CN109012769B - 一种基于表面声波的微流控液滴生成装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于表面声波的微流控液滴生成装置及方法，装置包括压电基底，压电基底上设有一组弧形叉指换能器，压电基底上部贴合有封闭式PDMS微流道系统，封闭式PDMS微流道系统由顶部PDMS与PDMS封合薄膜构成；方法是先将微流控液滴生成装置固定在显微镜的载物台上，然后将微流控液滴生成装置接入，设置分散相进口接头、连续相进口接头的压力；再将信号发生器与弧形叉指换能器连接，调节信号发生器的输出信号，开启注射泵，调节好分散相、连续相两相界面位置并稳定后，进行微流控液滴生成；本发明实现液滴生成速率以及大小的电控制，装置体积小，便于与其他装置集成，增强了可重复性，减少了流道之间因输入流体压力过大开裂的发生。

Description

一种基于表面声波的微流控液滴生成装置及方法
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，特别涉及一种基于表面声波的微流控液滴生成装置及方法。
背景技术
液滴微流控平台已经成为生物、化学、医学等领域的重要工具，作为液滴微流控平台中的重要技术，微液滴生成方法至关重要，不同的方法在液滴大小控制、均匀性等方面，相差很大。目前，微液滴的生成方法主要有共流法、流式汇聚法、T型流道法以及基于以上方法的衍生方法，主要依靠两种不相容的流体，一种为连续相另一种为分散相，在分散相某处施加的力大于其界面张力时，该处的微量液体会突破界面张力进入连续相中形成液滴，其本质是依靠微流道的结构对两相流体的调控产生的流体力对分散相进行剪切的被动方法。如要获得稳定、均匀大小的为液滴，以上方法对分散相与连续相的流速稳定性、流道结构设计具有很高的要求，而现有的微流体控制泵却很难满足此要求。进而出现了以磁控、电控、声控等外力与以上被动方法相结合的微液滴产生方法，但以上方法的外力仅是以辅助的作用来调控微液滴的大小，仍然不是完全意义上的主动微液滴方法。
自20世纪60年代以来，由于电子信息产业的发展，表面声波在不同的应用领域开始得到关注和研究。表面声波是一种沿基底表面传播的超声波，其最大的特点是能量汇聚于基底表面，频率越高，波长越短，能量集中的层越薄，且无污染，可以实现对基底表面流体的操控。高效的流固耦合特点促进了表面声波在微流控中的广泛应用，如细胞检测和诊断、细胞筛选、细胞捕获，液滴操纵，粒子浓缩，活跃的混合，粒子排列、化学合成和药物雾化等。目前出现的与表面声波相关的液滴生成的研究有，Jason C.Brenker和David J.Collins将高频SAW作为一种压力源，通过定时脉冲电压，产生声表面波，作用与微流道中的两相流界面，实现了液滴的生成(详见Jason C.Brenker,David J.Collins,Hoang Van Phan,TuncayAlan and Adrian Neild.Lab Chip,2016,16,1675-1683.David J.Collins,Tuncay Alan,Kristian Helmerson and Adrian Neild,Lab Chip,2013,13,3225-3231.)。LotharSchmid将声表面波作为动力源，在T型流道中生成了可控大小的微液滴(详见LotharSchmid and Thomas Franke.Applied Physics Letters 104,133501(2014).)，利用对流式汇聚生成液滴的装置施加SAW的作用，实现了对生成液滴大小的控制(详见LotharSchmid and Thomas Franke.Lab Chip,2013,13,1691-1694.)。然而在以上利用声表面波产生微液滴的过程中，声表面波均是以一种辅助力的作用存在，微液滴的生成仍是靠流体力截断分散相形成。
