CN116393183A - 一种基于声子晶体结构进行粒子分选的微流控装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于声子晶体结构进行粒子分选的微流控装置，其包括压电叉指换能器结构，使用超声耦合胶粘接在压电叉指换能器结构上层的声子晶体结构，声子晶体结构包围的体声波反射区域，体声波反射区域内的微流道结构，微流道结构上方的封装层，封装层内的一个微流道入口和三个微流道出口。本发明公开了基于声子晶体结构进行粒子分选的微流控装置，具有高通量和低剪切力的特点，大量分选的同时不会损伤分选样本中微粒的生物活性。本发明中，仅使用单个声波的激励装置即压电叉指换能器结构实现粒子分选，然后使用超声波耦合胶将上层的声子晶体结构粘接在压电叉指换能器上，有效控制声波的同时减少了叉指换能器的数量。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学领域，特别涉及一种基于声子晶体结构进行粒子分选的微流控装置。
背景技术
异质颗粒和细胞混合物分离是化学科学、生物学和医学领域中各种应用的重要任务，特别是对于基于细胞的治疗和医学研究，分离不同的细胞并从细胞溶液中去除不需要的颗粒如细菌和碎片，对于诊断和治疗相关疾病是至关重要的。研究人员通过使用电场、磁场和声场等外场作用，或利用特殊的微结构及其诱导产生的微流体效应，开发出多种不同的微流控分选装置。其中利用体声波产生声场的主动分选技术，因其快速响应、高通量和低剪切力的优点而得到广泛关注。
当液体存放在一个长方体形状，由固体基板制成的微流道中，如果微流道底部和侧壁固体基板内均存在行进的体声波，由于固体基板和液体的声速不匹配，体声波就会以折射的方式由固体基板耦合进入液体中，称为液体内的漏波。当固体基板内存在两列方向相反的体声波时，耦合进入液体之后也将存在两列方向相反的漏波，这两列波会产生相干效应，由此便产生一些声学力，这些力将在固定的区域达到平衡，这些区域称为压力节点和压力反节点。只要悬浮在微流道液体内的粒子直径远小于漏波波长的一半，这些声学力就能驱动粒子运动，不同密度的粒子将会朝着压力节点或者压力反节点运动，并且直径越大的粒子运动的速度越快，根据此原理可以实现粒子分选。
近几十年来，声子晶体器件被成功地应用在射频通信、声光调制以及微机械减振等领域。近些年来，声子晶体在微流控领域的应用是一个新的研究方向，利用声子晶体可以反射频率在其禁带范围内的声波这一特性，可以有效控制声波的传输方向，从而控制声波折射到微流体内产生的声学力方向，实现复杂的微流控功能。另外由于声子晶体的制作使用的是平面光刻加工工艺，使得器件的制造具有低成本、大批量的特点，声子晶体在微流控领域的应用是一个很好的选择。
目前常见的利用声学方法进行微流控粒子分选装置，普遍采用在压电器件上制作多组叉指电极，利用产生声波的叉指电极摆放方向的不同来控制声波的传输方向，但这种方法中器件的材料成本和加工成本高，器件不具有可装配性，不适合大批量制作。针对以上问题，以下提供一种解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于声子晶体结构进行粒子分选的微流控装置，能够降低传统器件成本的同时，将声子晶体应用到微粒声分选这一新功能上。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
本申请中，包括由下到上依次设置的压电声波激励装置、超声波耦合材料、声学波控制区域、微流道结构、长方体封装结构。
本申请中，所述压电声波激励装置是在128°Y-X铌酸锂压电材料上制作叉指电极，通交流电后产生周期性的电场，利用所述压电材料的逆压电效应，在压电材料表面产生传播方向与叉指电极垂直，具有与周期性电场同频率的声表面波。
