[0001] 本发明涉及一种基于环形芯毛细管光纤的微腔型光热微泵，便于嵌入进微流控芯片中，同样在微米尺度操作微量液体中可以代替微量注射泵和微流蠕动泵等大尺寸进样设备，为微流控芯片在化学、生物、医药等领域高通量分析及检测的外围控制设备提供了一种便捷的方法，属于光流控技术领域。(二)背景技术

[0002] 微流控技术(Microfluidics或Lab-on-a-chip)指的是使用几十微米或数百微米的微通道处理或操纵微小流体的系统。微流控技术经过几十年的发展，已经成为一门涉及化学、流体物理、光学、微电子、新材料、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科。由于微流控芯片中的样品体积小，检测光程短，灵敏度高、响应时间快、功耗低的光学检测器和新型检测方法对于微流控技术向实用化发展至关重要，并且无论是生物检测、药物测试，还是化学分析、环境监测，需要微升级液体的系统越来越多。微流系统中除了芯片为主要的技术集成单元，还需要很多其他外围设备，如进样设备、流体驱动控制设备、温度控制和检测控制等单元，这些设备进而再与具备不同用途的微流控芯片单元连接，完成功能需求。

[0003] 现如今已存在的与光纤相结合的微流控芯片及应用包括：光纤型微流控电泳芯片【苏波等，光纤型微流控电泳芯片的研制。测控技术，2005，24(11)：5-8】，该芯片实现了在聚二甲基硅氧烷(PDMS)上制作深度不同的微流控沟道和光纤沟道，使光纤与微流控沟道能够方便地对准。还有一种是内嵌光纤型微流控芯片【金永龙等，基于准分子激光加工技术的内嵌光纤型微流控器件的制备。中国激光，2008，35(11)：1821-1824】，其制备方法是利用248nm的KrF准分子激光在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基片上进行微加工，构建芯片结构，并嵌入腐蚀过的直径35μm的单模光纤，从而形成内嵌光纤型芯片。这两种均是传统微流控芯片结合光纤实现的，除此之外，也可以将带有空气孔的特种光纤作为芯片微通道的一部分，如直接利用中空光子晶体光纤的中空光学通道作为微流物质通道【江超，飞秒激光脉冲精密制作微流光纤器件及其应用。激光杂志，2009，30(5)：6-8】。这种微流测量器件的工作原理是基于光纤中传输的光场直接与微流物质相互作用，从而改变光纤中光波的特性。也有通过某些加工技术对光纤进行微加工处理，近而达到微流控芯片的功能。例如利用飞秒激光辅助加工的方法也可以在单模光纤中加工出平行于纤芯的微流通道，从而制成了一种能够应用于液体折射率传感的新型光纤微流体器件【李翔，光纤微流体器件的飞秒激光制备及液体折射率传感。哈尔滨工业大学，2013；孙慧慧，光纤内马赫泽德干涉微腔的飞秒激光制备及温盐传感特性。哈尔滨工业大学，2015】，这种微流体器件具有耐高温特性，液体在微流通道内部流动，避免被测液体与外界接触，具有很强的抗干扰能力。专利CN106582903提出了一种光热波导的微流控芯片，该光热波导浸没在长方体的微流室底部，并且微流室的长宽高一定，光波导表面涂有导热性能的纳米材料，流体流动强度和光功率成正相关关系。

[0004] 在以上这几种与光纤有关的微流系统中，进样液体往往需要被驱动、控制或者进行各种各样的操作，均未用及光纤中的光热效应特性。以上微流系统中，进样方式依然需要连接微泵，如蠕动泵或微流注射器等大体积外围设备。

