[发明专利]一种微颗粒捕获装置及应用该装置的微颗粒输运设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种微颗粒捕获装置，以及应用有该捕获装置的微颗粒输运设备。

背景技术

随着科学研究向微观领域的不断延伸，微制造技术及其产品在近十几年来得到了迅猛发展。美国、日本、德国等国家都已经把微制造置于相当高的地位，将其作为制造科学的主流之一，发展微制造技术和产业，更是我国向高技术跃进的一个突破口。

“堆积成形”是微制造领域的一个重要理念，通过对微颗粒的操控，堆积成形可以“自下而上”地叠加堆积或组装出所需的二维或三维的微结构和元器件。其中，对微颗粒的顺利捕获、定向输运、精确定位是“堆积成形”的关键技术和重要基础之一。因此，如何实现对微颗粒的捕获和操控成为当前微制造领域的一个研究热点和难点。

根据文献报道，到目前为止，对微颗粒的捕获和操控主要是借助于激光、射频电压和等离子等来实现的。其中，“光镊”(Optical Tweezers)是实现微颗粒捕获和操控最具代表性的方法，所谓“光镊”是利用光与物质间动量传递的力学效应而形成的三维梯度光学势阱，是一种可以对微小物体进行无损伤和非接触性操控的工具。早在1986年，贝尔实验室Ashkin将单光束激光引入高数值孔径物镜形成了三维光学势阱，证明其可以在基本不影响周围环境的情况下实现对捕获物进行亚接触性、无损活体操作，并形象地称其为“光镊”。自问世以来，“光镊”技术发展迅速，针对不同种类激光束产生的“光镊”研究越来越全面，其应用也越来越广泛。至今，“光镊”由最初的单光束梯度力光阱已经逐渐演化出了双光镊、三光镊、四光镊、阵列光镊、光束工作站和全息光镊等不同类型的光学势阱，它们为基于微颗粒捕获和操控的微制造研究提供了巧妙而有效的工具。

其次，“介电泳动”(Dielectrophoresis)则是实现微颗粒捕获和操控的另外一种方式。哈佛大学的Brown等人采用非接触式三轴原子力显微仪镊夹(TACT)，并利用介电泳动实现了水介质中纳米物质的操控，他们在TACT的针尖及内壳上施加射频电压，将外壳接地，针尖设计开口让电场逸出，并在表面之外产生一零电场。由于水的介电常数比大部分物质都大，因此水会将纳米颗粒推向电场极小值的位置。由于针尖的周围属排斥力的区域，因而可以确保一次只有一个颗粒被捕获。用这种方法可以捕获单个半导体量子、碳纳米管、半导体纳米线、生物颗粒(例如病毒)等直径小至4nm的微颗粒，从而进行微结构的组装和操控。

另外，瑞士联邦理工学院Huang等人借助等离子(Plasma)的近场效应，配合微流体(Microfluidics)与控制层，让捕获与操控微颗粒得以实现。他们发展出了由等离子光阱与微流体组成的光流体器件(Optofluidic Device)，不需要传统“光镊”的复杂光学架构，就能操控细胞或微颗粒。

上述的“光镊”、“介电泳动”和“电磁场”是目前国际上实现微颗粒捕获和操控比较有代表性的三种方式，但是，上述三种方式的实现都需要特定的硬件设备，整个系统的搭建和使用成本高，而且对于应用环境也有较高的要求，主要面向研究所和大学从事理论基础研究的研究人员，还无法用于工业实践和进行商业化推广。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种结构简单、制造成本低且容易实现的微颗粒捕获装置。

本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种应用有上述微颗粒捕获装置的微颗粒输运设备，该微颗粒输运设备整体结构简单、制造成本低且容易实现。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种微颗粒捕获装置，其特征在于：所述的微颗粒捕获装置包括有微射流喷头、稳压器和为所述微射流喷头提供喷射液体的液压装置，所述微射流喷头内开设有沿轴向贯穿的环形喷腔，该环形喷腔内径与欲捕获的微颗粒直径相匹配，所述环形喷腔的顶端设置有入射口，所述环形喷腔的底端设置有喷射口，所述稳压器的输入端和所述液压装置的出液管路相连，该稳压器的输出端和所述微射流喷头的入射口相连。

为了能够获得较好的微颗粒捕获效果，提高微颗粒捕获的可靠性和成功率，作为优选，所述环形喷腔的内径和所述微颗粒的直径之间满足以下关系式：Φ_w-10μm≤Ψ_pi≤Φ_w，其中，Ψ_pi表示所述环形喷腔的内径，Φ_w表示所述微颗粒的直径，所述Ψ_pi和Φ_w的单位均为μm。