本申请中，所述超声波耦合材料主要由水溶性胶状材料组成，用来将所述压电声波激励装置产生的声表面波，转移到所述上层的声学波控制区域，在上层产生体声波并使体声波在声学波控制区域内工作。
本申请中，所述的声学波控制区域至少包括：声子晶体和体声波反射区域。所述声子晶体，是在基板上，使用深反应离子刻蚀工艺加工得到的布拉格散射声子晶体，基板是(100)晶向的单晶硅材料，散射体的形状是圆柱形通孔，晶格单元的平面形状是正方形。所述体声波反射区域，是在作为体声波传播介质的硅基板上设置一个，由周期性分布的声子晶体单元围成的矩形区域，用来控制体声波在所述硅基板内的传输和分布。
本申请中，所述长方体封装结构材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，包括比所述微流道结构略宽的长方体，和贯穿长方体的通孔。
所述长方体封装结构，用来封闭下层的微流道结构。为微流道提供微流体入口和出口的同时，减小微流体在微流道内流动过程中的挥发。
所述贯穿长方体的通孔，一共有四个，均为圆柱形通孔。分为一个微流体入口通孔，和三个微流体出口通孔。在入口处通孔直径与下方微流道的宽度一致，而在出口处由于下方微流道的收集口宽度较小，不利于外界对分选后的微流体进行收集，因此将出口处通孔直径设计的比微流道的收集口宽度大。
本申请中，所述微流道结构是分选混合微粒的关键部分。包含在所述的体声波反射区域中，被所述长方体封装结构盖住。所述微流道结构包括一个微流道和三个粒子收集口，在工作时声波会从所述体声波反射区域折射进入微流道中的液体。
本申请中，装置工作时，携带有两种不同直径混合悬浮颗粒的微流体样本，由外部储藏样本的装置通过塑料管道流到所述长方体封装结构的入口，然后从封装结构的入口进入所述微流道，经过微流道之后可以将液体内混合悬浮颗粒，按照不同的直径大小分开。不同的悬浮颗粒进入所述微流道内不同的粒子收集口，然后从收集口流入所述长方体封装结构的出口，经出口流出并在装置外部收集。
如上所述，本申请基于声子晶体结构进行粒子分选的微流控装置具有以下优点：本申请仅需在压电材料上制作单组叉指电极，产生的声表面波通过超声耦合胶耦合到硅基板上的声学波控制区域，进而使得经过声子晶体控制之后的声波折射进入微流道中的液体，可以将微流道液体内的混合悬浮粒子根据不同的直径进行分选。在传统的声分选器件需要制作多组叉指电极，以产生不同方向声波的基础上，减少了叉指电极的数量，降低了制作成本；本申请在硅片上制作微流道结构，降低了微流道的制作成本和材料成本，并且由于使用超声耦合胶粘接的方式组装器件使得装置可拆卸，可以使最下层成本较高的压电声波激励装置得到重复利用。
附图说明
图1为实施例基于声子晶体结构进行粒子分选的微流控装置整体外观图，其中对封装层和封装层下面盖住的微流道结构进行了放大；
图2为实施例基于声子晶体结构进行粒子分选的微流控装置的装配结构示意图；
图3为实施例基于声子晶体结构进行粒子分选的微流控装置中声波激励装置的结构，即叉指换能器结构示意图；
图4为实施例微流控装置的声波激励装置和声学波控制层之间的连接层，超声波耦合胶形状示意图；
图5为实施例微流控装置中，声学波控制层的结构示意图；
图6A为实施例微流控装置中，声学波控制层的声子晶体细节示意图，包括硅基板，和通孔形状的散射体；
图6B为实施例微流控装置中，声学波控制层的微流道结构细节示意图，包含一个主流道和尾端三个收集口；
图6C为实施例微流控装置中，声子晶体单元结构的细节示意图；
图7A为实施例微流控装置中，体声波由体声波反射区域折射进入微流道中液体的过程；
图7B为实施例微流控装置中，体声波折射进入微流道液体中形成的声学力，和由此形成的压力节点和压力反节点区域；
图8A为实施例微流控装置中，声子晶体基板上入射波和反射波的传播方向示意图；
图8B为实施例微流控装置中，入射波和反射波耦合进入微流道内形成压力节点示意图；
图8C为实施例微流控装置中，微流道内不同直径的悬浮粒子由混合到分开的示意图；