[0005] 微泵是微流控系统中的重要组成部分，其主要作用是传输液流和分配液流，可分为机械式微泵和非机械式微泵。机械式微泵依靠机械运动部件来传输、控制微流体，而非机械式微泵则是依靠各种物理作用或效应将某种非机械能转变为微流体的动能，实现微流体的驱动。机械式微泵主要有压电式、静电式、电磁式、气动式等驱动方式，这类微泵通常制造工艺较复杂、成本高、消耗功率大、长期工作的可靠性较差，且难以集成。非机械式微泵主要有电渗式、表面张力式、磁流体式和热气泡式等驱动方式，这类微泵在制作工艺和可靠性方面具有一定优势，且不会出现机械式微泵长期工作情况下的膜形变、疲劳等问题，但这类微泵需要复杂的驱动电路或设备，这些外加部件往往增加了系统的复杂性，降低了系统的便携性，从而限制了微流体系统的应用。

[0006] 为了能进一步提高微流控芯片的集成度和小型化，克服上述在先进技术中的缺点和不足，本发明给出了一种基于环形芯毛细管光纤的微腔型光热微泵，这种能用于微流控芯片的毛细管光纤光热微泵制备简单，一致性好，便于嵌在芯片中，适合规模化大批量生产。(三)发明内容

[0007] 本发明的目的在于提供了一种在微米尺度操作微量液体时可以代替微流控芯片外围大尺寸进样设备的光热微泵。

[0008] 本发明的目的是这样实现的：

[0009] 一种基于环形芯毛细管光纤的微腔型光热微泵。其主要特征为，该微泵由图1所示的环形芯毛细管光纤制作加工而成。该毛细管光纤的两端经过加热熔缩，使毛细孔被塌缩闭合，分别形成两个实心的光波通道2-1，从而成为与外部能量光源相互连接的光接口。两端光接口中间形成一段密闭空气微腔2-2，采用侧面飞秒打孔技术在光纤外表面加工制作微流物质微孔通道，根据需要排布和分配微孔，明确进入口和排出口的位置和个数。基于该微泵的发生原理，把近光接口的微孔作为微流液体进入口2-3，远光接口的微孔作为微流液体的排出口2-4，如图2所示。

[0010] 为了实现微流控芯片中微泵的功能，塌缩成实心光波通道的纤芯和外部光源相连接，当毛细管光纤被注入光能后，光沿着环形芯传播，当光纤中的空气孔充满液体时，光纤纤芯内壁与液体充分接触，光能转化为被液体吸收的热能进而转化为动能，推动液体前进。被加热的液体被快速推进至微流控芯片的微通道内后，微泵腔内压力减小，且小于外界大气压，该光热微泵外的液体通过刻蚀的微流物质微孔通道进入到微泵的腔内，如此只需在微流控芯片外加待测液体即可，无需再额外连接其他外围设备。

[0011] 具体原理如下：

[0012] 众所周知，光是电磁波的一种，该光热微泵所连接的光源提供的光能量即为电磁波，并通过环形芯表面放射出来，由于纤芯内壁与微流液体直接接触，这种电磁波在纤芯中传递并再次到达微流液体转换成内能，当光源能量越强时，纤芯的温度就随之越高，放射性能量也就越大。所以该微泵是通过电磁波的形式从高温物体(光纤芯)向低温物体(微流液体)进行热量传递的。

[0013] 那么微流液体又是如何被推进芯片的微流通道的呢？可以简单理解为微泵内同时发生了两种对流传热现象，使得微流液体内的分子内能增大，加速运动，促使了微泵腔内的微流液体被推进芯片的微流通道的这一现象发生。第一种对流传热现象是：在高温物体(环形芯内壁表面)被加热后的流体向低温物体(微泵中心液体)移动的传热方式为对流传热，若物体表面上的流体是静止的，那么物体表面与流体之间也会通过热传导来传递热量。也就是说，对流传热是基于热传导和流体的流动(即对流)所进行的热量传递。第二种对流传热现象是：该毛细管光纤光热微泵腔内被加热后的微流液体和已经进入到芯片微流通道内温度略低的微流液体之间的热量传递方式属于对流传热，并且这种流体升温后，液体密度发生改变，进而产生对流，发生自由对流现象。

