一种基于体声波激励和移动气泡的微粒捕获与释放装置

摘要

一种基于体声波激励和移动气泡的微粒捕获与释放装置，可应用在生命工程、医学、微装配、化学分析等领域。装置包括微流控上芯片、PDMS薄膜、压电驱动器、玻璃基底和励磁线圈；微流控上芯片设置有进液口、主流道、侧流道与出液口；当气泡成功捕获微粒之后，将其储存在侧流道内，并根据需求释放回主流道。该装置采用微细加工工艺制成，压电驱动器产生的体声波会激励流道内的气泡发生径向振动，气泡的振动会对附近的微粒产生声辐射力，从而实现微粒捕获的功能。微腔体内石蜡体积的膨胀对薄膜施加作用力使PDMS薄膜变形，侧流道的体积发生变化，会改变侧流道内的压强，从而控制侧流道内携带有微粒的气泡的位置，来实现微粒移动的功能。

权利要求

1.一种基于体声波激励和移动气泡的微粒捕获与释放装置，其特征在于：从上至下依次包括微流控上芯片、PDMS薄膜、压电驱动器、玻璃基底和励磁线圈；其中，微流控上芯片设置有进液口、主流道、侧流道与出液口；

所述进液口和出液口，贯穿微流控上芯片；

所述主流道，深度为50μm-200μm，宽度为100μm-300μm，与进液口和出液口相连通；

所述侧流道，深度为50μm-200μm，宽度为50μm-150μm，位于主流道中部且垂直于主流道；

所述PDMS薄膜，厚度为50μm-150μm；

微腔体是玻璃基底上的圆形贯穿孔，直径为0.5mm-2mm；

石蜡复合材料包含石蜡、石墨和镍粉，三者的质量比为15:0.3:1，填充于微腔体中；

玻璃片I，粘贴于玻璃基底的下表面，将微腔体的一侧封闭；

所述压电驱动器，粘贴于玻璃基底上表面，并与微流控上芯片相邻；

压电驱动器引线电极I和压电驱动器引线电极II，分别连交流电源两个输出端，给压电驱动器通入交流电流；

玻璃片II，设置在玻璃片I下方；

励磁线圈，形状为圆形平面螺旋线圈，匝数为5匝-20匝，粘贴在玻璃片II上表面，并与微腔体的中心线对齐；

励磁线圈引线电极I和励磁线圈引线电极II，分别连交流电源两个输出端，给励磁线圈通入交流电流。

2.应用权利要求1所述装置的方法，其特征在于具体步骤如下：

(a)通过励磁线圈引线电极I与励磁线圈引线电极II向励磁线圈通入交变电流，励磁线圈周围产生交变磁场，微腔体中的石蜡复合材料在交变磁场中会产生涡流，涡流产生焦耳热，当达到熔点时，相变材料石蜡会变成液态并且体积膨胀，对上侧的PDMS薄膜施加作用力使PDMS薄膜变形；在主流道中注入悬浮有直径为5μm-20μm的微球的液体I，在主流道和侧流道的交汇处自主形成气泡；

(b)通过压电驱动器引线电极I与压电驱动器引线电极II向压电驱动器施加交变电压，由于压电效应，压电驱动器会产生机械变形，弯曲交替重复发生，在空气中产生声波；声波激励下气泡发生径向振动，在声辐射力的作用下，周围的微球被捕获到气泡的表面；

(c)励磁线圈停止通电，由于热传导的效应，石蜡复合材料的温度下降变成固态且体积减小，对PDMS薄膜的作用力消失，PDMS薄膜会恢复到变形前的状态，侧流道中的压强减小，使携带有微球的气泡向侧流道内移动，当气泡两侧的压强达到平衡状态时，气泡将停在侧流道内的某一位置；

(d)将主流道内的液体I更换为液体II，并将主流道中剩余的微球冲走；

(e)重复步骤(a)，PDMS薄膜的变形使侧流道内的压强增加，气泡两侧的的压力差使携带有微球的气泡向主流道的方向移动，并在主流道和侧流道的交汇处停止；当压电驱动器停止通电时，气泡所捕获的微球被释放在液体II中。

