温州大学曹宇教授、侯智善博士团队：热梯度驱动光流控助力微流控芯片功能跃升

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导读：
近期，温州大学曹宇教授、侯智善博士等人提出了一种基于热梯度驱动的光流控微平台，通过在碳纳米管掺杂的PDMS基板内创建高光电转换区域（HPCR），利用局部热梯度诱导瑞利-贝纳德对流，实现了微流控芯片中流体和颗粒的长距离传输与控制。该平台在流体混合和材料分选等方面展现出巨大的应用潜力。相关研究以“Enhancing Microfluidic Chip Functionality via Thermal Gradient-Driven Optofluidic Manipulation”为题目发表于期刊《Advanced Materials Technologies》。
本文要点：
1、本研究提出了一种新型光流控微平台，其结构简单、操作方便，且具有出色的可扩展性。
2、利用紫外纳秒激光在碳纳米管掺杂的PDMS基底内创建高光热转换区域（HPCR），HPCR受到照射可在微流控芯片中产生局部热梯度，进而诱导瑞利-贝纳德对流，实现流体和颗粒的长距离传输与控制。
3、在低功率激光照射下，颗粒的传输速度可达0.18 mm/s。此外，该平台在流体混合和材料分选等多个方面显示出巨大的潜力。
4、该方法可将新功能快速集成到现有芯片中，同时保持成本效益和效率，在化学、生命科学、材料科学和生物医学等领域具有广泛应用前景。
在微流控应用中，利用热梯度驱动的流体运动具有以下优势：
1、长距离运输：热梯度能够有效实现物质的长距离传输，适用于生物控制、细胞分析、化学合成和药物输送等多种应用。
2、低功率需求：该技术可以在低功率激光照射下工作，减少了对能源的需求，同时降低了设备的复杂性。
3、无化学和电能干扰：热梯度驱动的流体运动依赖于光热作用，不涉及化学或电能，最小化了对流体中物质的影响，特别适合对环境要求严格的生物细胞和其他敏感物质。
4、简单易操作：所提出的光流体微平台结构简单，操作方便，易于集成新功能，具有良好的扩展性。
5、多功能性：该平台不仅可以实现液体操控和传输，还能有效促进液体混合和颗粒分选，拓展了微流控设备的应用范围。
6、成本效益：该方法能够将新功能快速集成到现有芯片中，同时保持成本效益和效率，适合大规模应用。
这些优势使得热梯度驱动的流体运动在微流控技术中成为一种极具潜力的解决方案。
高光热转换区域（HPCR）是通过在碳纳米管掺杂的聚二甲基硅氧烷（PDMS）基材上使用紫外纳秒激光进行点阵烧蚀形成的。激光照射导致PDMS中的化学键断裂，生成具有高热导率的碳化硅（SiC），并在材料中引入了局部的热梯度。这一过程不仅改变了PDMS的表面特性，还增强了其粘附强度。
在微流控芯片中，HPCR的作用主要体现在以下几个方面：
1、热梯度生成：激光照射HPCR区域时，局部加热导致流体中的密度变化，从而诱导瑞利-贝纳德对流（Rayleigh–Bénard convection），使流体在微通道内产生定向运动。
2、流体操控：通过改变激光照射的位置，可以控制流体的流动方向。例如，照射左侧HPCR时，流体会顺时针运动；照射右侧HPCR时，则会逆时针运动。
3、物质运输：HPCR能够有效地运输液体和微粒，实验中显示在不同几何形状的微通道中，流体和颗粒可以被精确操控和运输，流速可达0.18 mm/s。
4、生物样本处理：该平台可用于操控细胞、蛋白质和DNA等敏感物质，且在低功率激光照射下不会影响其活性，适合生物医学实验。
综上所述，HPCR通过激光处理形成，利用热梯度在微流控芯片中实现流体的定向运输和操控，在生物医学实验中展现出广泛应用潜力。


图1.微流控芯片制造过程示意图。


图2.a）通过紫外纳秒激光在碳纳米管掺杂的PDMS片基板上形成的HPCR的SEM形貌，比例尺：100μm；b）图2a中红色虚线框的放大微观形貌，比例尺：20μm。右上角是黄色虚线框的放大图，比例尺：6μm；c）FTIR光谱分析结果，红线为紫外纳秒激光处理后的样品，黑线为未处理的样品；d）碳掺杂PDMS经紫外纳秒激光处理形成的高光热转换区的XRD分析结果。


图3.a）激光照射HPCR期间微通道中液体和粒子运动的示意图；b）局部热梯度运动的模拟。（红线：激光功率密度为1.5915、3.183、4.7745、6.366μW μm-2时，通道深度为300μm时，微通道中液体的最大流速；蓝线：温差为30K时，深度范围为100-1200μm的微通道中的最大流速）。


图4.a）左侧为激光照射HPCR期间粒子的运动，右上角为二维液体流动模拟。比例尺：200μm；b）右侧为激光照射HPCR期间粒子的运动，右上角为二维液体流动模拟。比例尺：200μm；c）在不同条件下测量了微通道内颗粒的平均速度，通道深度为100、300和500μm，激光功率密度为1.5915、3.183、4.7745、6.366μW μm-2；d–g）显示了在300μm深度的环形微通道中，用6.366μW μm-2激光功率密度的激光照射微通道中的三个粒子0–3秒的运动图像，实线圈为粒子的当前位置，虚线圈为先前位置。比例尺：100μm。


图5.激光照射过程中液体和颗粒的流动方向。a）圆形微通道；b）方形微通道；c）三角形微通道。右上角的插图显示了一个模拟实验。所有比例尺均为200μm。


图6.a–d）在波长为1064nm、功率密度为3.183μW μm-2的激光照射下，水和罗丹明溶液在微通道中的混合情况，混合时间为0–45s；e–h）在无激光照射的情况下，水和罗丹明溶液在微通道中的混合情况，混合时间同样为0–45s。所有标尺均为500μm。


图7.聚苯乙烯微球分流，橙色箭头表示流体运动方向。a）无激光照射；b）通过激光照射。所有比例尺均为200μm。
论文链接：https://doi.org/10.1002/admt.202301986
本文转自：北京永康乐业 https://www.biofabrication.cn

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