CN109926111B - 一种压电基片上微流体输运的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电基片上微流体输运的装置及方法，该装置包括压电基片，压电基片的工作表面的周边上设有若干个不加权叉指换能器，压电基片的工作表面上且位于其中一个不加权叉指换能器激发的声表面波的传播路径上滴有石蜡油，石蜡油上放置有微球珠，微球珠的上半球表面作为用于存放待输运的水溶液微流体的第一储液区；石蜡油所对应的不加权叉指换能器在加载RF电信号后激发声表面波，声表面波辐射入石蜡油，驱动石蜡油带动微球珠沿声表面波的传播路径滑移，实现第一储液区上存放的水溶液微流体的输运；优点是其避免了声表面波直接辐射入水溶液微流体，解决了微流体温度升高引起的蒸发和生物分子活性下降的问题。

Description

一种压电基片上微流体输运的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种微流控芯片中的微流体输运技术，尤其是涉及一种压电基片上微流体输运的装置及方法。

背景技术

自从1958年Kilby发明集成电路以来，微型化就成为了各种电子或非电子器件重要的研究主题，其中，非电子器件微型化最具有典型性的是微机械系统(MEMS)。随着微机械系统的快速发展，其已广泛渗透到科学研究的各个领域，尤其是生化分析系统。微机械系统和生化分析有机结合，促进了全微分析系统的出现、发展和广泛应用。相比于传统实验室分析，全微分析系统具有体积小、试剂消耗量少、可避免人为引入误差等优点，更重要的是全微分析系统可以实现智能全自动微流分析，极大地满足了人们生活和科学研究的需要。因此，全微分析系统一经发明，就已得到了快速发展，已广泛应用于DNA分析、单细胞分析、毒品检测、食品安全、医疗诊断等领域。

输运含反应液的微流体是全微分析系统进行微流分析的基础，其为微流反应提供物质保障，同时，也确保了微流反应后微废液的及时处理。因此，各国专家进行了大量的研究，发明了多种微流器件上微流体的输运方法。一种常见的微流体输运方法是通过注射泵驱动微通道内连续相流体，实现离散相微、纳流体在微通道内微流体输运，从而实现待分析物的物化特性及微流输运规律。也有采用激光微机械技术制作微流器件，并在微流系统内集成微阀、微泵和微通道，将压电盘作用于微流系统内微流体输运的动力源，实现微流系统内微流体及生物介质的输运，并实现生物介质的分析。采用电润湿原理实现微流体输运是纳升级微流体输运的一种常用方法，其是在上、下电极上施加十余伏特交流电压，交替改变极板对待输运微流体的润湿性，实现微流体输运，在极板上集成各种检测传感器，即可完成在片微流检测分析。