[0014] 若注入光热微泵的光强一定，且能量稳定，假设毛细管光纤的纤芯温度为T1、表面积为A，周围有温度为T2的流体流动，因为光纤芯表面与流体之间有温差，所以出现了对流换热。在光纤芯表面的流体因与光纤芯接触，其具体有和光纤芯表面相同的温度，另外，离光纤芯足够远处的流体温度为T2，在光纤芯附近，存在温度、流速发生变化的边界层。假设面积为dA(m2)，其传热量为 那么局部热流密度 与温差的关系可用牛顿冷却定律来表示，
q＝h(T1-T2)   (1)
其中，h(W/(m2gK))是传热系数，传热系数不同于导热系数，导热系数是物质固有的物性，传热系数则是随着流体的流动状态变化。

[0015] 另外，在微流液体与环形芯接触的时候，在光纤芯内壁周围会形成一个温度从光纤芯温度到液体温度急剧变化的热流体薄层，称之为温度边界层，同样，当有液体流动的时候，流体会附着于光纤芯上，光纤芯表面会形成一个由零速度开始变化急剧的流动薄层，称之为速度边界层(如图3所示)。并且纤芯周围的流体流动速度越快，边界层厚度就越厚。

[0016] 可知，热导方程可以由傅里叶定律和能量守恒方程导出，在Δt(s)时间间隔内存在以下热平衡：(热力学能的变化量)＝[(导入微元体的热量)-(导出微元体的热量)]+(微元体内产生的热量)×Δt(s)   (2)

[0017] 在该微泵毛细管内微流液体的环境中，流体被固体壁面包围的情形，是经典的管内流动。

[0018] 所以圆柱坐标系的热导方程为：式中，热导系数k为常数，r为圆柱体半径，ρ(kg/m3)为物体的密度，c(J/(kg·K))为比热，此外， 是微元体内单位时间、单位体积的发热量。

[0019] 考虑到该发明所提出的光热微泵主要应用在微流控芯片领域内，微泵结构和芯片微流通道均为微米量级，所以雷诺数较低，液体流动为层流，下面我们对光热微泵腔为圆管结构时做简要分析。

[0020] 首先在雷诺数较低、流动为层流，且光纤芯与流体间的温差也较小的情况。相应地，流体粘度、导热系数及比热等物性值为定值，由粘性摩擦导致的流体内部发热和浮力的影响也可忽略。在流动的下游(近光热微泵开放性液体出口处)实现的充分发展温度场是如图4(a)所示的，有完全相同的分布形式的温度场，其坐标原点取为微泵腔通道中心处。对于腔内流动，选取光纤芯内表面温度T1与微流体平均温度T2之差作为参考温差。流体平均温度代表的是所选流道截面内的流体温度，由下式来定义：

[0021] 当选取光纤芯内表面温度与微流体平均温度之差为参考温差时，充分发展温度场的温度分布可有下面的表达形式来描述其中无纲量自变量η在圆柱坐标系当中定义为η＝r/R。

[0022] 相应地，充分发展温度场可解释为传热系数不随轴坐标x变化的温度场，由式(5)可得，首先考虑等壁面热流密度条件，此时对于充分发展温度场，由于q和h一定，由牛顿冷却定律q＝h(T1-T2)可知温差(T1-T2)也一定，于是，由充分发展温度场如式(6)可得即，如图4(b)所示，对于等壁面热流密度条件下的充分发展温度场，随着流体向下游流动，流道截面流体的温度以一定的温差上升。

[0023] 该光热微泵器件可近一步与传统微流控芯片相结合，将微流物质微孔通道与芯片外进样口位置对应，当光热微泵注入光能后，芯片外的待测微流液体将会不需外力的通过微孔入口通道吸入微泵腔内，并对芯片内的液体起到助力推进的功效。微泵的另一端液体排出口可与所使用的微流控芯片连接，在微流控芯片系统中可以完全代替微流注射泵等进样设备。

[0024] 为了进一步扩展毛细管光纤光热微泵流体入口的结构，该微泵可扩展为具有多个微流物质微孔入口通道结构的微泵器件，其特征在于在中空环形芯毛细管光纤的侧面增加微流物质微孔入口通道的个数m(m>2，m为整数)，每个微孔都可以作为微流体的一个进入口，这样就可以实现单位时间内增大液体流量的目的。