图9A为实施例微流控装置中，微流道的封装层整体结构示意图，该封装层位于微流道的上方；
图9B为实施例微流控装置中，微流道的封装层与下层微流道的对准示意图。
附图标记：1、压电材料衬底；2、金属叉指电极；3、超声波耦合胶层；4、单晶硅材料衬底；5、声子晶体结构；6、体声波反射区域；7、微流道结构；8、封装层；9、微流道的小直径粒子收集口；10、微流道的大直径粒子收集口；11、硅-空气结构声子晶体的硅基底；12、硅-空气结构声子晶体的圆柱体通孔，内部为空气；13、贯穿封装层的粒子入口通孔；14、贯穿封装层的小直径粒子出口通孔；15、贯穿封装层的大直径粒子出口通孔。
具体实施方式
以下所述仅是本发明的优选实施方式，保护范围并不仅局限于该实施例，凡属于本发明思路下的技术方案应当属于本发明的保护范围。
参阅图1，本发明实施例涉及一种基于声子晶体结构进行粒子分选的微流控装置。如图1及图2所示，该微流控装置包括：压电材料衬底1、叉指电极2、超声波耦合胶层3、单晶硅衬底4、声子晶体结构5、体声波反射区域6、微流道结构7、微流道的封装层8。其中压电材料衬底1和叉指电极2组合形成叉指换能器，用于产生声波；在单晶硅衬底4和压电材料衬底1之间涂覆超声波耦合胶层3，用于将压电材料1上产生的声波转移到单晶硅衬底4上；通过在单晶硅衬底4上制作声子晶体结构5，并留出体声波反射区域6用于控制声波的传播方向；通过在单晶硅衬底上的体声波反射区域6制作微流道结构7，为混有悬浮粒子的微流体样本提供一个分选通道的同时，利用体声波反射区域6对声波的限制作用产生特定的声学力，作用在悬浮粒子上，实现分选；在微流道结构7上方制作一个封装层8，为微流道提供一个封闭顶盖的同时，也为微流道与外界交换样本提供进出口。
其中压电材料衬底1由于其具有逆压电效应，在其表面施加周期性的电场，可以产生与周期性电场同频率的声表面波，一般可选压电材料为铌酸锂(LiNbO3)、氧化锌(ZnO)和氮化铝(AlN)等。在本发明实例中，压电衬底选取128°Y切向X方向传播的铌酸锂，材料声速约为c＝3992m/s。
可以在压电衬底材料表面制作叉指电极2，以产生周期性的电场，进而产生的声表面波传播方向如图3所示，是垂直于叉指电极的。在本发明实例中，为产生强度足够大的声表面波，叉指电极2是由一层20nm厚的钛黏附层和一层200nm厚的金导电层，使用淀积工艺制作在压电材料衬底上，为使压电材料衬底产生频率为f的声表面波，金属电极的宽度w和间距d设计依据为：w＝d＝c/(4f)。
如图4所示，为超声波耦合胶层3，用于将在压电材料衬底上产生的声表面波耦合到上层单晶硅衬底上。超声耦合胶的材料一般由水溶性分子材料组成，本发明实例中使用的超声耦合胶主要成分为三氯羟基二苯醚，使用时将厚度约为300-500um的超声耦合胶均匀涂在压电材料上声表面波传播的区域。
使用超声耦合胶层3可以将声波由压电材料表面产生的声表面波，转移到单晶硅衬底4，并且在单晶硅衬底中声波的传输方式为体声波。
如图5所示，在单晶硅衬底4上制作有周期性声子晶体结构5、体声波反射区域6和微流道结构7。其中周期性声子晶体结构的细节如图6A所示，在单晶硅衬底上设计的区域内，刻蚀出周期性的圆柱形通孔作为每一个声子晶体单元的散射体，并且每个圆柱形通孔的间距都是相同的，因此每一个圆柱体通孔12和它周围的单晶硅材料11都形成了一个，如图6C所示的正方形晶格声子晶体单元。微流道结构7的细节如图6B所示，包括一个主流道和三个收集口。
声子晶体单元最重要的物理性质就是禁带特性，即能够阻隔并反射频率在其禁带频率范围内的入射声波。
在以往对于微流控的声分选研究中，发现可以利用声相干波在微流道内产生压力节点，从而捕获在微流道内的悬浮粒子至压力节点处。如图7A所示为矩形微流道的横截面，当在微流道液体的底部，行进的体声波接触到液体时，液体相对于衬底的粘度增加，导致部分声波折射到液体中，折射角度为