然而，对于上述微液滴产生装置而言，微流道的制作方法，通常是将PDMS材质的微流道与玻璃基底或压电基底直接键合起来，形成封闭的微流道系统，上述技术制作的芯片PDMS流道与基底键合后不可拆卸，一旦发生流道堵塞、开裂、基底损坏，整个器件就无法正常使用，重复使用较差。尤其对于表面声波器件叉指换能器，其制作流程复杂、费用昂贵，采用PDMS流道与叉指换能器直接键合的方法，更容易因为流道堵塞、开裂、电极断裂等原因造成整个器件报废，极大的限制了实验的可重复性和产品的使用生命周期。
发明内容
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微流控液滴生成装置及方法，仅需通过调节输入正弦电压幅值、频率的大小，能够实现液滴生成速率以及大小的电控制，而且装置体积较小，便于与其他装置进行集成，增强了器件使用的可重复性；使PDMS流道结构更加牢固，减少了流道之间因输入流体压力过大开裂的发生。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于表面声波的微流控液滴生成装置，包括压电基底1，压电基底1上设有一组弧形叉指换能器2，压电基底1上部贴合有封闭式PDMS微流道系统，封闭式PDMS微流道系统由顶部PDMS 3与PDMS封合薄膜6键合构成。
所述的顶部PDMS3包括直流道7和弧形流道9，直流道7中部通过流道连通口8和弧形流道9中部连通；直流道7的一端为连续相进口接头5，直流道7的另一端为连续相废液出口接头10，弧形流道9的一端为分散相进口接头4，弧形流道9的另一端为液滴输送出口接头11。
所述的弧形叉指换能器2包括若干对叉指，弧形角度呈60°。
所述的弧形叉指换能器2包括15对叉指，指条宽度为25微米，弧形角度为60°。
所述的微通道的高度均为50微米，微通道不同部位的宽度值不同，弧形流道9靠近弧形叉指换能器2，宽度100um，为一条圆弧形流道；直流道7远离弧形叉指换能器2，宽度30um，为一条直流道。
所述的压电基底1材料为双面抛光128°Y铌酸锂。
所述的弧形叉指换能器2的材质为50纳米底层铬和200纳米上层金的双层结构。
所述的封闭式PDMS微流道系统与弧形叉指换能器2之间的相对位置：水平方向上，弧形叉指换能器2对称中心线偏离流道连通口8中心线位置，垂直方向上，弧形叉指换能器2的汇聚中心距离弧形流道9的上边界10um，在保证封闭式PDMS微流道系统无泄漏的情况下，靠近弧形叉指换能器2一侧的PDMS宽度以及PDMS边缘和弧形叉指换能器2的距离应该尽量缩小。
一种基于表面声波的微流控液滴生成装置的方法，包括以下步骤：
1)将微流控液滴生成装置固定在显微镜的载物台上，通过物镜观察确保封闭式PDMS微流道系统中的直流道7边界处于显微镜视场内并且无倾斜；
2)将微流控液滴生成装置的分散相进口接头4、连续相进口接头5、连续相废液出口接头10、液滴输送出口接头11通过特氟龙导管分别与氮气压力注射泵上的分散相溶液储液瓶、连续相溶液储液瓶、废弃连续相溶液收集容器、分散相液滴收集容器相连接，分散相进口接头4的压力输入设置为36mbar,连续相进口接头5的压力输入设置为68mbar；
3)将信号发生器的输出信号的正负两极分别与微流控液滴生成装置的弧形叉指换能器2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，调节好分散相、连续相两相界面位置并稳定后，然后按下信号发生器“输出”按钮，进行微流控液滴生成。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明可以克服传统液滴生成方法对微流道结构以及流速的过分依赖的缺点，仅需通过调节输入正弦电压幅值、频率的大小，就能够实现液滴生成速率以及大小的电控制，且可以实现液滴的连续生成。
(2)本发明将PDMS流道结构与PDMS薄膜键合在一起形成封闭的流道结构，使用时，只需将封闭式流道与基底进行贴合就能实现生成液滴的功能，增强了器件使用的可重复性。
(3)本发明弧形流道与直流道并行设计，增大了两流道之间部分与PDMS薄膜的键合面积，使PDMS流道结构更加牢固，较少了流道之间因输入流体压力过大开裂的发生。
(4)本发明装置体积较小，生成液滴更加均匀，便于与其他装置进行集成，实现更为复杂的功能。
附图说明
图1是本发明的微流控液滴生成装置的等轴侧视图。
图2是本发明的微流控液滴生成装置的液滴生成原理图。
