一种惰性颗粒可控运输装置及使用方法

本发明属于智能控制，尤其涉及一种惰性颗粒可控运输装置及使用方法。

背景技术：

1、在微尺度下，运输胶体颗粒的技术可以用于体内靶向输送或是复杂环境中的微纳结构的可控组装。目前，主要通过光镊、光电镊和声镊等手段来实现对惰性胶体颗粒的捕获、定向组装及输运。然而，这些方法各有其局限性。例如，光镊设备需要使用强激光进行激发，光电镊设备需要特制的光导基底构成特殊的三明治结构，增加了操控的难度，而声镊则需要复杂的声学设计和精确的控制来产生稳定的声场。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种惰性颗粒可控运输装置及使用方法，旨在开发一种低成本、操作简单且适用于多场景的颗粒操控及组装技术。

2、本发明是这样实现的，一种惰性颗粒可控运输装置，包括光斑投射结构、样品台、颗粒承载件及摄像设备，所述颗粒承载件放置在所述样品台上，所述光斑投射结构位于所述样品台的下方，所述光斑投射结构向所述颗粒承载件投射光斑，所述摄像设备位于所述样品台的上方，所述颗粒承载件包括光催化薄膜、盖玻片及垫圈，所述垫圈设置在所述光催化薄膜及盖玻片之间，所述垫圈中部设有空腔，所述空腔中设有包括燃料液及惰性胶体颗粒的混合水溶液。

3、本发明的进一步技术方案是：所述光斑投射结构包括光斑投射仪、第一反射镜及第一物镜，所述第一物镜、第一反射镜及样品台位于同一直线上，所述第一物镜设置在所述第一反射镜与所述样品台之间，所述光斑投射仪与所述第一反射镜竖直设置，所述光斑投射仪发射的光斑经过所述第一反射镜反射至所述样品台。

4、本发明的进一步技术方案是：所述光斑投射仪投射的光斑波长为365nm或者405nm。

5、本发明的进一步技术方案是：光斑的参数包括光强、光斑的形状及光斑的移动速度。

6、本发明的进一步技术方案是：所述摄像设备的前端设有用于过滤紫光的滤光片，所述滤光片与所述样品台之间设有第二物镜，所述摄像设备、滤光片、第二物镜及样品台位于同一直线上。

7、本发明的进一步技术方案是：所述燃料液选用氢醌、羟基二茂铁、三乙醇胺、2,2,6,6-四甲基哌啶氮-氧化物或者过氧化氢中的一种；所述燃料液选用氢醌时，氢醌的浓度范围为50-200mm；所述燃料液选用羟基二茂铁时，羟基二茂铁的浓度范围为0.1-20mm；所述燃料液选用三乙醇胺时，三乙醇胺的浓度范围为0.1-50mm；所述燃料液选用2,2,6,6-四甲基哌啶氮-氧化物时，2,2,6,6-四甲基哌啶氮-氧化物的浓度范围为1-250mm；所述燃料液选用过氧化氢时，过氧化氢的浓度范围为100-300mm。

8、本发明的进一步技术方案是：所述惰性胶体颗粒为二氧化硅颗粒或聚苯乙烯颗粒。

9、本发明的进一步技术方案是：所述光催化薄膜包括载玻片、基板及金属层，所述基板设置在所述载玻片的顶部，所述金属层设置在所述基板的顶部，所述基板的材料为二氧化钛，所述金属层的材料为铂。

10、本发明的进一步技术方案是：还包括背景光源及第二反射镜，所述第二反射镜与所述第一反射镜位于同一直线，所述第二反射镜位于所述第一反射镜的下方，所述背景光源与所述第二反射镜竖直设置，所述背景光源的光经过所述第二反射镜反射至所述第一反射镜处。

11、本发明的另一目的在于提供一种惰性颗粒可控运输装置的使用方法，光斑投射仪投射出不同参数的光斑，光斑通过第一物镜聚焦于样品台表面，光照区域中所述基板的二氧化钛被激活产生光生电子与空穴，电子迁移至金属层，光照区域诱导发生空穴氧化氢醌产生氢离子，在金属层一侧会发生电子还原苯醌消耗氢离子，产生从光照区指向非光照区的电场，在该电场作用下带电胶体颗粒发生电泳，若带电颗粒表现出负电性，则会迁移至高电势区域及光照区；若带电颗粒表现出正电性，则会迁移至低电势区域及非光照区。

12、本发明的有益效果是：采用本发明的技术方案，基于光催化薄膜的光敏特性，利用静态及动态光斑实现对惰性颗粒如sio2粒子的结构化组装及定向运输，可以通过改变动态光斑的参数调控运输效率及路径。此外，还可以实现控制胶体颗粒图案化组装及实时变化。本发明技术方案不需要其他外加电场的辅助，也不需要溶液中混有其他的活性颗粒，只需要在改造外界激发光源使其能够通过实体掩模板或者是微型投影仪装置产生微尺度的光斑，可以实现微纳米粒子的捕获、定向运输、图案化组装。装置结构简单，操作方便，成本低廉，可控性好；能够操控多尺寸颗粒实现结构化组装和输运；可以实现大量粒子的运输；原则上，可以在系统内对任意位置的粒子同时进行多个运输任务。

13、附图说明

14、图1是本发明实施例的tio2/pt光催化薄膜的合成流程图；

15、图2是本发明实施例的tio2/pt光催化薄膜的形貌表征数据图；

16、图3是本发明实施例的tio2/pt光催化薄膜的组分及吸光性能表征数据图；

17、图4是本发明实施例的颗粒承载件的示意图；

18、图5是本发明实施例的实体掩模板和虚拟光斑示意图；

19、图6是本发明实施例的虚拟光斑产生装置结构示意图；

20、图7是本发明实施例的光催化薄膜与sio2颗粒相互作用机制的示意图；

21、图8是本发明实施例的光催化薄膜在不同尺寸静态光斑照射下诱导sio2颗粒组装示意图；

22、图9是本发明实施例的胶体颗粒移动速度随光强变化的数据；

23、图10是本发明实施例的胶体颗粒移动速度随溶液中燃料浓度变化的数据；

24、图11是本发明实施例的运输速率随溶液中盐浓度变化的数据；

25、图12是本发明实施例的控制不同材质颗粒速率变化的数据；

26、图13是本发明实施例的控制不同尺寸的sio2颗粒运输速率变化的数据；

27、图14是本发明实施例的定制化图案化sio2颗粒组装形成定制图案的动力学过程数据；

28、图15是本发明实施例的定制化字体图案sio2颗粒组装形成微尺度下的定制化字体数据；

29、图16是本发明实施例的批量化阵列图案诱导sio2颗粒组装形成微尺度下的批量化的阵列结构；

30、图17是本发明实施例的动态光斑诱导sio2颗粒定向运输数据结果；其中图a为动态光斑的移动轨迹图，b为不同时刻下sio2在输运过程中的富集结果；

31、图18是本发明实施例的弧线形动态光斑在高颗粒密度诱导sio2颗粒形成图案化组装及实时变化过程中，动态光斑的移动路径；

32、图19是本发明实施例的弧线形动态光斑在高颗粒密度诱导sio2颗粒形成图案化组装及实时变化过程中，不同时刻下sio2颗粒组装形成的图案化实时变化过程图；

33、图20是本发明实施例的实体掩模版构筑的静态六边形光斑诱导1μmps颗粒富集在光斑内的过程；

34、图21是本发明实施例的虚拟静态六边形光斑诱导1μmps颗粒组装形成图案化组装及实时变化过程，不同时刻下ps颗粒组装形成的图案化实时变化过程图。