[發明專利]一種用于微粒子分離的超聲表面駐波微流控芯片設計方法

有效

• 申請號: 202010549544.9
• 申請日: 2020-06-16
• 公開（公告）號: CN111659479B
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發明（設計）人: 郭霞生;劉子星;章東
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: B01L3/00
• 分類號: B01L3/00
• 代理公司: 江蘇瑞途律師事務所 32346
• 代理人: 金龍

本發明公開一種用于微粒子分離的超聲表面駐波微流控芯片設計方法，屬于微流控分析技術領域。針對現有技術中存在的粒子分離微流控芯片中，超聲表面駐波作用區域的參數設計僅依據經驗判斷，粒子分離效率不高，浪費大量時間和成本的問題，本發明提供一種用于微粒子分離的微流控芯片設計方法，基于超聲表面駐波微流控芯片中微粒子受力和運動的理論，先微粒子的分離參數和芯片的結構組成，確定芯片工作頻率和液流參數，進一步確定叉指換能器及微流腔的設計參數，最后確定腔體設計和芯片工作參數，基于超聲表面駐波微流控芯片的粒子分離技術，降低器件制備難度，提高粒子分離效率。

技術領域

本發明涉及微流控分析技術領域，更具體地說，涉及一種用于微粒子分離的超聲表面駐波微流控芯片設計方法。

背景技術

近年來，超聲微流控以其無接觸、無標記和生物兼容性好的特征，引起廣泛的關注。利用超聲微流控芯片可以對微粒子或細胞等進行操縱、聚焦、排列和分離等。超聲微流控芯片可分為基于超聲體波和基于超聲表面波兩種類型。與基于體波的方法不同，基于超聲表面波的方法不依賴于通道壁產生的共振，有著靈活的設計空間和很強的應用潛力。在表面波芯片中，駐波型芯片具有較高的聲能量密度，應用廣泛。

對用于粒子分離的超聲表面駐波微流控芯片，其結構一般包含壓電基底，附著在基底上的叉指換能器，鍵合或粘接于基底上的微通道，以及用于驅動叉指換能器的電學驅動結構。其中，壓電基底的材料可選用壓電陶瓷(如鋯鈦酸鉛)、壓電晶體(如鈮酸鋰)或表面附著壓電薄膜(如氧化鋅)的任意固體材料(如石英玻璃)；微通道的材料可選用玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等；叉指換能器由一系列平行金屬電極組成，可通過化學方法或物理方法制備，電學驅動結構則包括信號源和功率放大電路等。

此類芯片的一個重要應用是進行微尺度粒子的分離、分選、提純等。粒子分離型芯片工作時，兩個相對放置、指條平行的叉指換能器分別發射超聲表面波，在基底表面形成駐波場。該駐波在腔體覆蓋的區域內泄漏進入腔內流體中，對流體內的粒子施加超聲輻射力。由于不同粒子的性質差異(如尺寸、密度或聲速差異等)，其在超聲表面駐波作用下的受力情況也明顯不同，最終使不同類型的粒子呈現不同的運動軌跡。由于腔內流體一般是連續流動的，不同類型粒子在腔體內因此形成不同的流動軌跡，最終可進入腔體下游的不同出口，實現分離。

為實現上述粒子分離過程，微流控芯片的微流腔需要包含入口區域、預聚焦區域、超聲表面駐波作用區域、出口區域等。但目前大多數的已發表或公開的粒子分離微流控芯片中，在超聲表面駐波作用區域的設計參數選擇方面上缺乏理論指導，設計人員一般僅依據經驗判斷，然后通過多次制備芯片和實驗測試，才能達成粒子分離的目的。這種經驗判斷、多次實驗的方法，難以使粒子分離的效率達到最優，同時會浪費大量的時間和成本。因此，為推廣基于超聲表面駐波微流控技術的微粒子分離芯片，有必要一種科學的設計方法。

現有技術基于超聲表面駐波微流控技術應用在微粒子分離方面有多種設計，如使用無鞘流結構的芯片；液體以超聲速進行渦旋的方式實現粒子分離；將流體通道劃分為階梯型結構；設置第一電極、第二電極、叉指電極和第三電極，并改變聲學力和粘滯力的比例等方式。其中并未提出對腔體尺寸、液體流速和超聲作用區進行任何特殊的原理設計，與本發明中的方法顯著不同。

中國發明專利《基于聲表面波的微納米粒子微流控芯片》(申請號：CN201822216199.8)公開一種基于聲表面駐波的粒子分離芯片，其中提出叉指換能器與主通道之間預設夾角q。但是該角度的設置具有隨意性，并未根據超聲輻射力、流體流速、粒子運動的動力學進行理論優化；此外，該發明中也未涉及對腔體尺寸、叉指換能器口徑的優化，與本發明中提出的優化方案有顯著不同。

發明內容

1.要解決的技術問題