[發明專利]基于聲表面波的可重復使用高粘液滴生成裝置

在審

• 申請號: 202110026424.5
• 申請日: 2021-01-08
• 公開（公告）號: CN112827518A
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發明（設計）人: 劉趙淼;趙思宇;王颶;李夢麒;逄燕
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: B01L3/00
• 分類號: B01L3/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發明公開了基于聲表面波的可重復使用高粘液滴生成裝置，通過向叉指換能器施加交流信號激發出沿壓電基底表面傳播的聲表面波，微米級波長的聲表面波與微納米級別流體可良好兼容，此時作用于兩相交匯界面處的聲表面波可誘導分散相液柱頸縮，進而實現高粘度液滴的均勻穩定生成。在微流控芯片與壓電基底的可逆鍵合方面，采用20微米厚度的硬質PDMS薄膜作為微通道底部，由于薄膜厚度較小，且硬質PDMS材料吸收聲波的能力較弱，可避免聲波在傳播至微通道內部途中被微通道結構底部的PDMS結構大量吸收。無需將通道與壓電基底直接鍵合，提高裝置的可重復利用性，降低使用成本。本裝置為高粘液滴生成提供了穩定性高、均一性好、可重復利用且成本低的解決方案。

技術領域

本發明涉及新型基于聲表面波的可重復使用高粘液滴生成裝置。本發明屬于微流控技術應用領域。

背景技術

液滴微流控技術的關鍵特征是利用液滴作為微型反應腔，為待測樣品的生化反應、定向輸運和定量分析提供了微型的封閉系統。液滴體積的微型性可有效減少樣品消耗量和反應時間，同時液滴的獨立性可有效避免樣品交叉污染從而提高系統穩定性，是提高生化分析精度和效率的有效工具。液滴體積的高精度調節、實時控制以及液滴穩定生成是提高液滴反應腔工作性能的關鍵性因素。傳統液滴微流控芯片在分散相粘度較高時很難直接穩定生成尺寸均勻的液滴。近年來隨著液滴微流控技術在材料合成、藥物運載以及生物3D打印等領域的不斷發展，對聚合物溶液以及生物組織水凝膠等高粘度流體的微尺度控制成為研究熱點，但目前在高粘液滴生成技術上仍存在以下問題：

(1)傳統的微流控芯片很難實現粘度高于100mPa·s液滴的穩定生成。目前可通過引入氣相作為第三相將高粘分散相拉出的細絲剪切斷形成液滴，然而這種氣相流速難以控制，無法保證高粘度液滴尺寸的均一性。

(2)通過稀釋高粘度溶液或者直接利用兩組分之間的反應也可以制備高粘度液滴，例如高粘度海藻酸鈉和氯化鈣混合溶液作為分散相通入微流控芯片，但該混合溶液很難剪斷形成液滴，同時這種方法會改變流體性質，進而對液滴的功能造成影響。

(3)利用低粘度流體包裹高粘度流體可輔助生成雙乳液滴，然而在實際應用過程中液滴難以成型，液滴尺寸均一性存在問題，同時高粘液滴作為內核存在有效提取的問題。

(4)液滴反相技術可實現高均一性高粘液滴生成，該方法首先利用高粘度流體剪切生成低粘度液滴，隨后通過控制微通道親疏水性促使低粘度液滴外的潤滑膜發生破裂從而導致液滴反相，變為低粘度流體包高粘度微滴。基于該方法雖然有效提高液滴均一性，但是液滴尺寸難以精確控制，且微通道區域性改性大幅提高裝置加工難度，難以作為批量化生產的高粘度液滴生成裝置。

(5)聲表面波作為外加力場，通過與微流控液滴生成芯片相結合，可誘導高粘液滴均勻、穩定生成。聲表面波的發生裝置由壓電基底和加工于上表面的叉指換能器構成，為實現聲表面波與微流體的有效結合，通常將微流控芯片直接鍵合于壓電基底上部，但是這種鍵合是不可逆的，當微流控芯片發生堵塞、破損等問題時，壓電基底無法回收，只能和芯片一同報廢，降低了裝置的重復利用率，提高了加工成本。

本次發明主要針對以上高粘度液滴生成技術尺寸控制精度低、穩定性低以及均一性差等問題，設計了新型基于聲表面波的可重復使用高粘液滴生成裝置，該裝置涵蓋了基于聲表面波的液滴生成技術以及微流控芯片與壓電基底的可逆鍵合技術。其中聲表面波作為一種沿基底表面傳播的彈性聲波，具備裝置簡單、響應迅速以及非接觸性等優勢，為主動式高粘度液滴生成提供了新方案。將聚焦型叉指換能器焦點對準縮孔型通道交匯處，此時向叉指換能器施加交流信號即可激發出沿壓電基底表面傳播的聲表面波，作用于兩相交匯界面處的聲表面波可誘導分散相液柱頸縮，進而實現高粘度液滴的均勻穩定生成。在微流控芯片與壓電基底的可逆鍵合方面，本裝置采用20微米厚度的薄膜作為微通道底部，由于薄膜厚度較小，可有效避免聲波被PDMS完全吸收，同時無需將通道與壓電基底直接鍵合，提高了裝置的可重復利用性，并降低裝置使用成本。綜上可知，本裝置為高粘液滴生成提供了穩定性高、均一性好、可重復利用且成本低的解決方案。

發明內容