其中cl和cs分别为，在微流道液体内的声波速度和制作微流道的固体基板内的声波速度。当在微流道液体的侧壁处，行进的声波接触到液体时，声波将以不变的方向折射进入液体，折射角度为0。
在本发明实例中，利用声子晶体产生两列方向相反，有固定相位差的体声波，如图7B所示，则这两列波折射进入液体之后，会在液体内相互叠加，产生声相干波场。由此产生如下声学力：声辐射力Frad和声流诱发的粘滞阻力Fdrag，作用在液体内的悬浮粒子上，此外悬浮粒子还受到自身的重力G和浮力Ff的作用，如图7B所示。
声辐射力：
粘滞阻力：Fdrag＝3πηdp(vp-vf)
其中p0为液体内的声压，Vp为悬浮粒子的体积，βf为液体的可压缩率，λ和k分别为折射进入液体内的声波波长和波矢，x为粒子距离压力节点区域的垂直距离，ρf和ρp分别为液体的密度和悬浮在液体内粒子的密度，η为液体的动力粘度，dp为悬浮粒子的直径，vf和vp分别为液体的流速和悬浮在液体内粒子的运动速度。
称为声学对比系数，当/>
时，在Frad和Fdrag共同作用下悬浮粒子向压力节点移动，反之当/>
时，悬浮粒子向压力反节点移动。声学力驱使球状粒子运动的加速度为：/>
在本发明实例中，声子晶体具有其特有的禁带特性。使用压电衬底产生频率在声子晶体禁带范围内的声波，经过超声耦合胶进入硅基板之后形成体声波，该体声波进入体声波反射区域之后遇到声子晶体边界会形成反射，进而反射声波与入射声波形成干涉，并折射进入微流道7内形成压力节点。因此在周期性声子晶体结构包围的区域中设计了一个体声波反射区域6，用来输入声波和接收反射声波，反射区域是一个在平面4内使用声子晶体结构5围成的矩形区域。声波在单晶硅衬底上的入射和反射路径如图8A所示，入射波和反射波都通过流固耦合的方式进入微流道内的液体，并形成干涉效应，如图8B所示，压力节点近似分布在微流道的中轴线附近的一条线上。
在本发明实例中，如图8C所示，最终可以实现从黑色和白色混合粒子中分离出白色粒子。在混合有两种不同直径悬浮粒子的液体，从微流道的起始端以合适速度流到收集口的过程中，悬浮粒子受到声学力的作用会向微流道中间处的压力节点移动。黑色球状粒子的直径较大，进而声学力驱使其运动的加速度也较大，反之直径较小的白色球状粒子运动的加速度较小，所以黑色粒子向压力节点运动的速度也越快，能更早的运动到压力节点处。最终可以形成如图8C所示的结果，直径较小的白色粒子运动到两侧收集口9，而直径较大的黑色粒子和少数白色粒子一起运动到中间收集口10。通过这种方法可以快速提取出高纯度的小直径白色粒子，在此之后将收集口10中得到的样本经过多次分选，也可以提取出较高纯度的大直径黑色粒子。
上述的操作中，描述的是液体在微流道内运动的过程，而完整的粒子分选过程是，将装置通电之后，从外界将样本输送到微流道内，并且同时需要从微流道内将分选后的样本收集到外界。但是由于微通道的收集口一般较窄，不能直接使用管道将其与外界连接，因此本发明实例中设计了如图9所示的微流道结构的盖板，作为微流道的封装层，同时也为微流道与外界的连接提供了较大的进出口。
如图9A所示，在封装层7的结构里面，通孔13用来从外界输送携带有混合粒子的液体进入下方微流道，通孔14和15分别用来收集下方微流道的粒子收集口9和10内的粒子。
封装层7与下层单晶硅衬底的固定方式是，利用等离子体对单晶硅衬底的表面进行处理使其表面附带一层化学键，然后将封装层的进出口与单晶硅衬底上的微流道对准进行键合，封装层与微流道的对准如图9B所示，通孔13的底面是对准下方微流道的起始端，通孔14和15的底面分别对准下方微流道的收集口9和10。封装层7的材料是聚二甲基硅氧烷(PDMS)，在长方体形状的PDMS上指定位置处，制作四个合适直径的通孔即可得到封装层7。
