表文章“Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles 提出了 ”光攝，， 實(shí)現(xiàn)了對(duì)粒子的三維空間控制，同時(shí)也促進(jìn)了光致旋轉(zhuǎn)的發(fā)展。到目前為止實(shí)現(xiàn)光驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)主要采用如下幾種方式第一種方式是利用自旋角動(dòng)量實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，如文獻(xiàn)(Sugiura T， Kawata SiMinami S. Optical rotation of small particles by a circularly-polarized laser beam in an optical microscope. J Spectrosc Soc Jpnl990，39 :342)中提到利用圓偏振光激光束作用到雙折射材料；第二種方式是利用軌道角動(dòng)量實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，如文獻(xiàn)(Sato S，Ishigure Μ,Inaba H. Optical trapping and manipulation of microscopic particles and biological cells using higher-order mode Nd:YAG laser beams. Electron. Lett., 1991,27 :1831-1832)中提到的一種非均勻強(qiáng)度的高階模式激光束照射；第三種方式是利用光的線性動(dòng)量實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)制作具有特定外形結(jié)構(gòu)的微型器件，利用器件對(duì)光束的反射、折射、吸收等相互作用來實(shí)現(xiàn)器件的旋轉(zhuǎn)(祝安定，劉宇翔，郭銳，等.一種微型轉(zhuǎn)子的激光加工和光致旋轉(zhuǎn).光電工程.2006，33(1) :10-1；3)。使用特殊形狀如風(fēng)車狀的微粒，光束本身不攜帶角動(dòng)量，可以是線偏振光也可以是非偏振光，其光致旋轉(zhuǎn)的原理類似風(fēng)吹風(fēng)車轉(zhuǎn)動(dòng)，光場的光壓力作用在風(fēng)車狀的微粒上會(huì)產(chǎn)生扭矩從而使微粒旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與光強(qiáng)成正比。匈牙利科學(xué)院的Ormos小組在這方面做了大量的研究工作。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是微粒的轉(zhuǎn)速與方向可以人為控制，缺點(diǎn)是受到微粒的形狀的限制，但隨著雙光子加工加工技術(shù)的發(fā)展，這種實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)用起來更加的靈活。另外還有雙光纖法、雙光阱法、干涉激光模式法等多種巧妙的方法，這些光學(xué)旋轉(zhuǎn)方法的巧妙之處一般都在于光阱激光模式的選擇以及光路的設(shè)計(jì)思想，還有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善。但目前為止都是采用激光形成光鑷進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。由于激光光鑷體積比較龐大，不易移動(dòng)，造價(jià)高等不足我們提出多芯光纖系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、易操作、混合效率高，有利于減少試劑的使用量的多芯光纖驅(qū)動(dòng)的微攪拌器。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的包括一段多芯光纖經(jīng)熔融拉錐制成的錐體狀多芯光纖和由復(fù)合材料制成的微小粒子，微小粒子位于錐體狀多芯光纖的錐體端，錐體狀多芯光纖的非錐體一端連接光源，錐體狀多芯光纖的多個(gè)纖芯出射光同時(shí)作用到直立懸浮液體中的微小粒子上，所述的微小粒子的上體為密度較小材質(zhì)制成的一個(gè)球體和旋轉(zhuǎn)軸、底部為密度較大的材質(zhì)制成的帶有由多個(gè)翼的構(gòu)成的“類風(fēng)車”結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明還可以包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征
1、所述的多芯光纖的纖芯間的距離隨著拉錐成比例的縮小，所形成的錐體狀多芯光纖的的錐體端部的每個(gè)纖芯間的距離近似等于微小粒子的“類風(fēng)車”結(jié)構(gòu)的直徑。
2、所述的多芯光纖的是纖芯幾何分布呈正三角形分布的三芯光纖或呈正方形分布四芯光纖。
3、構(gòu)成的微小粒子的翼為上面為斜面的柱形，每個(gè)柱形翼的端部帶有半圓柱，翼的斜面對(duì)光纖出射端，帶有斜面的翼正對(duì)錐體狀多芯光纖的錐體端。
