CN102350285A - 一种以声表面波为能量源的微反应器及其反应方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以声表面波为能量源的微反应器及其反应方法，该微反应器在设置于压电基片的工作表面上的疏水层上设置一个微加热单元，微加热单元包括用于容纳甘油微流体的PDMS微槽和用于容纳待反应的微反应物的金属微池，且PDMS微槽的底部紧贴连接于疏水层上，而金属微池则通过一个PDMS固定片悬置于PDMS微槽内，这样设置于压电基片的工作表面上的叉指换能器激发的声表面波对置放于PDMS微槽内的甘油微流体进行辐射，使得甘油微流体温度升高，再经导热性能良好的金属微池对金属微池内的微反应物进行生化反应，本发明利用叉指换能器激发的声表面波和置放于PMDS微槽内的甘油微流体实现了需在高于室温的条件下进行的生化反应，极大地拓展了微流控芯片的应用范围。

Description

一种以声表面波为能量源的微反应器及其反应方法

技术领域

 本发明涉及一种微流控芯片中的微反应器，尤其是涉及一种以声表面波为能量源的微反应器及其反应方法。

背景技术

微流控芯片是将样品预处理、混合、反应、分离和检测等操作单元集成在一个或多个芯片中的微分析系统，以代替传统的实验室工作。微流控芯片因其具有样品用量少、操作简单、能够在较短时间内精确完成从样品制备到结果显示的全过程及能够有效地克服传统的实验室工作中手工操作带来的实验误差等诸多优点，得到国内外微流领域专家的高度关注，并日益成为国际性前沿研究热点，且已在化学分析、DNA测序、蛋白质分析、单细胞分析、单分子分析、药物筛选、食品安全、环境监测和国家安全等领域中得到越来越多的应用，并随着微流控芯片技术的进一步成熟，其应用范围必将深入到生活的方方面面，因此微流控芯片也曾被称为“影响人类未来的最重要的发明之一”。近年来，压电微流控芯片得到快速发展，已经在压电基片上实现了微流体输运、反应物混合、萃取、分离、富集等一系列的微流操作。目前，压电微流控芯片已经发展为微流控学研究的一个重要分支。

微反应器是微流控芯片实现微流分析不可缺少的组成部分，同时，微反应器也是食品、医药等行业为降低研究成本而进行反应条件的探索所必需的研究手段。现有的微流控芯片的微反应器中，常见的是在微流控芯片的微通道内实现微流体输运的同时，完成反应物的反应，这种反应方法一般只能适用于常温下就能实现反应物反应的场合，因而无需加热元件。然而，很多生化反应如细胞培养、酶的扩增、部分有机物合成等需要在高于室温的环境下才能进行反应，因此所采用的微反应器必须要有加热单元才能达到反应物的温度要求。在这一类微反应器中，常用的微反应器加热方式主要有通过水浴锅、加热板和集成的加热丝等方式实现。其中，通过水浴锅和加热板方式实现的微反应器，其加热设备简单、制作成本低，但体积大、难以集成于微流控芯片中，有待改进；而集成于微反应器中的加热丝可集成性好，但制作成本较高，且工艺比较复杂，有待完善。