说明书

一种基于体声波激励和移动气泡的微粒捕获与释放装置

技术领域

[0001] 本发明是一种基于体声波激励和移动气泡的微粒捕获与释放装置，体声波激励下的振动气泡能够捕获微粒，通过控制气液界面的位置和速度，将微粒移动到侧流道内，对主流道中的微粒进行分离，或对主流道的液体进行更新、更换，然后再将微粒由侧流道释放回主流道中。微粒的捕获、移动与释放是微操纵中的关键技术，在生命工程、医学、微装配、化学分析等众多科学领域具有重要的研究价值。

背景技术

[0002] 近年来，生物医学和工业领域对微小物体的非接触式操作需求日益强烈，利用声波来操纵微粒是最近研究的热点之一。2008年，Sang Kug Chung提出一种利用体声波振荡气泡操纵微尺度物体的方法，利用电湿润性来实现微粒的移动。2012年，Kyung Ho Lee采用芯片上的图案化电极在疏水杆端电解产生气泡，通过外界的传递系统对该杆进行控制，在三维空间中实现对微尺度物体的操纵。2017年，Jae Hun Shin利用激光照射在非晶硅层上生成气泡，温度梯度的存在可实现气泡的定向移动。然而，通过电解产生气泡以及利用电湿润性移动气泡的方法制作工艺复杂，采用激光的捕获装置体积大，成本高，且会对微粒产生损伤。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种基于体声波激励和移动气泡的微粒捕获与释放装置，当气泡成功捕获微粒之后，将其储存在侧流道内，并根据需求释放回主流道。该装置采用微细加工工艺制成，压电驱动器产生的体声波会激励流道内的气泡发生径向振动，气泡的振动会对附近的微粒产生声辐射力，从而实现微粒捕获的功能。利用感应加热器对微腔体内的石蜡复合材料进行加热使石蜡相变，石蜡体积的膨胀对聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜施加作用力使PDMS薄膜变形，侧流道的体积发生变化，会改变侧流道内的压强，从而可以控制侧流道内携带有微粒的气泡的位置，来实现微粒移动的功能。

[0004] 本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

[0005] 基于体声波激励和移动气泡的微粒捕获与释放装置，其特征在于：从上至下依次为微流控上芯片1、PDMS薄膜6、压电驱动器10、玻璃基底7和励磁线圈15；其中，微流控上芯片1设置有进液口2、主流道3、侧流道4与出液口5；

[0006] 所述进液口2和出液口5，贯穿于微流控上芯片1；

[0007] 所述主流道3，深度为50μm-200μm，宽度为100μm-300μm，与进液口2和出液口5相连通；

[0008] 所述侧流道4，深度为50μm-200μm，宽度为50μm-150μm，位于主流道3中部且垂直于主流道3；

[0009] 所述PDMS薄膜6，厚度为50μm-150μm；

[0010] 所述微腔体8，是玻璃基底7上的圆形贯穿孔，直径为0.5mm-2mm；

[0011] 所述石蜡复合材料9，包含相变材料石蜡、导电组分膨胀石墨和磁导率增强组分镍粉，三者的质量比为15:0.3:1，填充于微腔体8中；

[0012] 所述玻璃片I13，粘贴于玻璃基底7的下表面，将微腔体8的一侧封闭；

[0013] 所述压电驱动器10，粘贴于玻璃基底7上表面，并与微流控上芯片1相邻；

[0014] 所述压电驱动器引线电极I11和压电驱动器引线电极II12，分别连交流电源两个输出端，给压电驱动器10通入交流电流；

[0015] 所述玻璃片II14，设置在玻璃片I13下方；

[0016] 所述励磁线圈15，形状为圆形平面螺旋线圈，匝数为5匝-20匝，粘贴在玻璃片II14上表面，并与微腔体8的中心线对齐；

[0017] 所述励磁线圈引线电极I16和励磁线圈引线电极II17，分别连交流电源两个输出端，给励磁线圈15通入交流电流；

[0018] 应用本发明装置的方法，其特征具体如下：

[0019] (a)如附图8，通过励磁线圈引线电极I16与励磁线圈引线电极II17向励磁线圈15通入交变电流，励磁线圈15周围产生交变磁场，微腔体8中的石蜡复合材料9在交变磁场中会产生涡流，涡流产生焦耳热，当达到熔点时，相变材料石蜡会变成液态并且体积膨胀，对上侧的PDMS薄膜6施加作用力使PDMS薄膜变形。在主流道3中注入悬浮有直径为5μm-20μm的聚苯乙烯微球19的液体I18，在主流道3和侧流道4的交汇处自主形成气泡20；