[0025] 进一步的，所述的基于毛细管光纤的光热微泵，该光热微泵可以通过改变两端被注入光能量的大小来调节微流液体进入芯片微通道的推进速度和推进量。微孔个数一定时，光能量越大，微泵对液体的推进速度也会越大，反之亦然。当进入口的个数和尺寸均相同，且两端口的光能量输入也相同时，在距离入口端相同位置的液体横截面热流密度相同，即液体流速相同，反之亦然。所以对于进入微流控芯片微通道内的微流体流速而言，可以通过改变两端光能量的输入、进入口的个数和尺寸、排出口所分布的位置来调节最终微泵液体排出口的流体速度。

[0026] 进一步的，所述的基于毛细管光纤的光热微泵，该微泵上所包含的微流物质微孔入口通道可以是多种尺寸和多种形状的，根据微泵长度和进样要求通过飞秒打孔技术制备出所需的微孔尺寸和形状，如圆形微孔、正方形微孔、椭圆形微孔、长方形微孔等，如图5所示。

[0027] 在实际应用中，要根据具体的系统要求，选择合适的微泵。微泵在微型传感器、微型生物、化学分析以及各种涉及微流体运输的场合中均有广泛应用。目前微泵已经有了很大的发展，结构形式和原理丰富多样，而且稳定性也都有了很大的提高。为了能进一步提高微流控芯片的集成度和小型化，克服上述在先进技术中的缺点和不足，本发明给出了一种基于环形芯毛细管光纤的微腔型光热微泵，这种能用于微流控芯片的毛细管光纤光热微泵制备简单，一致性好，便于嵌在芯片中，适合规模化大批量生产。同样在微米尺度操作微量液体中可以代替微流注射泵等大尺寸进样设备，为高通量化学、生物、医药分析检测提供优异的研究和应用平台，为微流控芯片在化学、生物、医药等领域高通量分析及检测的外围控制设备提供了一种便捷的方法。(四)附图说明

[0028] 图1(a)是环形芯毛细管光纤截面结构图；(b)是环形芯毛细管光纤截面实物图，包括空气孔1-1，纤芯1-2和包层1-3。

[0029] 图2是环形芯毛细管光纤的微腔型光热微泵示意图。

[0030] 图3对流换热情况下的边界层示意图。

[0031] 图4是等壁面热流密度条件时的(a)充分发展温度场和(b)圆管型微泵腔的温度变化。

[0032] 图5是具有多个微流物质微孔通道结构的环形芯毛细管光纤的微腔型光热微泵示意图，包括光波通道2-1，进入口2-3和排出口2-4。

[0033] 图6是嵌入了环形芯毛细管光纤的微腔型光热微泵结构的微流控芯片结构示意图。(五)具体实施方式

[0034] 下面结合附图和具体的实施例来进一步阐述本发明。实施案例1：

[0035] 图1示出了毛细管光纤的截面图，该毛细管光纤是由薄层，折射率略比包层材料高的环形纤芯，以及可以作为尾流物质通道的空气孔结构组成。

[0036] 图2示出该环形芯毛细管光纤的两端经过加热熔缩，使毛细孔被塌缩闭合，分别形成两个实心的光波通道2-1，从而成为与外部能量光源相互连接的光接口。两端光接口中间形成一段密闭空气微腔2-2，采用侧面飞秒打孔技术在光纤外表面加工制作微流物质微孔通道，根据需要排布和分配微孔，明确进入口和排出口的位置和个数。基于该微泵的发生原理，把近光接口的微孔作为微流液体进入口2-3，远光接口的微孔作为微流液体的排出口2-4。

[0037] 不失一般性，我们以图6所示的具有2个圆形微流体微孔进入口和1个腰圆形排出口的毛细管光纤光热微泵的具体实施例来详细阐述本发明的具体实施步骤与实施方法。

[0038] (1)首先，取一段图1所示的毛细管光纤，去除涂覆层待用。

[0039] (2)然后通过加热的方法将其一端进行熔融塌缩闭合，根据所需光热微泵的功能设计微泵长度，再使其另一端完全闭合，这时两端闭合的环形芯光纤波导层将会形成一个圆形实心光波导6-1和6-2，中间形成一段密闭空气微腔6-3。