综上所述，本发明在周期性分布的正方形晶格声子晶体围成的体声波反射区域中，引入微流道结构，成功将声子晶体应用在微流控领域的声分选功能上。本发明中利用叉指电极在压电材料衬底上表面产生周期性的电场，再利用压电材料的逆压电效应产生了声表面波，随后仅需将声表面波转移到上层单晶硅衬底中，而传统的声驻波粒子分选器件需要制作多组方向相对的叉指电极，以产生方向相对的声表面波，本发明成功减少了叉指电极的数量；本发明中微流控的关键部分是在单晶硅衬底上制作，加工成本和材料成本均较低。所以，本发明成功地在传统的声分选器件基础上降低了制作成本而具有高度的产业利用价值。
以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于声子晶体结构进行粒子分选的微流控装置，包括压电声波激励装置、超声波耦合胶层(3)、二维声子晶体结构(5)和封装盖板，其特征在于，所述二维声子晶体结构(5)位于压电声波激励装置一侧的上方，且所述二维声子晶体结构(5)通过超声波耦合胶层(3)与压电声波激励装置连接，所述二维声子晶体结构(5)表面设有体声波反射区域(6)，所述体声波反射区域(6)上设有粒子分选微流道，所述粒子分选微流道上设有封装盖板。
2.根据权利要求1所述的一种基于声子晶体结构进行粒子分选的微流控装置，其特征在于，所述压电声波激励装置包括压电材料衬底(1)，所述压电材料衬底(1)表面设有金属叉指电极(2)。
3.根据权利要求1所述的一种基于声子晶体结构进行粒子分选的微流控装置，其特征在于，所述超声波耦合胶层(3)设有超声波耦合胶，所述超声波耦合胶为水溶性分子材料，所述超声波耦合胶位于所述体声波反射区域(6)与所述压电声波激励装置之间。
4.根据权利要求1所述的一种基于声子晶体结构进行粒子分选的微流控装置，其特征在于，所述二维声子晶体结构(5)为二维正方形晶格硅-空气声子晶体，所述二维声子晶体结构(5)包括固体基板和设置于固体基板上的声学波散射结构，所述固体基板为硅基板，所述声学波散射结构为圆柱形通孔，所述声学波散射结构按照正方形晶格结构分布在所述硅基板上。
5.根据权利要求1所述的一种基于声子晶体结构进行粒子分选的微流控装置，其特征在于，所述体声波反射区域(6)包括体声波传播介质和设于体声波传播介质周围的声子晶体结构，所述体声波传播介质为长方体板状的硅材料，所述声子晶体为二维正方形晶格硅-空气声子晶体，所述体声波反射区域(6)用于反射通过体声波传播介质进入该区域的体声波，以使反射波与入射波叠加，从而在反射区域内形成相干波。
6.根据权利要求1所述的一种基于声子晶体结构进行粒子分选的微流控装置，其特征在于，所述粒子分选微流道包括微流体流动通道和三个收集口，所述粒子分选微流道位于体声波反射区域(6)内，三个所述收集口均设置于微流体流动通道的一端，三个所述收集口用于收集分选后不同直径粒子。
7.根据权利要求1所述的一种基于声子晶体结构进行粒子分选的微流控装置，其特征在于，所述封装盖板包括长方体形状的固体盖板、一个微流体入口和三个微流体出口，所述微流体入口位于固体盖板的一端，三个所述微流体出口均位于固体盖板的另一端，所述长方体形状固体盖板为聚二甲基硅氧烷基板，所述粒子分选微流道的封装盖板位于粒子分选微流道的上方。
8.根据权利要求5所述的一种基于声子晶体结构进行粒子分选的微流控装置，其特征在于，当所述粒子分选微流道内有液体时，所述相干波可以折射进入液体中，以对悬浮在所述微流道液体中的微粒产生力的作用，从而捕获微粒至力的平衡点处。
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2023
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| CN116656489B (zh) * | 2023-07-28 | 2023-10-27 | 中南大学 | 一种分选体液中外泌体的驻波声流控器件及其使用方法 |
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