[0020] (b)如附图9，通过压电驱动器引线电极I11与压电驱动器引线电极II12向压电驱动器10施加交变电压，由于压电效应，压电驱动器10会产生机械变形，弯曲交替重复发生，在空气中产生声波。声波激励下气泡20发生径向振动，在声辐射力的作用下，周围的聚苯乙烯微球19被捕获到气泡20的表面；

[0021] (c)如附图10，励磁线圈15停止通电，由于热传导的效应，石蜡复合材料9的温度下降变成固态且体积减小，对PDMS薄膜6的作用力消失，PDMS薄膜6会恢复到变形前的状态，侧流道4中的压强减小，使携带有聚苯乙烯微球19的气泡20向侧流道4内移动，当气泡20两侧的压强达到平衡状态时，气泡20将停在侧流道4内的某一位置；

[0022] (d)如附图11，将主流道3内的液体I18更换为液体II21，并将主流道中剩余的聚苯乙烯微球19冲走；

[0023] (e)如附图12，重复步骤(a)，PDMS薄膜6的变形使侧流道4内的压强增加，气泡20两侧的的压力差使携带有聚苯乙烯微球19的气泡20向主流道3的方向移动，并在主流道3和侧流道4的交汇处停止。当压电驱动器10停止通电时，气泡20所捕获的聚苯乙烯微球19被释放在液体II21中。

[0024] 由以上步骤(a)(b)(c)(d)(e)，逐步实现对聚苯乙烯微球的捕获、移动与释放。

[0025] 本发明的微球材料可以根据应用需要进行替换，不局限于聚苯乙烯微球。薄膜材料可以替换成其他应力应变材料不局限PDMS薄膜。

[0026] 本发明的主要特点是：1)该方案响应时间短、制作成本低、便于集成；2)声波驱动属于非接触式操作，且输出能量密度较小，在操纵时不会对微粒(如细胞和其他生物体)造成伤害，具有较好的生物相容性；3)通过使粒子暂时停留在侧流道内，可对主流道内的液体进行更换，从而可使本发明应用于细胞培养等领域；4)采用感应加热的石蜡相变特性控制侧流道内的压强，使微粒的定向移动人为可控，实现对微粒的捕获、移动、释放等操纵，以便进行后续的操作和研究。

