一种基于表面声波的粒子多层膜结构生成装置，包括压电基底，压电基底上部键合有PDMS微流道系统，压电基底上设有两个以上的弧形电极，弧形电极和PDMS微流道系统配合；本发明充分利用声表面波的优势，仅需通过对不同电极施加相应的正弦电压，就能够实现对化学粒子、液滴的多层包裹，从而形成多层膜结构，而且该装置体积较小，具有较高的生物兼容性电极数以及流道可进行扩增，从而使粒子被更多层的膜包裹。
1.一种基于表面声波的粒子多层膜结构生成装置的使用方法，其特征在于：一种基于表面声波的粒子多层膜结构生成装置，包括压电基底(1)，压电基底(1)表面上制作有两个以上的弧形电极，压电基底(1)上部键合有PDMS微流道系统，弧形电极与PDMS微流道系统配合；
所述的PDMS微流道系统包括第一入口流道(5)、第二入口流道(7)、第三入口流道(9)、第一出口流道(12)、第二出口流道(15)、第三出口流道(2)和粒子包裹流道(10)；第一入口流道(5)的入口端连接鞘液流进口接头(4)，第一入口流道(5)的出口端连接粒子包裹流道(10)，第二入口流道(7)的入口端连接水相进口接头(6)，第二入口流道(7)的出口端连接粒子包裹流道(10)，第三入口流道(9)的入口端连接油相进口接头(8)，第三入口流道(9)的出口端连接粒子包裹流道(10)的入口端；
粒子包裹流道(10)的出口端和第一出口流道(12)的入口端连接，第一出口流道(12)的出口端连接油相出口接头(13)；粒子包裹流道(10)的出口端和第二出口流道(15)的入口端连接，第二出口流道(15)的出口端连接水相出口接头(14)；粒子包裹流道(10)的出口端和第三出口流道(2)的入口端连接，第三出口流道(2)的出口端连接鞘液流出口接头(16)；
所述的弧形电极包括第一弧形电极(3)和第二弧形电极(11)，第一弧形电极(3)、第二弧形电极(11)与PDMS微流道系统之间的相对位置为：在水平方向上，第一弧形电极(3)和第二弧形电极(11)的对称轴线相距600微米；在垂直方向上，第一弧形电极(3)和第二弧形电极(11)位于粒子包裹流道(10)的两侧；
所述的一种基于表面声波的粒子多层膜结构生成装置的使用方法，包括以下步骤：
1)将粒子多层膜结构生成装置固定在显微镜的载物台上，通过物镜观察确保PDMS微流道系统中的粒子包裹流道(10)边界处于显微镜视场内并且无倾斜；
2)鞘液流进口接头(4)、水相进口接头(6)、油相进口接头(8)通过特氟龙导管分别与氮气压力注射泵上的鞘液流溶液储液瓶、水相溶液储液瓶、油相溶液储液瓶相连接，油相出口接头(13)、水相出口接头(14)、鞘液流出口接头(16)通过特氟龙导管与油相废液收集容器、水相废液收集容器、多膜包裹粒子收集容器相连接；
3)将两台信号发生器的输出信号的正负两极分别与粒子多层膜结构生成装置的第一弧形电极(3)和第二弧形电极(11)的两极相连接，调节信号发生器的输出信号为正弦连续输出，频率为39.96MHz，电压幅值为25-40Vpp；
4)开启注射泵，通过调节鞘液流进口接头(4)、水相进口接头(6)、油相进口接头(8)的输入压力，使鞘液流、悬浮粒子的水相、油相形成稳定的层流，三相流体在粒子包裹流道(10)形成稳定的水油界面(A)后，然后按下信号发生器“输出”按钮，进行粒子多层膜结构生成。
2.根据权利要求1所述的一种基于表面声波的粒子多层膜结构生成装置的使用方法，其特征在于：所述的第一弧形电极(3)和第二弧形电极(11)均包括若干对叉指，弧形角度呈
3.根据权利要求1所述的一种基于表面声波的粒子多层膜结构生成装置的使用方法，其特征在于：所述的第一弧形电极(3)和第二弧形电极(11)均包括14对叉指，指条宽度为25微米，弧形角度为60°。
4.根据权利要求1所述的一种基于表面声波的粒子多层膜结构生成装置的使用方法，其特征在于：所述的微流道的高度均为80微米，微流道不同部位的宽度值不同，第一入口流道(5)、第三入口流道(9)、第一出口流道(12)和第三出口流道(2)的宽度为100微米，且为圆弧形流道；第二入口流道(7)和第二出口流道(15)的宽度为100微米，且为直流道。
5.根据权利要求1所述的一种基于表面声波的粒子多层膜结构生成装置的使用方法，其特征在于：所述的压电基底(1)材料为双面抛光128°Y铌酸锂。
6.根据权利要求1所述的一种基于表面声波的粒子多层膜结构生成装置的使用方法，其特征在于：所述的第一弧形电极(3)和第二弧形电极(11)采用50纳米底层铬和200纳米上层金的双层结构。
一种基于表面声波的粒子多层膜结构生成装置
技术领域
[0001] 本发明涉及粒子包裹微流控技术领域，特别涉及一种基于表面声波的粒子多层膜结构生成装置。
背景技术
[0002] 微粒多层膜结构生成技术在细胞筛选、生物医疗、药物制造机输送等具有广泛的应用前景，传统的多层膜结构生成方法，需要实验人员手工操作来完成多步的清洗和沉积，耗时耗力，且容易造成交叉污染。目前关于多膜包裹的技术研究主要有层层组装技术(Layerby layer,LbL))，涂层技术(Coating methods)，多层封装技术(Multilayer encapsulation)。
[0003] 随着微流控技术的发展，微流控平台已经成为生物、化学、医学等领域的重要工具，在粒子层膜结构生成中也渐渐开始被研究和应用。目前，基于微流控技术的粒子多层膜生成方法主要集中在以下几个方面：1)依靠流道结构设计，在流道中设计相应的微柱结构，使粒子按照预定方向穿越不同流体界面，从而实现粒子的包膜(Kantak C,Beyer S,Yobas L,et al.A'microfluidic pinball'for on-chip generation ofLayer-by-Layer polyelectrolyte microcapsules[J].Lab on A Chip,2011,11(6):1030-1035.Matosevic S,Paegel B M.Stepwise Synthesis of Giant Unilamellar Vesicles on a Microfluidic Assembly Line[J].Journal of the American Chemical Society,2011,133(9):2798-2800.)；2)依靠流体惯性力以及界面能实现粒子的包膜(Gossett D R,Tse H T,Dudani J S,et al.Inertial manipulation and transfer of microparticles across laminar fluid streams[J].Small,2012,8(16):2757-2764.)；3)依靠外驱动力使粒子穿越不同流体界面实现粒子的包膜(Moon B U,Hakimi N,Hwang D K,et al.Microfluidic conformal coating of non-spherical magnetic particles.[J].Biomicrofluidics,2013,8(5):363.)。然而以上方法中，前两种一般只能实现对粒子单层膜的包裹，结构单一，灵活性较差；目前已见报道的外力驱动生成方法有依靠磁场力对磁性粒子进行的单膜包裹，该方法必须对粒子进行磁性修饰才可以，应用较为局限。
发明内容
[0004] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于表面声波的粒子多层膜结构生成装置，充分利用声表面波的优势，仅需通过对不同电极施加相应的正弦电压，就能够实现对化学粒子(PS微球)、液滴的多层包裹，从而形成多层膜结构，而且该装置体积较小，具有较高的生物兼容性电极数以及流道可进行扩增，从而使粒子被更多层的膜包裹。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0006] 一种基于表面声波的粒子多层膜结构生成装置，包括压电基底1，压电基底1表面上制作有两个以上的弧形电极，压电基底1上部键合有PDMS微流道系统，弧形电极与PDMS微流道系统配合；
[0007] 所述的PDMS微流道系统包括第一入口流道5、第二入口流道7和第三入口流道9，第一入口流道5的入口端连接鞘液流进口接头4，第一入口流道5的出口端连接粒子包裹流道10的入口端；第二入口流道7的入口端连接水相进口接头6，第二入口流道7的出口端连接粒子包裹流道10的入口端；第三入口流道9的入口端连接油相进口接头8，第三入口流道9的出口端连接粒子包裹流道10的入口端；
[0008] 粒子包裹流道10的出口端和第一出口流道12的入口端连接，第一出口流道12的出口端连接油相出口接头13；粒子包裹流道10的出口端和第二出口流道15的入口端连接，第二出口流道15的出口端连接水相出口接头14；粒子包裹流道10的出口端和第三出口流道2的入口端连接，第三出口流道2的出口端连接鞘液流出口接头16。
[0009] 所述的弧形电极包括第一弧形电极3和第二弧形电极11，第一弧形电极3、第一弧形电极11与PDMS微流道系统之间的相对位置为：在水平方向上，第一弧形电极3和第二弧形电极11的对称轴线相距600um；在垂直方向上，第一弧形电极3和第二弧形电极11位于粒子包裹流道10的两侧。
[0010] 所述的第一弧形电极3和第二弧形电极11均包括若干对叉指，弧形角度呈60°。
[0011] 所述的第一弧形电极3和第二弧形电极11均包括14对叉指，指条宽度为25微米，弧形角度为60°。
[0012] 所述的PDMS微流道系统中的流道的高度均为80微米，流道不同部位的宽度值不同，第一入口流道5、第三入口流道9、第一出口流道12和第三出口流道2的宽度为100um，且为圆弧形流道；第二入口流道7和第二出口流道15的宽度为100um，且为直流道。
[0013] 所述的压电基底1材料为双面抛光128°Y铌酸锂。
[0014] 所述的第一弧形电极3和第二弧形电极11采用50纳米底层铬和200纳米上层金的双层结构。
[0015] 一种基于表面声波的粒子多层膜结构生成装置的使用方法，包括以下步骤：
[0016] 1)将粒子多层膜结构生成装置固定在显微镜的载物台上，通过物镜观察确保PDMS微流道系统中的粒子包裹流道10边界处于显微镜视场内并且无倾斜；
[0017] 2)鞘液流进口接头4、水相进口接头6、油相进口接头8通过特氟龙导管分别与氮气压力注射泵上的鞘液流溶液储液瓶、水相溶液储液瓶、油相溶液储液瓶，油相出口接头13、水相出口接头14、鞘液流出口接头16通过特氟龙导管与油相废液收集容器、水相废液收集容器、多膜包裹粒子收集容器相连接；
[0018] 3)将两台信号发生器的输出信号的正负两极分别与粒子多层膜结构生成装置的第一弧形电极3和第二弧形电极11的两极相连接，调节信号发生器的输出信号为正弦连续输出，频率为39.96MHz，电压幅值为25-40Vpp；
[0019] 4)开启注射泵，通过调节鞘液流进口接头4、水相进口接头6、油相进口接头8的输入压力，使鞘液流、悬浮粒子的水相、油相形成稳定的层流，三相流体在粒子包裹流道10形成稳定的水油界面A后，然后按下信号发生器“输出”按钮，进行粒子多层膜结构生成。
[0020] 相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
[0021] (1)本发明可以克服传统粒子多膜包裹依靠手工、需要多步清洗、容易造成交叉污染的缺点，仅需通过不同弧形电极施加正弦电压，且可以实现粒子单层至多膜结构的生成。
[0022] (2)无需对粒子进行任何修饰，可以适应任意实心粒子或液滴的表面多层膜的生成。
[0023] (3)本发明分布有多组弧形电极体，可实现更多层膜的包裹生成。
[0024] (4)本发明中使用方法具有很强的柔性特点，可以根据实际需要开闭相应的电极以实现所需膜的生成。
附图说明
[0025] 图1是本发明实施例的结构示意图。
[0026] 图2是本发明实施例的粒子多层膜生成原理示意图。
具体实施方式
[0027] 下面结合附图和实施例对本发明作详细叙述。
[0028] 参照图1，一种基于表面声波的粒子多层膜结构生成装置，包括压电基底1，压电基底1表面上制作有两个弧形电极，压电基底1上部键合有PDMS微流道系统，弧形电极与PDMS微流道系统配合；
[0029] 所述的PDMS微流道系统包括第一入口流道5、第二入口流道7和第三入口流道9，第一入口流道5的入口端连接鞘液流进口接头4，第一入口流道5的出口端连接粒子包裹流道10的入口端；第二入口流道7的入口端连接水相进口接头6，第二入口流道7的出口端连接粒子包裹流道10的入口端；第三入口流道9的入口端连接油相进口接头8，第三入口流道9的出口端连接粒子包裹流道10的入口端；
[0030] 粒子包裹流道10的出口端和第一出口流道12的入口端连接，第一出口流道12的出口端连接油相出口接头13；粒子包裹流道10的出口端和第二出口流道15的入口端连接，第二出口流道15的出口端连接水相出口接头14；粒子包裹流道10的出口端和第三出口流道2的入口端连接，第三出口流道2的出口端连接鞘液流出口接头16。
[0031] 第一入口流道5、第二入口流道7、第三入口流道9分别通入鞘液流、含有粒子样品的水相、含有磷脂的油相，三相流体在粒子包裹流道10形成稳定的水油界面A，如图2中所示；油相出口接头13、水相出口接头14、鞘液流出口接头16用以收集油相废液、水相废液、收集多膜包裹粒子。
[0032] 所述的弧形电极包括第一弧形电极3和第二弧形电极11，第一弧形电极3、第一弧形电极11与PDMS微流道系统之间的相对位置为：在水平方向上，第一弧形电极3和第二弧形电极11的对称轴线相距600um；在垂直方向上，第一弧形电极3和第二弧形电极11位于粒子包裹流道10的两侧；第一弧形电极3的汇聚中心与距离粒子包裹流道10的上边界10um，第二弧形电极11的汇聚中心距离粒子包裹流道10的上边界10um；第一弧形电极3和第二弧形电极11交错分布与流道的两侧，产生反向的表面声波，使粒子在流道中产生偏离弧形电极方向的偏转运动，为实现粒子多膜包裹提供动力；另外，在保证PDMS微流道系统无泄漏的情况下，靠近第一弧形电极3和第二弧形电极11一侧的PDMS微流道宽度应该尽量缩小，这样可以降低PDMS对声波能量的吸收，提高汇聚声波能量的利用效率。
[0033] 所述的第一弧形电极3和第二弧形电极11均包括若干对叉指，弧形角度呈60°，用于在压电基底1表面产生汇聚表面声波，汇聚的表面声波主要作用于水相中的粒子上。
[0034] 所述的第一弧形电极3和第二弧形电极11均包括14对叉指，指条宽度为25微米，弧形角度为60°，基于压电效应，在正弦交流电压驱动下可以在压电基底1表面产生频率为39.96MHz的表面声波。
[0035] 所述的微流道的高度均为80微米，微流道不同部位的宽度值不同，第一入口流道5、第三入口流道9、第一出口流道12和第三出口流道2的宽度为100um，且为圆弧形流道；第二入口流道7和第二出口流道15的宽度为100um，且为直流道。
[0036] 所述的压电基底1的材料为双面抛光128°Y切铌酸锂(128°Y-cut LiNbO3)。
[0037] 所述的第一弧形电极3和第二弧形电极11采用50nm底层铬与200nm顶层金的双层结构，其中铬作为增强金与压电基底1粘附强度的粘附层，金作为导电层。
[0038] 所述的PDMS微流道系统采用具有良好透光性与生物兼容性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作，便于对多膜结构形成过程中进行光学监测和记录。
[0039] 一种基于表面声波的粒子多层膜结构生成装置的使用方法，包括以下步骤：
[0040] 1)将粒子多层膜结构生成装置固定在显微镜的载物台上，通过物镜观察确保PDMS微流道系统中的粒子包裹流道10边界处于显微镜视场内并且无倾斜；
[0041] 2)鞘液流进口接头4、水相进口接头6、油相进口接头8通过特氟龙导管分别与氮气压力注射泵上的鞘液流溶液储液瓶、水相溶液储液瓶、油相溶液储液瓶，油相出口接头13、水相出口接头14、鞘液流出口接头16通过特氟龙导管与油相废液收集容器、水相废液收集容器、多膜包裹粒子收集容器相连接；
[0042] 3)将两台信号发生器的输出信号的正负两极分别与粒子多层膜结构生成装置的第一弧形电极3和第二弧形电极11的两极相连接，调节信号发生器的输出信号为正弦连续输出，频率为39.96MHz，电压幅值为25-40Vpp；第一弧形电极3产生具有汇聚能量束的汇聚表面声波，在声辐射力作用下，使在粒子包裹通道中的粒子发生偏转，穿过油水界面进入油相当中，表面被包裹一层水膜；然后包裹水膜的粒子随着油相流到第二弧形电极11的时候，第二弧形电极11产生汇聚声表面波将包裹水膜的粒子从油相中穿越油水界面进入鞘液相当中，实现了第二层油膜的包裹；
[0043] 4)开启注射泵，通过调节鞘液流进口接头4、水相进口接头6、油相进口接头8的输入压力，使鞘液流、悬浮粒子的水相、油相形成稳定的层流，三相流体在粒子包裹流道10形成稳定的水油界面A后，然后按下信号发生器“输出”按钮，进行粒子多层膜结构生成。
[0044] 参照图2，粒子多膜结构在PDMS微流道系统中的生成过程为：鞘液流溶液、水相溶液、油相溶液同时分别进入第一入口流道5、第二入口流道7、第三入口流道9，通过氮气压力注射泵调节鞘液流溶液、水相溶液、油相溶液的输入压力，使鞘液流溶液、水相溶液、油相溶液以层流的形式充满粒子包裹流道10，并形成如图2虚线所示的稳定水油界面A；当对第一弧形电极3输入正弦交流电压时，产生具有汇聚能量束的汇聚表面声波，在声辐射力作用下，使在粒子包裹通道10中的粒子发生偏转，穿过油水界面进入油相当中，表面被包裹一层水膜；然后包裹水膜的粒子随着油相流到第二弧形电极11的时候，第二弧形电极11产生汇聚声表面波，在声辐射力的作用下将包裹水膜的粒子从油相中穿越水油界面A进入鞘液相当中，实现了第二层油膜的包裹；调节第二弧形电极11的正弦交流电压的输入电压幅值与频率参数，当产生的声辐射力足够大时，即可将具有两层膜的粒子偏转到鞘液相中进行收集。
