一种开放式抗磁性液滴磁力操控方法与流程

1.本发明涉及液滴微流控技术领域，特别涉及一种开放式抗磁性液滴磁力操控方法。


背景技术：

2.液滴微流控是微流控芯片研究中的重要分支，而液滴操控技术是微流控芯片的基础与核心。常见的液滴操控技术可以分为主动式和被动式。被动式液滴操控技术是指利用槽道的几何结构实现对液滴的操控，具有操控过程简单、无需外部控制设备辅助等优点。但由于微通道设计固定，单一结构只能实现某一特定功能，操控灵活性差。主动式液滴操控技术是指利用外力(能量)实现对液滴的操控，常见的操控方式包括热操控、光操控、电操控、磁力操控等。其中，磁力操控是一种最为简单直接的液滴操控方式，它不受表面电荷、ph、离子浓度或温度的影响，能够与多种材料和生化反应兼容，并且不需要复杂的辅助设备。磁力操控是利用磁性物质在非均匀磁场中所受到的磁场力实现对液滴的操控。对于磁性液滴，如磁液，在外磁场作用下可实现液滴的迁移与合并。而对于非磁性液滴，往往需要借助添加磁性颗粒或磁性粉末来实现液滴的操控。这种液滴驱动方式受到磁性颗粒大小、数量等一系列因素的影响，操控效果显著降低；在转移和应用过程中，磁性颗粒易从体系中脱离，从而附着在基底表面，导致基底污染；由于磁性颗粒直接与样品接触，易感染生物样品，限制了液滴磁力操控技术的应用。
3.非磁性流体可分为抗磁性流体和顺磁性流体。实际上，常见流体如水以及绝大多数有机化合物都表现出抗磁性，会受到磁场力的排斥作用，但目前学者们较少在普通固体表面上观察到磁场驱动水滴迁移的现象，其原因在于普通固体表面上液滴存在较大粘滞力。当然，利用大型组合磁体、电磁铁或者超导磁体产生的超强磁场能够驱动液滴迁移，但是往往设备复杂，体积庞大，不利用液滴微流控技术的发展。如何实现弱磁场下抗磁性液滴的直接操控仍是亟需解决的难题。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术的不足，本发明针对抗磁性液滴提供了一种开放式抗磁性液滴磁力操控方法。该实验平台包括磁体、位移平台和超滑表面，仅仅利用单个磁体产生的较小磁场即可实现抗磁性液滴在超滑表面上的迁移。其中，超滑表面是通过将润滑油灌注在微纳结构基底表面形成的液-液表面，具有优异的疏液、低粘附等特性，能够实现低表面能、高粘度液滴的快速脱附。磁体由位移平台操控，当磁体由一定高度向液滴一侧水平靠近时，产生的梯度磁场作用在液滴上从而产生排斥力推动液滴向另一侧运动；磁体停止运动后，液滴仍会滑移一段距离后静止。
5.进一步地，所用位移平台由三维步进电机控制，可以实现三维运动，定位精度为1μm。
6.进一步地，所用磁体为单个钕铁硼(ndfeb)圆柱形磁体，磁体直径为1～10mm，高度
为5～20mm，磁体表面磁场强度为～0.4t。
7.进一步地，磁体底部距离超滑表面的竖直距离为0.1～5mm，视液滴高度而定。
8.进一步地，所述液滴为纯水液滴、低表面能液滴、气泡等，液滴体积为1～15微升，液滴迁移速度为0.01～1mm/s。
9.进一步地，所述低表面能液滴为添加质量分数为0.472％十二烷基硫酸钠(sodium dodecyl sulfate，sds)的水滴，其表面张力为0.033n/m。
10.进一步地，一种开放式抗磁性液滴磁力操控方法中所述超滑表面的制备方法如下：
11.1.使用无水乙醇清洗紫铜表面，然后放入质量分数为38％的盐酸中浸泡1分钟去除表面氧化层，再使用去离子水冲洗基板30s，去除基板表面沾附的盐酸。
12.2.将1.25mol/l的氢氧化钠(naoh)溶液与0.05mol/l的过硫酸铵((nh4)2s2o8)溶液等体积混合，再把基板放入该混合溶液中浸泡10分钟，使金属基板表面被腐蚀。
13.3.取出基板，将其放入280℃的烤箱中烘烤30分钟，此时基板表面生长出“绒毛状”氧化铜微纳米结构。将基板从烤箱中取出，在室温下冷却30分钟。
14.4.用滴管取3ml质量分数为3.3％的聚四氟乙烯(ptfe)溶液滴加在基板表面，并将基板侧放10秒排出多余溶液。
15.5.将基板放入280℃的烤箱中烘烤30分钟，使基板表面的ptfe颗粒融化。
16.6.取出基板，待冷却后用微量进样器在基板上滴加9μl粘度为10cst的硅油，并将基板倾斜放置10分钟，使硅油均匀浸入基板表面多孔层，得到硅油灌注的超滑表面。
17.发明原理
18.以纯水液滴为例，当外加梯度磁场穿过电子轨道时，由于电磁感应会使电子加速，产生一个附加磁矩，磁矩的方向与外加磁场相反，因而出现外加梯度磁场排斥纯水液滴的现象。大多数物质的抗磁性很弱，在普通固体表面上，液滴受到表面的粘附力较大，无法被磁体产生的较小梯度磁场驱动。而在超滑表面上，液滴不与固体直接接触，而是悬浮在润滑油之上，其粘附力很小，从而实现超滑表面上纯水液滴的磁力驱动。另外，液滴在超滑表面上铺展从而形成液桥，由于本发明中选用润滑油为硅油，同样表现出抗磁性，因此也会在单个磁体产生的梯度磁场作用下推动液滴或气泡运动。
19.本发明的一种开放式抗磁性液滴磁力操控方法与现有技术相比具有以下优点；
20.1、本发明是一种非接触式液滴操控方法，不需要嵌入磁性颗粒，有效避免了液滴的污染，操作简单，经济性好，具有很强的市场推广潜力。
21.2、本发明不仅适用于驱动常规流体，也可作用于低表面能流体、气泡等，适用范围广。
22.3、本发明仅需单个磁体产生的较小梯度磁场即可驱动液滴运动，相比于组合磁体、电磁铁或超导磁体，结构简单，安全性高，经济性好。
附图说明
23.图1为本发明的一种开放式抗磁性液滴磁力操控方法结构示意图，其中1为位移平台、2为磁体、3为液滴、4为超滑表面；
24.图2为制备所得的“绒毛状”微纳结构表面的扫描电子显微镜(sem)图；
25.图3为超滑表面上水滴接触角光学图；
26.图4为实施例1中磁体驱动超滑表面上纯水液滴运动图；
27.图5为实施例2中磁体驱动超滑表面上低表面能液滴运动图；
28.图6为实施例3中磁体驱动超滑表面上空气气泡运动图；
29.图7为实施例1～3中磁体沿轴线处磁场强度图；
具体实施方式
30.以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
31.实施例1：一种开放式抗磁性液滴磁力操控方法，具体步骤如下：
32.1.将磁体竖直固定在位移平台上，操控电位仪平台，使磁体底部距离超滑表面约2.4mm处。
33.2.使用微量注射器，在超滑表面上滴加10微升液滴。
34.3.操控位移平台，使磁体以1mm/s的速度水平匀速靠近水滴，水滴受到磁体的排斥力作用由静止开始加速运动，最后与磁体保持相同速度运动。
35.4.操控位移平台，停止磁体运动，水滴随之停止运动，完成了超滑表面上磁力操控水滴迁移过程。
36.实施例2：一种开放式抗磁性液滴磁力操控方法，具体步骤如下：
37.1.将磁体竖直固定在位移平台上，操控电位仪平台，使磁体底部距离超滑表面约1.2mm处。
38.2.使用微量注射器，在超滑表面上滴加5微升质量分数为0.472％十二烷基硫酸钠的sds液滴。
39.3.操控位移平台，使磁体以0.1mm/s的速度水平匀速靠近水滴，水滴受到磁体的排斥力作用由静止开始加速运动，最后与磁体保持相同速度运动。
40.4.操控位移平台，停止磁体运动，sds液滴随之停止运动，完成了超滑表面上磁力操控低表面能液滴的迁移过程。
41.实施例3：一种开放式抗磁性液滴磁力操控方法，具体步骤如下：
42.1.将磁体竖直固定在位移平台上，操控电位仪平台，使磁体底部距离超滑表面约0.5mm处。
43.2.使用微量注射器，在超滑表面上注射2微升空气形成气泡，同时气泡底部液体在毛细力作用下形成液桥。
44.3.操控位移平台，使磁体以0.01mm/s的速度水平匀速靠近气泡，气泡周围液桥受到磁体的排斥力作用，带动气泡由静止开始加速运动，最后与磁体保持相同速度运动。
45.4.操控位移平台，停止磁体运动，气泡随之停止运动，完成了超滑表面上磁力操控气泡迁移过程。