图3是本发明的微流控液滴生成装置在显微镜下的液滴生成图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细叙述。
参照图1，一种基于表面声波的微流控液滴生成装置，包括压电基底1，压电基底1上设有一组弧形叉指换能器2，压电基底1上部贴合有封闭式PDMS微流道系统，所述的封闭式PDMS微流道系统用于容纳分散相溶液和连续相溶液样品，为液滴的生成提供环境并且将生成的液滴输送至液滴收集口处。
封闭式PDMS微流道系统由顶部PDMS 3与PDMS封合薄膜6构成，其中顶部PDMS 3包括直流道7和弧形流道9，直流道7中部通过流道连通口8和弧形流道9中部连通；直流道7的一端为连续相进口接头5，直流道7的另一端为连续相废液出口接头10，弧形流道9的一端为分散相进口接头4，弧形流道9的另一端为液滴输送出口接头11。
所述的弧形叉指换能器2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分散相连续相界面上。
所述的弧形叉指换能器2包括15对叉指，指条宽度为25微米，弧形角度为60°，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。
所述的PDMS封合薄膜6的厚度为150um。
所述的微通道的高度均为50微米，微通道不同部位的宽度值不同，各部分的宽度如下：弧形流道9靠近弧形叉指换能器2，宽度100um，为一条圆弧形流道；直流道7远离弧形叉指换能器2，宽度30um，为一条直流道。
所述的压电基底1的材料为双面抛光的128°Y切铌酸锂(128°Y-cut LiNbO3)。
所述的弧形叉指换能器2的材质为50nm底层铬与200nm顶层金的双层设计，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。
所述的封闭式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，便于对液滴生成过程进行光学监测和记录。
所述的封闭式PDMS微流道系统与弧形叉指换能器2之间的相对位置非常重要。水平方向上，弧形叉指换能器2对称中心线位于偏离流道连通口8中心线167um的位置，垂直方向上，弧形叉指换能器2的汇聚中心距离弧形流道9的上边界10um，以保证分散相连续相两相界面在弧形流道9中被汇聚表面声波产生的声辐射力作用。另外，在保证封闭式PDMS微流道系统无泄漏的情况下，靠近弧形叉指换能器2一侧的PDMS宽度以及PDMS边缘和弧形叉指换能器2的距离应该尽量缩小，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。
一种基于表面声波的微流控液滴生成装置的方法，包括以下步骤：
1)将微流控液滴生成装置固定在显微镜的载物台上，通过物镜观察确保封闭式PDMS微流道系统中的直流道7边界处于显微镜视场内并且无倾斜；
2)将微流控液滴生成装置的分散相进口接头4、连续相进口接头5、连续相废液出口接头10、液滴输送出口接头11通过特氟龙导管分别与氮气压力注射泵上的分散相溶液储液瓶、连续相溶液储液瓶、废弃连续相溶液收集容器、分散相液滴收集容器相连接，分散相进口接头4的压力输入设置为36mbar,连续相进口接头5的压力输入设置为68mbar；
3)将信号发生器的输出信号的正负两极分别与微流控液滴生成装置的弧形叉指换能器2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；弧形叉指换能器2产生具有汇聚能量束的汇聚表面声波，在声辐射力作用下，使分散相连续相两相流界面发生剧烈形变，将分散相液体切成液滴分散到连续相当中，通过连续相相的流动将生成的液滴输送至液滴收集容器中，从而实现液滴的生成以及收集工作；
4)开启注射泵，调节好分散相、连续相两相界面位置并稳定后，然后按下信号发生器“输出”按钮，进行微流控液滴生成。