[0040] (3)接下来，采用飞秒激光刻蚀技术在靠近光纤闭合端垂直光纤表面刻蚀2个圆形微孔，作为待注入微流液体的进入口6-4和6-5，密闭空气微腔中间处刻蚀1个腰圆形微孔，作为排出口6-6。在加工该光热微泵的进入口和排出口时，微孔所分布的位置均与芯片中的微流通道有对应位置关系。

[0041] (4)然后将该光热微泵嵌入进微流控芯片中，由于微泵加工初期已对芯片的微通道位置加以测量，在密封芯片前微调微泵位置，使其与微泵的待测液体进入口和排出口与微通道口对准。

[0042] (5)最后两端塌缩的实心光波导与光源连接，以光动力作为液体驱动力，在芯片外的存液池6-7中加入一种待测液体，在另一个存液池6-8中加入另一种待测液体，两种液体被加热混合后通过微孔排出口进入到芯片通道内，代替传统外围大型注射泵来完成芯片的功能实现，废液从芯片外排液孔6-9排出。

[0043] 由于不同液体对不同波长光源吸收率不同，本实施案例中可以根据光和吸收率来更换光源和调节光强，以达到调节两种不同液体的混合程度和进样速度。

[0044] 在本实施例中，该基于毛细管光纤的光热微泵的微流物质微孔通道的数量m是3个，微孔形状为圆形和腰圆形，同样的，微孔数量也可以拓展为多个(m＞3，m为整数)，形状也可以拓展为正方形、椭圆形、长方形等。这些数量、形状、尺寸的改变均会影响到该微泵的测试指标，这需要在具体的实际应用中，根据芯片的功能需求做具体的参数设计。实施案例2：

[0045] 我们以图7所示的具有10个正方形微流体微孔进入口和3个圆形排出口的毛细管光纤光热微泵的具体实施例来详细阐述本发明的具体实施步骤与实施方法。

[0046] (1)首先，取一段图1所示的毛细管光纤，去除涂覆层待用。

[0047] (2)然后通过加热的方法将其一端进行熔融塌缩闭合，根据所需光热微泵的功能设计微泵长度，再使其另一端完全闭合，这时两端闭合的环形芯光纤波导层将会形成一个圆形实心光波导7-1和7-2，中间形成一段密闭空气微腔7-3。

[0048] (3)接下来，采用飞秒激光刻蚀技术在靠近光纤闭合端处垂直光纤方向，围绕外表面刻蚀10个均匀分布的正方形微孔，作为待注入微流液体的进入口群7-4，密闭空气微腔中间处刻蚀3个圆形微孔，作为排出口群7-5。在加工该光热微泵的进入口群和排出口群时，微孔所分布的位置均与芯片中的微流通道有对应位置关系。

[0049] (4)然后将该光热微泵嵌入进微流控芯片中，由于微泵加工初期已对芯片的微通道位置加以测量，在密封芯片前微调微泵位置，使其与微泵的待测液体进入口和排出口与微通道口对准。

[0050] (5)最后两端塌缩的实心光波导与光源连接，以光动力作为液体驱动力，在芯片外的存液池7-6和7-7中加入同种待测液体，两种液体被加热推进后通过微孔排出口进入到芯片通道内，代替传统外围大型注射泵来完成芯片的功能实现，废液从芯片外排液孔7-8排出。

[0051] 由于不光能量在传输过程中会通过变成热能等形式被损耗减少，所以在输入光强不变的情况下，距离光输入端距离越远，所剩余的光能量就越少，转化为微流液体的热能也会随之减小，相应的液体流速就会减弱，光热微泵所表现出的液体推进力就会变小，从而进入到芯片中微流通道的速度会有所不同，该案例中每个液体排出口的速度分布应呈对称分布，即从两边到中间的速度为由快至慢逐级递减，中间排出口的液体速度为最慢，若想要此3路排出液体速度在芯片中进入下一功能区前变为相同，可在排出口前增加液体行程来实现。