压电器件由于工艺成熟简单、制作成本低，因此已广泛应用于电视、通信、电子对抗等电子系统中。同时，压电基片上传播的声表面波具有强大的微流操控能力，为微流分析领域的研究者所青睐，已被广泛应用于微流分析系统中，并已经成为微流分析的重要分支，其中压电基片上微流体的输运是压电基片上微流分析的基础和前提条件。基于声表面波微流体输运是压电基片中研究得较早且研究得最为深入的微流操作，它通过声表面波辐射入微流体，产生声表面波辐射力，驱动微流体沿压电基片表面输运。常见的压电基片上微流体输运，是在压电基片上采用微电子工艺制作叉指换能器及疏水性轨迹，叉指换能器激发的声表面波驱动微流体在特定疏水性轨迹上运动，实现微流体在压电基片上输运。但是，传统的声表面波输运微流体方法，由于声表面波直接辐射入微流体，因此导致微流体温度上升，微流体蒸发较快，影响了微流分析精度。同时，声表面波的直接辐射，影响细胞、酶等生物分子活性，直接影响了微流分析顺利进行，有待改进。如期刊《Journal of applied physics》(《应用物理杂志》)2005年第98卷第2期024903-1-7页公开了《Actuating and detectingof microdroplet using slanted finger interdigital transducers》(《应用斜指叉指换能器驱动和检测微液滴》)，它提出了采用斜指叉指换能器激发的声表面波驱动压电基片上的微液滴，实现压电基片上微液滴在两维平面内输运，根据斜指叉指换能器激发的声表面波在孔径范围内不均匀性实现微液滴在两维平面内随机输运和定位。相对于均匀叉指换能器激发的均匀声表面波幅度，其特色是在孔径范围内声表面波幅度不均匀性，但它仍然是依靠声表面波直接辐射入微液滴，产生声流力来驱动微液滴，因此，无法避免声能量引起的温度升高及对生物分子活性的影响，有待改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种声表面波控制的压电基片上微流体输运的装置及方法，其避免了声表面波直接辐射入微流体，不仅解决了微流体温度升高引起的蒸发的问题，而且解决了生物分子活性下降的问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种压电基片上微流体输运的装置，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的周边上设置有若干个用于激发声表面波的不加权叉指换能器，所述的压电基片的工作表面上且位于其中一个所述的不加权叉指换能器激发的声表面波的传播路径上滴有0.5微升～1微升的石蜡油，所述的石蜡油上放置有一个直径为1.5毫米～2毫米的微球珠，所述的微球珠的上半球表面作为用于存放待输运的水溶液微流体的第一储液区；所述的石蜡油所对应的所述的不加权叉指换能器在加载RF电信号后激发声表面波，声表面波辐射入所述的石蜡油，驱动所述的石蜡油带动所述的微球珠沿声表面波的传播路径滑移，实现所述的第一储液区上存放的待输运的水溶液微流体在所述的压电基片的工作表面上输运。

所述的微球珠的中间部位表面对称两侧设置有PDMS凝固层，所述的PDMS凝固层凸出所述的微球珠的表面0.2毫米～0.5毫米，所述的PDMS凝固层沿所述的微球珠的周向的宽度为0.2毫米～0.5毫米，所述的PDMS凝固层的上表面作为用于存放待输运的水溶液微流体的第二储液区。在微球珠的中间部位表面对称两侧设置PDMS凝固层，可确保微球珠受力对称；将PDMS凝固层的上表面作为用于存放待输运的水溶液微流体的第二储液区，即在设置PDMS凝固层的前提下，可将待输运的水溶液微流体存放于第二储液区上进行输运，相比存放于第一储液区上进行输运稳定性更好；PDMS凝固层凸出微球珠的表面的尺寸及PDMS凝固层的宽度尺寸均是建立在微球珠的直径大小和水溶液微流体的存放前提考虑的。

所述的微球珠为钢珠。

该装置还包括用于产生RF电信号的信号发生装置，所述的信号发生装置由用于产生RF电信号的信号发生器及功率放大器组成，所述的信号发生器的输出端与所述的功率放大器的输入端连接，所述的功率放大器的输出端连接有切换开关，所述的切换开关选择与任一个所述的不加权叉指换能器连接。在此，信号发生装置产生的RF电信号通过切换开关加载到一个不加权叉指换能器上，在最初时切换开关应与石蜡油所对应的不加权叉指换能器连接，需在压电基片的两维平面内输运时，使切换开关与其他不加权叉指换能器连接加载RF电信号即可。

该装置还包括PCB板，所述的压电基片安装于所述的PCB板上，所述的PCB板上与每个所述的不加权叉指换能器对应的设置有引线脚，每个所述的不加权叉指换能器对应的所述的引线脚与该所述的不加权叉指换能器的汇流条连接。