附图说明

[0027] 图1：本发明装置整体外观视图；

[0028] 图2：本发明装置分解外观视图；

[0029] 图3：本发明装置整体剖面视图；

[0030] 图4：本发明装置微流控上芯片外观视图；

[0031] 图5：本发明装置微流控上芯片微通道形状结构图；

[0032] 图6：本发明装置玻璃基底剖面视图；

[0033] 图7：本发明装置励磁线圈俯视图；

[0034] 图8：本发明装置工作原理示意图一；

[0035] 图9：本发明装置工作原理示意图二；

[0036] 图10：本发明装置工作原理示意图三；

[0037] 图11：本发明装置工作原理示意图四；

[0038] 图12：本发明装置工作原理示意图五；

[0039] 图13：本发明装置微流控上芯片注塑工艺过程图一；

[0040] 图14：本发明装置微流控上芯片注塑工艺过程图二；

[0041] 图15：本发明装置微流控上芯片注塑工艺过程图三；

[0042] 图16：本发明装置微流控上芯片注塑工艺过程图四；

[0043] 图17：本发明装置微流控上芯片注塑工艺过程图五；

[0044] 图18：本发明装置微流控上芯片注塑工艺过程图六；

[0045] 图19：本发明装置PDMS薄膜实施工艺过程图一；

[0046] 图20：本发明装置PDMS薄膜实施工艺过程图二；

[0047] 图21：本发明装置PDMS薄膜实施工艺过程图三；

[0048] 图22：本发明装置感应加热器实施工艺过程图一；

[0049] 图23：本发明装置感应加热器实施工艺过程图二；

[0050] 图24：本发明装置感应加热器实施工艺过程图三；

[0051] 图25：本发明装置感应加热器实施工艺过程图四；

[0052] 图26：本发明装置感应加热器实施工艺过程图五；

[0053] 图27：本发明装置感应加热器实施工艺过程图六；

[0054] 图中：1.微流控上芯片，2.进液口，3.主流道，4.侧流道，5.出液口，6.PDMS薄膜，7.玻璃基底，8.微腔体，9.石蜡复合材料，10.压电驱动器，11.压电驱动器引线电极I，12.压电驱动器引线电极II，13.玻璃片I，14.玻璃片II，15.励磁线圈，16.励磁线圈引线电极I，17.励磁线圈引线电极II，18.液体I，19.聚苯乙烯微球，20.气泡，21.液体II，22.硅基片I，23.SU-8胶，24.掩膜版，25.SU-8胶阳模，26.矩形槽模具，27.PDMS，28.硅基片II，29.线圈孔I，30.线圈孔II

具体实施方式

[0055] 本发明中的微流控上芯片1，采用SU-8型负性光刻胶制作阳模，聚二甲基硅氧烷(PDMS)注塑工艺加工制作，具体工艺流程如下所示：

[0056] (a)附图13，选用硅基片I22作为基底，用去离子水清洗，并在温度为110℃的烘胶台上烘干；

[0057] (b)附图14，在硅基片I22上旋涂一层SU-8胶23，胶层厚度为50μm-100μm，利用烘胶台进行前烘，先在温度65℃下烘干时间35min，再在温度95℃下烘干时间30-90min(与胶层厚度相关，厚度越大烘干时间越长)，然后自然冷却，使SU-8胶23固化，所述的SU-8胶23为负性光刻胶；

[0058] (c)附图15，将掩膜板24放置在固化后的SU-8胶23表面上方，进行紫外线曝光，曝光时间2min-6min；

[0059] (d)附图16，SU-8胶23曝光后，在烘胶台上进行后烘热处理，先在温度65℃下烘干时间25min，再在温度95℃下烘干时间10-30min(与胶层厚度相关，厚度越大烘干时间越长)，然后自然冷却，经超声显影、清洗后，硅基片I22上留下凸起的SU-8胶阳模25；

[0060] (e)附图17，将带有SU-8胶阳模25的硅基片I22放置在与硅基片I22尺寸相同的矩形槽模具26中，浇注PDMS27，在温度120℃下加热固化；

[0061] (f)附图18，固化后的PDMS27从硅基片I22上剥离，得到微流控上芯片1，采用电钻打孔方法，在微流控上芯片上1加工出进液口2与出液口5；

[0062] 本发明中的PDMS薄膜6，具体工艺流程如下所示：

[0063] (a)附图19，选用硅基片II28作为基底，用去离子水清洗，并在温度为110℃的烘胶台上烘干；

[0064] (b)附图20，在硅基片II28上旋涂一层PDMS27，薄膜厚度为50μm-150μm，在温度120℃下加热固化；

[0065] (c)附图21，固化后的PDMS27从硅基片II28上剥离，得到PDMS薄膜6；

[0066] 本发明中的感应加热器，具体工艺流程如下所示：

[0067] (a)附图22，选用玻璃基底7，用去离子水清洗；

[0068] (b)附图23，采用超声波打孔的方法，在玻璃基底7上加工出微腔体8，用去离子水清洗，用热风枪吹干；

[0069] (c)附图24，在微腔体8中填充半熔化的石蜡复合材料9，将玻璃片I13粘贴在玻璃基底7的下表面，将微腔体8的一侧封闭；

[0070] (d)附图25，选用玻璃片II14，用去离子水清洗；

[0071] (e)附图26，采用超声波打孔的方法，在玻璃片II14上加工出线圈孔I29和线圈孔II30，用去离子水清洗，热风枪吹干；

[0072] (f)附图27，在玻璃片II14上表面绕制励磁线圈15，使励磁线圈引线电极I16依次穿过线圈孔I29和线圈孔II30。

[0073] 本发明的封装流程如下所示：

[0074] (a)将上述加工好的微流控上芯片1和PDMS薄膜6进行氧等离子体处理实现键合；

[0075] (b)将PDMS薄膜6的另一侧和玻璃基底7的上表面进行氧等离子体处理实现键合；

[0076] (c)将压电驱动器10粘贴在玻璃基底7的上表面，即制成基于体声波激励和移动气泡的微粒捕获与释放装置。

[0077] 以上为本发明的一个优选实施例，但是本发明的内容不仅仅局限于此。