實(shí)現(xiàn)多芯光纖驅(qū)動(dòng)微小粒子的基本原理是使處于光場中的微小粒子受到光的線動(dòng)量實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，主要是利用光束在反射、散射或透射時(shí)由于動(dòng)量的改變而產(chǎn)生的輻射壓力或梯度力，作用于具有特殊幾何形狀的粒子上會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。多芯光纖驅(qū)動(dòng)器利用多芯光纖出射的光場同時(shí)作用到微小粒子的斜面上產(chǎn)生光壓力形成力矩，從而使微粒旋轉(zhuǎn)起來，并且微粒的轉(zhuǎn)速與光強(qiáng)呈線性增加關(guān)系，可以調(diào)整入射光強(qiáng)從而增大旋轉(zhuǎn)速率起到攪拌樣本液體的功能。
本發(fā)明提供了一種新穎的基于多芯光纖驅(qū)動(dòng)的微攪拌器，它采用由一段多芯光纖經(jīng)熔融拉錐制成的錐體狀多芯光纖和復(fù)合材料制成的具有特定形狀的微小粒子構(gòu)成，制成的錐體狀多芯光纖可以使多個(gè)纖芯出射光同時(shí)作用到直立懸浮液體中的微小粒子上，非錐體一端連接光源。相對(duì)傳統(tǒng)微攪拌裝置，它不僅具備體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、 易操作、混合效率高等優(yōu)點(diǎn)，而且利用多芯光纖驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比傳統(tǒng)的利用激光驅(qū)動(dòng)更方便地修改操作位置、增加強(qiáng)度、節(jié)省操作空間，使得微小粒子獲得更大的扭矩，提高了攪拌效率， 因此大大減少試劑的使用量，節(jié)約試劑，所以廣泛應(yīng)用在生物和化學(xué)領(lǐng)域。
本發(fā)明具有如下特點(diǎn)
1、本發(fā)明提供了一種新型的多芯光纖驅(qū)動(dòng)的微攪拌器，利用“類風(fēng)車旋轉(zhuǎn)”原理， 設(shè)計(jì)了“類風(fēng)車”結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子，在利用多芯光纖出射光場同時(shí)驅(qū)動(dòng)下獲得了更大的扭轉(zhuǎn)力矩， 提高了攪拌效率。相對(duì)傳統(tǒng)激光驅(qū)動(dòng)微轉(zhuǎn)子裝置，它具備體積小、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、操作自由度大、易操作等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)解決了多根光纖驅(qū)動(dòng)不易排布的問題。
2、由于微轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與光強(qiáng)呈線性增加關(guān)系，多芯光纖驅(qū)動(dòng)裝置可以同時(shí)為各個(gè)翼分別提供驅(qū)動(dòng)光源從而增大旋轉(zhuǎn)速率起到攪拌功能，能夠避免傳統(tǒng)激光驅(qū)動(dòng)裝置由于功率過大在微轉(zhuǎn)子的表面產(chǎn)生灼傷的現(xiàn)象。
3、由于微攪拌裝置體積小，混合速率高，可以大大減少試劑的使用量，節(jié)約試劑， 并且系統(tǒng)采取非接觸驅(qū)動(dòng)，避免由于直接接觸損傷溶劑活性，所以廣泛應(yīng)用在生物和化學(xué)領(lǐng)域。
4、利用不同密度材料制成的具有特定結(jié)構(gòu)的微小粒子，使重心在底部，從而使得微小顆粒直立懸浮在液體中，可以穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)粒子旋轉(zhuǎn)。
5、由于微小粒子的每個(gè)翼帶有斜面和半圓柱結(jié)構(gòu)，不僅增加了扭轉(zhuǎn)力矩而且減少了微小粒子旋轉(zhuǎn)時(shí)的粘滯阻力從而獲得更高的攪拌效率。


圖1多芯光纖驅(qū)動(dòng)的微攪拌器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2三芯光纖橫截面示意圖；
圖3四芯光纖橫截面示意圖；
圖4光源尾纖與四芯光纖耦合連接示意圖；
圖5四芯光纖熔融拉錐示意圖；
圖6-1至圖6-3微小粒子結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖6-1微小粒子三維空間圖；圖6_2 微小粒子上視圖；圖6-3微小粒子前視圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述