所述的压电基片的工作表面上与每个所述的不加权叉指换能器对应的设置有反射栅，每个所述的反射栅用于减少加载于对应的所述的不加权叉指换能器上的RF电信号的功率。

一种上述的压电基片上微流体输运的装置对应的压电基片上微流体输运的方法，其特征在于包括以下步骤：

在仅设置有一个不加权叉指换能器的情况下，使切换开关与不加权叉指换能器所对应的引线脚连接；开启信号发生器和功率放大器；信号发生器产生的RF电信号经过功率放大器和切换开关后加载于不加权叉指换能器上；不加权叉指换能器激发声表面波，声表面波辐射入石蜡油，驱动石蜡油带动微球珠沿声表面波的传播路径滑移，实现第一储液区或第二储液区上存放的待输运的水溶液微流体在压电基片的工作表面上直线输运；

在设置有多个不加权叉指换能器的情况下，将石蜡油所对应的不加权叉指换能器定义为第一不加权叉指换能器，将其余不加权叉指换能器定义为第二不加权叉指换能器；使切换开关与第一不加权叉指换能器所对应的引线脚连接；开启信号发生器和功率放大器；信号发生器产生的RF电信号经过功率放大器和切换开关后加载于第一不加权叉指换能器上；第一不加权叉指换能器激发声表面波，声表面波辐射入石蜡油，驱动石蜡油带动微球珠沿声表面波的传播路径滑移；当微球珠滑移至一个第二不加权叉指换能器激发的声表面波的传播路径上时，关闭信号发生器和功率放大器；切换切换开关使切换开关与该第二不加权叉指换能器所对应的引线脚连接；开启信号发生器和功率放大器；信号发生器产生的RF电信号经过功率放大器和切换开关后加载于该第二不加权叉指换能器上；该第二不加权叉指换能器激发声表面波，声表面波辐射入石蜡油，驱动石蜡油带动微球珠沿声表面波的传播路径滑移；重复上述过程，实现第一储液区或第二储液区上存放的待输运的水溶液微流体在压电基片的工作表面的两维平面内任意位置输运。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)由于待输运的水溶液微流体是存放于微球珠的第一储液区上的，而不加权叉指换能器激发的声表面波是辐射入石蜡油的，因此避免了声表面波直接辐射入待输运的水溶液微流体，解决了水溶液微流体温度升高引起的蒸发和生物分子活性下降的问题。

2)不加权叉指换能器激发的声表面波辐射入石蜡油驱动石蜡油带动微球体滑移，微球体的第一储液区上存放的待输运的水溶液微流体随微球体的滑移而实现在压电基片上输运，因此在压电基片的工作表面的周边的不同位置上设置不加权叉指换能器或设置不加权叉指换能器阵列(即设置多个不加权叉指换能器)，这样就可实现水溶液微流体在压电基片的两维平面内任意位置输运，为后续的压电微流系统进行微流分析提供基础。

3)通过大量实验确定在声表面波控制下，0.5微升～1微升的石蜡油能够带动直径为1.5毫米～2毫米的微球珠在声表面波的传播路径上滑移。

附图说明

图1为本发明的压电基片上微流体输运的装置的结构示意图；

图2为图1中A部分的放大示意图。

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：

本实施例提出的一种压电基片上微流体输运的装置，其包括压电基片1、用于产生RF电信号的信号发生装置2、PCB板3，压电基片1的上表面为工作表面，压电基片1的工作表面的周边上设置有一个用于激发声表面波的不加权叉指换能器4，压电基片1的工作表面上与该不加权叉指换能器4对应的设置有反射栅5，反射栅5用于减少加载于不加权叉指换能器4上的RF电信号的功率，压电基片1的工作表面上且位于不加权叉指换能器4激发的声表面波的传播路径上滴有0.5微升～1微升(如0.8微升)的石蜡油6，石蜡油6上放置有一个直径为1.5毫米～2毫米(如1.7毫米)的微球珠7，微球珠7的上半球表面作为用于存放待输运的水溶液微流体9的第一储液区71(微球珠7的上半球表面的张力大于下半球表面的张力，因此上半球表面能够存放待输运的水溶液微流体9)，压电基片1安装于PCB板3上，PCB板3上与不加权叉指换能器4对应的设置有引线脚31，不加权叉指换能器4对应的引线脚31与不加权叉指换能器4的汇流条41连接，信号发生装置2由用于产生RF电信号的信号发生器21及功率放大器22组成，信号发生器21的输出端与功率放大器22的输入端连接，功率放大器22的输出端连接有切换开关23，切换开关23与不加权叉指换能器4通过引线脚31连接。不加权叉指换能器4在加载RF电信号后激发声表面波，声表面波辐射入石蜡油6，驱动石蜡油6带动微球珠7沿声表面波的传播路径滑移，实现第一储液区71上存放的待输运的水溶液微流体9在压电基片1的工作表面上直线输运。

实施例二：

本实施例提出的一种压电基片上微流体输运的装置，其是在实施例一的装置的基础上进行了进一步改进，即微球珠7的中间部位表面对称两侧设置有PDMS凝固层8，PDMS凝固层8凸出微球珠7的表面0.2毫米～0.5毫米(如0.4毫米)，PDMS凝固层8沿微球珠7的周向的宽度为0.2毫米～0.5毫米(如0.5毫米)，PDMS凝固层8的上表面作为用于存放待输运的水溶液微流体9的第二储液区81。在微球珠7的中间部位表面对称两侧设置PDMS凝固层8，可确保微球珠7受力对称；将PDMS凝固层8的上表面作为用于存放待输运的水溶液微流体9的第二储液区81，即在设置PDMS凝固层8的前提下，可将待输运的水溶液微流体9存放于第二储液区81上进行输运，相比存放于第一储液区71上进行输运稳定性更好；PDMS凝固层8凸出微球珠7的表面的尺寸及PDMS凝固层8的宽度尺寸均是建立在微球珠7的直径大小和水溶液微流体的存放前提考虑的。

实施例三：

本实施例提出的一种压电基片上微流体输运的装置，其与实施例一或实施例二的装置的结构基本相同，不同之处仅在于本实施例的装置在压电基片1的工作表面的周边的不同位置上设置有不加权叉指换能器4，即设置有多个不加权叉指换能器4，通过切换开关23使不同位置上的不加权叉指换能器4上加载RF电信号，可实现第一储液区71或第二储液区81上存放的待输运的水溶液微流体9在压电基片1的工作表面的两维平面内任意位置输运。

上述，压电基片1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；不加权叉指换能器4为均匀叉指换能器，不加权叉指换能器4和反射栅5均采用现有技术，且均采用现有的微电子工艺制造于压电基片1的工作表面上；不加权叉指换能器4上加载的RF电信号的功率为31～33dBm；PDMS凝固层8采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作而成；信号发生器21和功率放大器22均采用现有技术；PCB板3采用现有技术，PCB板3也可由其它现有的可以固定导线的基板替代；微球珠7为钢珠。

实施例四：

本实施例提出了实施例一或实施例二的装置对应的压电基片上微流体输运的方法，其包括以下步骤：使切换开关23与不加权叉指换能器4所对应的引线脚31连接；开启信号发生器21和功率放大器22；信号发生器21产生的RF电信号经过功率放大器22和切换开关23后加载于不加权叉指换能器4上；不加权叉指换能器4激发声表面波，声表面波辐射入石蜡油6，驱动石蜡油6带动微球珠7沿声表面波的传播路径滑移，实现第一储液区71或第二储液区81上存放的待输运的水溶液微流体9在压电基片1的工作表面上直线输运。