声表面波器件因其具有成本低、工艺成熟等一系列优点，已为压电微流控芯片所关注，并将进一步发展。如期刊《微电子机械系统》2008年第17卷第1期147-156页（Journal of Micro electromechanical systems, Vol. 17 (1), 2008：147-156）公开了《基于微液滴油包封微反应器》（《Droplet-Based Micro reactions With Oil Encapsulation》），该微反应器工作时，进行反应的反应物通过功率放大器放大的RF信号加载到PZT（锆钛酸铅）压电基片的聚焦换能器上激发声波，使得声路径上的反应物喷发微液滴到达其上的玻璃基片的油微液滴上，实现油包封反应物的反应。该微反应器可有效减少反应物蒸发，但不能实现反应物加热，从而限制了该微反应器的应用。为了实现压电微流控芯片的微反应器能够在高于室温条件下进行反应物的生化反应，必须在该微反应器中集成微加热器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种以声表面波为能量源就能够在高于室温环境下实现生化反应，且结构简单、集成性好、成本低的微反应器及利用该微反应器进行生化反应的反应方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种以声表面波为能量源的微反应器，其特征在于包括压电基片，所述的压电基片的上表面为工作表面，所述的压电基片的工作表面上设置有用于激发声表面波的叉指换能器，所述的压电基片的工作表面上且位于所述的叉指换能器激发的声表面波的声传输路径上设置有疏水层，所述的疏水层上设置有微加热单元，所述的微加热单元包括用于容纳甘油微流体的PDMS微槽和用于容纳待反应的微反应物的金属微池，所述的PDMS微槽具有顶部开口和底部开口，所述的PDMS微槽的底部紧贴连接于所述的疏水层上，所述的PDMS微槽的顶部连接有PDMS固定片，所述的金属微池通过所述的PDMS固定片悬置于所述的PDMS微槽内，所述的金属微池的池口位于所述的PDMS微槽外。

所述的金属微池的内表面上涂覆有PDMS薄层。

所述的PDMS薄层的厚度为1微米～10微米。

所述的金属微池的池口上覆盖有PDMS盖膜或载波片。

所述的PDMS微槽、所述的PDMS固定片和所述的PDMS薄层均主要由体积比为（5～12）：1的道康宁184的单体和固化剂混合制备而成。

所述的金属微池采用的材料为铝材料或铜材料。

所述的压电基片的工作表面上设置有用于反射所述的叉指换能器激发的声表面波的反射栅。

本发明的微反应器还包括信号发生装置，所述的信号发生装置主要由用于产生RF电信号的信号发生器和与所述的信号发生器连接的功率放大器组成，所述的压电基片的下表面上连接有PCB板，所述的PCB板上设置有引线脚，所述的叉指换能器包括两个汇流条，所述的汇流条通过导线与所述的引线脚相连接，所述的引线脚通过导线与所述的功率放大器相连接。

所述的压电基片的工作表面上对称设置有两个所述的叉指换能器，两个所述的叉指换能器具有相同的尺寸。

一种利用上述的以声表面波为能量源的微反应器进行生化反应的反应方法，其特征在于包括以下步骤：

①将具有顶部开口和底部开口的PDMS微槽的底部与设置于压电基片的工作表面上的疏水层紧贴连接，并保证PDMS微槽位于两个叉指换能器激发的声表面波的声传输路径上，然后在已盛有甘油微流体的PDMS微槽的顶部置放固定有金属微池的PDMS固定片，使金属微池悬置于PDMS微槽内，再连接信号发生器、功率放大器和叉指换能器；

②启动信号发生器和功率放大器，同时通过金属微池的池口向金属微池中注入待反应的微反应物；

③信号发生器输出RF电信号并将RF电信号传输给功率放大器，功率放大器对接收到的RF电信号进行放大处理，并将放大后的RF电信号传输给两个叉指换能器，两个叉指换能器接入RF电信号后激发声表面波；

④两个叉指换能器激发的声表面波对PDMS微槽内的甘油微流体进行辐射，使甘油微流体的温度升高，升高的温度经传热性能良好的金属微池对其内的微反应物进行加热，实现生化反应。

与现有技术相比，本发明的优点在于在设置于压电基片的工作表面上的疏水层上设置一个微加热单元，微加热单元包括用于容纳甘油微流体的PDMS微槽和用于容纳待反应的微反应物的金属微池，且PDMS微槽的底部紧贴连接于疏水层上，而金属微池则通过一个PDMS固定片悬置于PDMS微槽内，这样设置于压电基片的工作表面上的叉指换能器激发的声表面波对置放于PDMS微槽内的甘油微流体进行辐射，使得甘油微流体温度升高，再经导热性能良好的金属微池对金属微池内的微反应物进行加热，使其发生生化反应，本发明利用叉指换能器激发的声表面波和置放于PMDS微槽内的甘油微流体实现了需在高于室温的条件下进行的生化反应，极大地拓展了压电微流控芯片的应用范围，也为食品、医药等行业提供了一种高通量、低成本探索反应条件的研究手段。本发明将用于产生热量的甘油微流体和待反应的微反应物分别置放于PDMS微槽和金属微池中，这样可有效避免微反应物被油相污染；并且由于声表面波只对PDMS微槽内的甘油微流体进行辐射，因此微反应物的活性不会受到影响。本发明的微反应器的金属微池的池口上覆盖有PDMS盖膜或载波片，这样可以有效地避免微反应物蒸发。此外，本发明的微反应器结构简单、成本低、操作简便，本发明的PDMS微槽本身具有部分粘性，可直接贴合在疏水层上，易于集成。

本发明的反应方法工艺简单，利用叉指换能器激发的声表面波和置放于PMDS微槽内的甘油微流体就可实现高于室温的温度条件下才能发生的微反应物的生化反应，且重复性好。

附图说明

图1为本发明的微反应器的结构示意图；

图2为本发明的微加热单元的透视示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：

本发明提出的一种以声表面波为能量源的微反应器，如图1和图2所示，其主要包括信号发生装置1和压电基片2，压电基片2的上表面为工作表面，压电基片2的工作表面上采用现有的微电子工艺光刻有两个用于激发声表面波的叉指换能器3和两个用于反射叉指换能器3激发的声表面波以减小RF信号的功率的反射栅4，两个叉指换能器3具有相同尺寸且位于压电基片2的工作表面对称的两侧边缘区域，压电基片2的工作表面上且位于两个叉指换能器3激发的声表面波的声传输路径上设置有疏水层5，即该疏水层5覆盖了两个叉指换能器3激发的声表面波的声传输路径，保证了甘油微流体位于声传输路径上，该疏水层5为在声传输路径上涂覆一层Teflon AF 1600疏水材料形成。疏水层5上设置有微加热单元6，微加热单元6包括用于容纳甘油微流体的PDMS（polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷）微槽61和传热性能良好且用于容纳待反应的微反应物的金属微池62，PDMS微槽61仅具有周壁，即PDMS微槽61设置有顶部开口和底部开口，PDMS微槽61的顶部开口和底部开口与PDMS微槽61的内部相通，PDMS微槽61的底部紧贴连接于疏水层5上，PDMS微槽61内装有甘油微流体，容纳于PDMS微槽61内的甘油微流体与疏水层5接触，当甘油微流体受到声表面波的辐射后温度上升；PDMS微槽61的顶部连接有PDMS固定片63，金属微池62的上部与PDMS固定片63固定连接，金属微池62通过PDMS固定片63悬置于PDMS微槽61内，即金属微池62的底部与疏水层5互不接触，金属微池62的池口位于PDMS微槽61外，通过金属微池62的池口向金属微池62内注入待反应的微反应物，容纳于PDMS微槽61内的甘油微流体与金属微池62的外表面充分接触，甘油微流体被辐射升温后产生的热量经金属微池62传递给微反应物，从而实现微反应物的生化反应。

在此具体实施例中，信号发生装置1主要由用于产生RF（Radio Frequency，射频）电信号的信号发生器11和与信号发生器11连接的功率放大器12组成，压电基片2的下表面上连接有PCB板7，PCB板7上设置有多个引线脚71，叉指换能器3包括两个汇流条31，汇流条31通过导线经压焊或导电银胶等方式与引线脚71相连接，引线脚71通过导线与功率放大器12相连接，信号发生器11输出RF电信号，该RF电信号经功率放大器12放大后再加载到两个叉指换能器3上，叉指换能器3在RF电信号的作用下激发声表面波。在此，信号发生器11和功率放大器12均采用现有技术。在此，PCB板7也可由其它现有的可以固定导线的基板替代。

在此具体实施例中，压电基片2可采用机电耦合系数稍大的压电基片，基本可取机电耦合系数大于5.5%的压电基片，如128⁰-YX LiNbO₃压电基片，因为在相同的RF电信号下，设置于具有较大机电耦合系数的压电基片上的叉指换能器能够产生幅度较大的声表面波，这样易于利用幅度较大的声表面波辐射甘油微流体而使甘油微流体的温度升的较高、较快。

在此具体实施例中，疏水层5的厚度应设计的适中，这是因为如果疏水层太厚，则衰减声表面波太大，如果疏水层太薄，则压电基片2的表面疏水性不够好，将导致甘油微流体通过PDMS微槽61与疏水层5之间可能存在的缝隙中渗出，因此可将该疏水层5的厚度控制在1～3                                               范围内。

在此具体实施例中，在向金属微池62内注入微反应物后，可采用PDMS盖膜64或载波片覆盖金属微池62的池口，这样可以有效地避免微反应物蒸发。

在此具体实施例中，金属微池62采用铝材料或铜材料制成，也可以采用其它导热性能良好的金属材料制成，实际设计过程中可选择铝片，不仅导热性能较好，且价格相对便宜；为了防止金属微池62中的微反应物与其内壁发生反应，故在金属微池62的内表面上涂覆一层PDMS聚合物材料，构成PDMS薄层（图中未示出），在此，可将PDMS薄层的厚度设计为1微米～10微米，这样便于将热量传递到微反应物上。

在此，金属微池62与PDMS固定片63的固定方法为：倒置金属微池62于一玻璃微槽中，然后倒入散净气泡后且未固化的PDMS聚合物材料，在100℃的恒温箱中固化1小时，拿掉玻璃微槽，移去金属微池62的池口内的固化的PDMS聚合物，再在金属微池62的内表面上涂覆一层PDMS聚合物材料，并固化形成PDMS薄层。

在此具体实施例中，PDMS微槽61、PDMS固定片63、PDMS薄层、PDMS盖膜64均主要由体积比为（5～12）：1的道康宁184的单体和固化剂混合制备而成。制备PDMS微槽61时可采用模塑法，在制备过程中，为能够使PDMS微槽61的底部能够较好地紧贴粘在疏水层5上，可适当提高单体和固化剂的体积比比例，从而使得制成的PDMS微槽61具有比较好的柔软性，不仅能够提高PDMS微槽61粘贴于疏水层5上的固定力，而且在PDMS微槽61较好地粘贴于疏水层5上时，两者之间不会存在缝隙，从而有效防止了位于PDMS微槽61内的甘油微流体通过缝隙渗到PDMS微槽61外。如果在制备PDMS微槽61时选取的单体和固化剂的体积比例较小，则可在制成的PDMS微槽61的周壁的底部再涂上一层由具有较高体积比例的单体和固化剂混合而成的PDMS聚合物，并经过80℃恒温箱固化1小时，这样，PDMS微槽61的周壁的底部即可比较牢固地与压电基片粘合。

在实际制备该微反应器时，可将叉指换能器3设计在压电基片2的工作表面靠近侧边的区域上，而将疏水层5设计在压电基片2的工作表面的中心区域上，这样可在压电基片2的工作表面的四周多设置几个叉指换能器，可从多个角度辐射甘油微流体。

实施例二：

一种利用实施例一所述的以声表面波为能量源的微反应器进行生化反应的反应方法，其主要包括以下步骤：

①将具有顶部开口和底部开口的PDMS微槽的底部与设置于压电基片的工作表面上的疏水层紧贴连接，并保证PDMS微槽位于两个叉指换能器激发的声表面波的声传输路径上，然后在已注入有甘油微流体的PDMS微槽的顶部置放固定有金属微池的PDMS固定片，使金属微池悬置于PDMS微槽内，再连接信号发生器、功率放大器和叉指换能器。在实际操作过程中，甘油微流体的注入量最好是在金属微池悬置于PDMS微槽内后，甘油微流体充满PDMS微槽，这样可有效确保甘油微流体与金属微池的外表面充分接触，从而可使得叉指换能器激发的声表面波辐射甘油微流体产生的热量经金属微池传递到微反应物上。

②启动信号发生器和功率放大器，同时通过金属微池的池口向金属微池中注入待反应的微反应物。

③信号发生器输出RF电信号并将RF电信号传输给功率放大器，功率放大器对接收到的RF电信号进行放大处理，并将放大后的RF电信号传输给两个叉指换能器，两个叉指换能器接入RF电信号后激发声表面波。

④两个叉指换能器激发的声表面波对PDMS微槽内的甘油微流体进行辐射，使甘油微流体的温度升高，升高的温度经传热性能良好的金属微池对其内的微反应物进行加热，从而实现生化反应。

Claims (10)

1.一种以声表面波为能量源的微反应器，其特征在于包括压电基片，所述的压电基片的上表面为工作表面，所述的压电基片的工作表面上设置有用于激发声表面波的叉指换能器，所述的压电基片的工作表面上且位于所述的叉指换能器激发的声表面波的声传输路径上设置有疏水层，所述的疏水层上设置有微加热单元，所述的微加热单元包括用于容纳甘油微流体的PDMS微槽和用于容纳待反应的微反应物的金属微池，所述的PDMS微槽具有顶部开口和底部开口，所述的PDMS微槽的底部紧贴连接于所述的疏水层上，所述的PDMS微槽的顶部连接有PDMS固定片，所述的金属微池通过所述的PDMS固定片悬置于所述的PDMS微槽内，所述的金属微池的池口位于所述的PDMS微槽外。

2.根据权利要求1所述的一种以声表面波为能量源的微反应器，其特征在于所述的金属微池的内表面上涂覆有PDMS薄层。

3.根据权利要求2所述的一种以声表面波为能量源的微反应器，其特征在于所述的PDMS薄层的厚度为1微米～10微米。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种以声表面波为能量源的微反应器，其特征在于所述的金属微池的池口上覆盖有PDMS盖膜或载波片。

5.根据权利要求4所述的一种以声表面波为能量源的微反应器，其特征在于所述的PDMS微槽、所述的PDMS固定片和所述的PDMS薄层均主要由体积比为（5～12）：1的道康宁184的单体和固化剂混合制备而成。

6.根据权利要求5所述的一种以声表面波为能量源的微反应器，其特征在于所述的金属微池采用的材料为铝材料或铜材料。

7.根据权利要求6所述的一种以声表面波为能量源的微反应器，其特征在于所述的压电基片的工作表面上设置有用于反射所述的叉指换能器激发的声表面波的反射栅。

8.根据权利要求7所述的一种以声表面波为能量源的微反应器，其特征在于还包括信号发生装置，所述的信号发生装置主要由用于产生RF电信号的信号发生器和与所述的信号发生器连接的功率放大器组成，所述的压电基片的下表面上连接有PCB板，所述的PCB板上设置有引线脚，所述的叉指换能器包括两个汇流条，所述的汇流条通过导线与所述的引线脚相连接，所述的引线脚通过导线与所述的功率放大器相连接。

9.根据权利要求8所述的一种以声表面波为能量源的微反应器，其特征在于所述的压电基片的工作表面上对称设置有两个所述的叉指换能器，两个所述的叉指换能器具有相同的尺寸。

10.一种利用权利要求9所述的以声表面波为能量源的微反应器进行生化反应的反应方法，其特征在于包括以下步骤：

①将具有顶部开口和底部开口的PDMS微槽的底部与设置于压电基片的工作表面上的疏水层紧贴连接，并保证PDMS微槽位于两个叉指换能器激发的声表面波的声传输路径上，然后在已盛有甘油微流体的PDMS微槽的顶部置放固定有金属微池的PDMS固定片，使金属微池悬置于PDMS微槽内，再连接信号发生器、功率放大器和叉指换能器；

②启动信号发生器和功率放大器，同时通过金属微池的池口向金属微池中注入待反应的微反应物；

③信号发生器输出RF电信号并将RF电信号传输给功率放大器，功率放大器对接收到的RF电信号进行放大处理，并将放大后的RF电信号传输给两个叉指换能器，两个叉指换能器接入RF电信号后激发声表面波；

④两个叉指换能器激发的声表面波对PDMS微槽内的甘油微流体进行辐射，使甘油微流体的温度升高，升高的温度经传热性能良好的金属微池对其内的微反应物进行加热，实现生化反应。

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