結(jié)合圖1、2、3，本發(fā)明基于多芯光纖驅(qū)動(dòng)的微攪拌器包括一段多芯光纖4經(jīng)熔融拉錐制成的錐體狀6的多芯光纖和由復(fù)合材料制成的微小粒子8，多芯光纖有3-4根纖芯 5。微小粒子位于錐體狀多芯光纖的錐體端，錐體狀多芯光纖的非錐體一端通過光源尾光纖連接光源，錐體狀多芯光纖的多個(gè)纖芯出射光同時(shí)作用到直立懸浮液體中的微小粒子上。 同時(shí)結(jié)合圖6-1至圖6-3，所述的微小粒子的上體為密度較小材質(zhì)制成的一個(gè)球體和旋轉(zhuǎn)軸、底部為密度較大的材質(zhì)制成的帶有由多個(gè)翼的構(gòu)成的“類風(fēng)車”結(jié)構(gòu)。多芯光纖的纖芯間的距離隨著拉錐成比例的縮小，所形成的錐體狀多芯光纖的的錐體端部的每個(gè)纖芯間的距離近似等于微小粒子的“類風(fēng)車”結(jié)構(gòu)的直徑。多芯光纖的是纖芯幾何分布呈正三角形分布的三芯光纖或呈正方形分布四芯光纖。構(gòu)成的微小粒子的翼為上面為斜面的柱形，每個(gè)柱形翼的端部帶有半圓柱，翼的斜面對(duì)光纖出射端，帶有斜面的翼正對(duì)錐體狀多芯光纖的錐體端。
下面以四芯光纖為例介紹實(shí)施方式制作過程
1、光源尾纖耦合連接取一段纖芯為正方形分布的四芯光纖4，將光纖一端進(jìn)行涂覆層祛除、切割，然后與帶光源的單模光纖2進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)焊接，如圖4所示。在圖4所示的焊點(diǎn)9處進(jìn)行加熱至軟化狀態(tài)，然后進(jìn)行拉錐，并進(jìn)行光功率監(jiān)測，直到耦合到多芯光纖的光功率達(dá)到最大時(shí)為止；
2、封裝保護(hù)將內(nèi)徑大于標(biāo)準(zhǔn)光纖和四芯光纖的石英管調(diào)至圖4所示的耦合區(qū)9 處，利用環(huán)氧樹脂固定好，然后進(jìn)行二次涂覆完成整體保護(hù)；
3、耦合連接結(jié)合圖5，將四芯光纖的光纖端進(jìn)行熔融拉錐，進(jìn)行加熱至軟化狀態(tài)，然后進(jìn)行拉錐，多芯光纖的纖芯距離隨著拉錐距離a成比例的縮小，直至每個(gè)纖芯距離近似等于微小粒子的直徑停止拉錐。
4、微粒的加工其中微小粒子的加工如圖6所示，首先在CAD中設(shè)計(jì)所需求的模型，然后按照CAD已經(jīng)設(shè)計(jì)好的應(yīng)用程序，轉(zhuǎn)化為控制器可以識(shí)別的指令，再利用計(jì)算機(jī)的軟件控制系統(tǒng)控制三維移動(dòng)軸的精密運(yùn)動(dòng)和光間的通斷，實(shí)現(xiàn)飛秒激光有選擇性加工，此時(shí)飛秒激光準(zhǔn)直后從顯微鏡左側(cè)入射，經(jīng)過反射鏡反射后，被100倍顯微物鏡聚焦到光敏樹脂內(nèi)，光敏樹脂位于玻片表面，玻片固定在三維移動(dòng)軸上，從而在光敏樹脂內(nèi)制作三維立體微器件，未曝光的材料用溶劑溶解，就得到所需的固化三維微結(jié)構(gòu)即所設(shè)計(jì)的微小粒子。
權(quán)利要求
1.一種多芯光纖驅(qū)動(dòng)的微攪拌器，其特征是包括一段多芯光纖經(jīng)熔融拉錐制成的錐體狀多芯光纖和由復(fù)合材料制成的微小粒子，微小粒子位于錐體狀多芯光纖的錐體端，錐體狀多芯光纖的非錐體一端連接光源，錐體狀多芯光纖的多個(gè)纖芯出射光同時(shí)作用到直立懸浮液體中的微小粒子上，所述的微小粒子的上體為密度較小材質(zhì)制成的一個(gè)球體和旋轉(zhuǎn)軸、底部為密度較大的材質(zhì)制成的帶有由多個(gè)翼的構(gòu)成的“類風(fēng)車”結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的多芯光纖驅(qū)動(dòng)的微攪拌器，其特征是所述的多芯光纖的纖芯間的距離隨著拉錐成比例的縮小，所形成的錐體狀多芯光纖的錐體端部的每個(gè)纖芯間的距離近似等于微小粒子的“類風(fēng)車”結(jié)構(gòu)的直徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的多芯光纖驅(qū)動(dòng)的微攪拌器，其特征是所述的多芯光纖的是纖芯幾何分布呈正三角形分布的三芯光纖或呈正方形分布四芯光纖。
專利摘要
本發(fā)明提供的是一種多芯光纖驅(qū)動(dòng)的微攪拌器。包括一段多芯光纖經(jīng)熔融拉錐制成的錐體狀多芯光纖和由復(fù)合材料制成的微小粒子，微小粒子位于錐體狀多芯光纖的錐體端，錐體狀多芯光纖的非錐體一端連接光源，錐體狀多芯光纖的多個(gè)纖芯出射光同時(shí)作用到直立懸浮液體中的微小粒子上，所述的微小粒子的上體為密度較小材質(zhì)制成的一個(gè)球體和旋轉(zhuǎn)軸、底部為密度較大的材質(zhì)制成的帶有由多個(gè)翼的構(gòu)成的“類風(fēng)車”結(jié)構(gòu)。本發(fā)明具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、易操作、混合效率高，有利于減少試劑等特點(diǎn)?？蓮V泛應(yīng)用在生物和化學(xué)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G02B6/26GKCN102156326 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請(qǐng)?zhí)朇N 201110113641
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年5月4日
發(fā)明者畢思思, 苑立波 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan