[發明專利]一種超聲移液裝置及基于相控陣技術實現超聲移液的方法

在審

• 申請號: 202010007801.6
• 申請日: 2020-01-05
• 公開（公告）號: CN113070106A
• 公開（公告）日: 2021-07-06
• 發明（設計）人: 栗大超;郭慶;于海霞
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: B01L3/00
• 分類號: B01L3/00;B01J19/10
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程小艷

本發明公開了一種超聲移液裝置及基于相控陣技術實現超聲移液的方法，提供了一種利用聚焦超聲從包含多種試劑的源流體池陣列中噴射液滴，使液滴朝著目標基材的特定位置噴射沉積，實現試劑分配的方法。該裝置的源流體池陣列中，各個流體池單元可以容納不同的試劑。通過引入小型化陣列化超聲換能器，例如壓電式/電容式微機械超聲換能器(PMUT/CMUT)，以電學驅動自聚焦的形式從源流體池陣列中噴射液滴，不僅能實現高通量試劑分配，還能通過聚焦點位置的高精度調整，滿足微量試劑的精準轉移，為小型化、高通量、微量試劑轉移裝置的構建提供關鍵技術方案。

技術領域

本發明屬于無機、有機和生物分子化學領域，涉及聚焦聲能實現高通量試劑轉移技術領域，更具體地涉及利用相控陣的形式來調節陣列化超聲換能器(PMUT/CMUT)聚焦深度和聚焦點位置的移動，實現多個貯存器中的液滴激發，具體涉及一種超聲移液裝置及基于相控陣技術實現超聲移液的方法。

背景技術

精確轉移和處理流體的方法與裝置已被頻繁應用于各種商業和工業應用中，例如目前蓬勃發展的生物技術和生物制藥行業需要高純度、高通量轉移試劑來有效地進行化合物庫的篩選。

當前通過產生液滴沉積到目標基材表面的方法主要分為接觸和非接觸式沉積方法兩種。接觸沉積方法通常需要使用銷釘或毛細管，通過與樣品的物理接觸促進試劑轉移，重現性很低。此外，流體與目標基材之間的接觸會引入試劑交叉污染，但是如聚合酶鏈反應(PCR)等生物技術，對污染零容忍。非接觸式打印設備(例如壓電、熱噴墨、電磁閥和脈沖場噴射器)則沒有這些限制，通過施加壓力脈沖可以從小毛細管中分配出均勻的液體微滴。由于沒有接觸，這些設備無需擔心交叉污染。非接觸式微量分配的第二個優點是可以通過更改噴射參數以微調液滴分配速率及尺寸。然而，毛細管或噴嘴驅動的微分配器的一個顯著局限是高基質濃度和高溶劑揮發性的試劑通常會導致毛細管的部分或完全堵塞，引起液滴噴射不穩定。

超聲移液是一種無需毛細管或噴嘴即可產生微滴的新穎技術。該技術利用聚焦聲能將短脈沖從敞開的源流體池下方引導到液體表面上。根據陣列化超聲換能器的特性，所施加的射頻(RF)能量可以從液體表面以0.1pL到大于10μL的范圍內噴射均勻的液滴，而無需擔心液滴的方向錯誤或造成堵塞。

然而，傳統壓電聚焦換能器的體積大，無法匹配高密度源流體池陣列，難以實現微量液體的高通量分配，也不滿足構建小型化超聲移液裝置的目的。另外聚焦點位置依托變幅桿的機械移動實現微調，移動速度慢、誤差大、效率低，無法實現試劑的精準轉移。因此，在本領域中迫切需要靈活的超聲移液方法和裝置。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術不足，提供一種一種超聲移液裝置及基于相控陣技術實現超聲移液的方法。

本發明為解決背景技術中的技術問題，采用的技術方案如下：一種超聲移液裝置，包括陣列化超聲換能器、相控陣控制電路、超聲波驅動電源、源流體池陣列、介于陣列化超聲換能器和源流體池陣列之間的耦合介質、脈沖回波分析儀、用于附著液滴的目標基材以及控制目標基材移動的三維位移平臺；

所述超聲波驅動電源和相控陣控制電路控制陣列化超聲換能器聚焦；

所述脈沖回波分析儀實現對所述源流體池陣列測距。

所述陣列化超聲換能器包括但不限于壓電式或電容式微機械超聲換能器兩種。

所述耦合介質是指具有聲阻抗的流體介質，該聲阻抗與源流體池的聲阻抗基本相同。

陣列化超聲換能器陣元的排布采用陣列化二維圓環方式布局，單個二維圓環單元包括若干按照同心圓呈環形分布的陣元環，沿一維環型相控陣的直徑方向將陣元環等分成幾份，從而形成二維環型相控框架，達到電子控制聲學聚焦的效果。為了改善波束聚焦指向性，減小旁瓣幅值，單個二維圓環單元的同心圓環數n≥5，每個陣列換換能器的圓環單元數≥2。