参照图2，液滴在封闭式PDMS微流道系统中的生成过程为：分散相溶液和连续相溶液同时分别进入弧形流道9和直流道7，通过氮气压力注射泵调节分散相溶液和连续相溶液的输入压力，使分散相充满流道连通口8右端的弧形流道9，连续相充满整个直流道7与流道连通口8左端的弧形流道9，分散相和连续相的两相界面稳定在表面声波汇聚能量束的位置，使分散相连续相两相在弧形叉指换能器2中心线位置形成稳定弧形界面；当对弧形叉指换能器2输入正弦交流电压时，弧形叉指换能器2产生具有汇聚能量束的声表面波，声表面波产生的声辐射力作用于分散相与连续相界面，使界面发生形变；调节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，即可将分散相液体切成液滴分散到连续相当中，实现微液滴生成，如图3所示。

Claims (8)

1.一种基于表面声波的微流控液滴生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将微流控液滴生成装置固定在显微镜的载物台上，通过物镜观察确保封闭式PDMS微流道系统中的直流道(7)边界处于显微镜视场内并且无倾斜；
2)将微流控液滴生成装置的分散相进口接头(4)、连续相进口接头(5)、连续相废液出口接头(10)、液滴输送出口接头(11)通过特氟龙导管分别与氮气压力注射泵上的分散相溶液储液瓶、连续相溶液储液瓶、废弃连续相溶液收集容器、分散相液滴收集容器相连接，分散相进口接头(4)的压力输入设置为36mbar,连续相进口接头(5)的压力输入设置为68mbar；
3)将信号发生器的输出信号的正负两极分别与微流控液滴生成装置的弧形叉指换能器(2)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，调节好分散相、连续相两相界面位置并稳定后，然后按下信号发生器“输出”按钮，进行微流控液滴生成；
所述的微流控液滴生成装置包括压电基底(1)，压电基底(1)上设有一组弧形叉指换能器(2)，压电基底(1)上部贴合有封闭式PDMS微流道系统，封闭式PDMS微流道系统由顶部PDMS(3)与PDMS封合薄膜(6)构成。
2.根据权利要求1所述的一种基于表面声波的微流控液滴生成方法，其特征在于：所述的顶部PDMS(3)包括直流道(7)和弧形流道(9)，直流道(7)中部通过流道连通口(8)和弧形流道(9)中部连通；直流道(7)的一端为连续相进口接头(5)，直流道(7)的另一端为连续相废液出口接头(10)，弧形流道(9)的一端为分散相进口接头(4)，弧形流道(9)的另一端为液滴输送出口接头(11)。
3.根据权利要求1所述的一种基于表面声波的微流控液滴生成方法，其特征在于：所述的弧形叉指换能器(2)包括若干对叉指，弧形角度呈60°。
4.根据权利要求1所述的一种基于表面声波的微流控液滴生成方法，其特征在于：所述的弧形叉指换能器(2)包括15对叉指，指条宽度为25微米，弧形角度为60°。
5.根据权利要求2所述的一种基于表面声波的微流控液滴生成方法，其特征在于：所述的流道的高度均为50微米，流道不同部位的宽度值不同，弧形流道(9)靠近弧形叉指换能器(2)，宽度100μm，为一条圆弧形流道；直流道(7)远离弧形叉指换能器(2)，宽度30μm，为一条直流道。
6.根据权利要求1所述的一种基于表面声波的微流控液滴生成方法，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。
7.根据权利要求1所述的一种基于表面声波的微流控液滴生成方法，其特征在于：所述的弧形叉指换能器(2)的材质为50纳米底层铬和200纳米上层金的双层结构。
8.根据权利要求2所述的一种基于表面声波的微流控液滴生成方法，其特征在于：所述的封闭式PDMS微流道系统与弧形叉指换能器(2)之间的相对位置：水平方向上，弧形叉指换能器(2)对称中心线偏离流道连通口(8)中心线位置，垂直方向上，弧形叉指换能器(2)的汇聚中心距离弧形流道(9)的上边界10μm，在保证封闭式PDMS微流道系统无泄漏的情况下，靠近弧形叉指换能器(2)一侧的PDMS宽度以及PDMS边缘和弧形叉指换能器(2)的距离应该尽量缩小。
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