实施例五：

本实施例提出了实施例三的装置对应的压电基片上微流体输运的方法，其包括以下步骤：将石蜡油6所对应的不加权叉指换能器4定义为第一不加权叉指换能器，将其余不加权叉指换能器(图中未示出)定义为第二不加权叉指换能器；使切换开关23与第一不加权叉指换能器所对应的引线脚31连接；开启信号发生器21和功率放大器22；信号发生器21产生的RF电信号经过功率放大器22和切换开关23后加载于第一不加权叉指换能器上；第一不加权叉指换能器激发声表面波，声表面波辐射入石蜡油6，驱动石蜡油6带动微球珠7沿声表面波的传播路径滑移；当微球珠7滑移至一个第二不加权叉指换能器激发的声表面波的传播路径上时，关闭信号发生器21和功率放大器22；切换切换开关23使切换开关23与该第二不加权叉指换能器所对应的引线脚31连接；开启信号发生器21和功率放大器22；信号发生器21产生的RF电信号经过功率放大器22和切换开关23后加载于该第二不加权叉指换能器上；该第二不加权叉指换能器激发声表面波，声表面波辐射入石蜡油6，驱动石蜡油6带动微球珠7沿声表面波的传播路径滑移；重复上述过程，实现第一储液区71或第二储液区81上存放的待输运的水溶液微流体9在压电基片1的工作表面的两维平面内任意位置输运。

利用上述装置和方法进行水溶液微液体输运前，待输运的水溶液微液体由微量进样器进样到第一储液区或第二储液区上，选择第二储液区为佳。

利用上述装置和方法进行水溶液微液体输运的应用，可在压电基片的工作表面的一侧上设置上下对齐叠放的两个PDMS聚合体，在两个PDMS聚合体之间设置有一个纸基微流器件，纸基微流器件的内部设置有检测区以进行微量生化分析检测，纸基微流器件的入口凸出两个PDMS聚合体的侧面1～2毫米，位于下方的PDMS聚合体的高度高于第一储液区或第二储液区的高度，且低于第一储液区或第二储液区的高度与待输运的水溶液微液体的高度之和，即为了保证纸基微流器件的入口能够对准待输运的水溶液微液体所处的位置。

Claims (7)

1.一种压电基片上微流体输运的装置，包括压电基片，所述的压电基片的上表面为工作表面，其特征在于：所述的压电基片的工作表面的周边上设置有若干个用于激发声表面波的不加权叉指换能器，所述的压电基片的工作表面上且位于其中一个所述的不加权叉指换能器激发的声表面波的传播路径上滴有0.5微升～1微升的石蜡油，所述的石蜡油上放置有一个直径为1.5毫米～2毫米的微球珠，所述的微球珠的上半球表面作为用于存放待输运的水溶液微流体的第一储液区；所述的石蜡油所对应的所述的不加权叉指换能器在加载RF电信号后激发声表面波，声表面波辐射入所述的石蜡油，驱动所述的石蜡油带动所述的微球珠沿声表面波的传播路径滑移，实现所述的第一储液区上存放的待输运的水溶液微流体在所述的压电基片的工作表面上输运。

2.根据权利要求1所述的一种压电基片上微流体输运的装置，其特征在于：所述的微球珠的中间部位表面对称两侧设置有PDMS凝固层，所述的PDMS凝固层凸出所述的微球珠的表面0.2毫米～0.5毫米，所述的PDMS凝固层沿所述的微球珠的周向的宽度为0.2毫米～0.5毫米，所述的PDMS凝固层的上表面作为用于存放待输运的水溶液微流体的第二储液区。

3.根据权利要求1所述的一种压电基片上微流体输运的装置，其特征在于：所述的微球珠为钢珠。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种压电基片上微流体输运的装置，其特征在于：该装置还包括用于产生RF电信号的信号发生装置，所述的信号发生装置由用于产生RF电信号的信号发生器及功率放大器组成，所述的信号发生器的输出端与所述的功率放大器的输入端连接，所述的功率放大器的输出端连接有切换开关，所述的切换开关选择与任一个所述的不加权叉指换能器连接。

5.根据权利要求4所述的一种压电基片上微流体输运的装置，其特征在于：该装置还包括PCB板，所述的压电基片安装于所述的PCB板上，所述的PCB板上与每个所述的不加权叉指换能器对应的设置有引线脚，每个所述的不加权叉指换能器对应的所述的引线脚与该所述的不加权叉指换能器的汇流条连接。

6.根据权利要求5所述的一种压电基片上微流体输运的装置，其特征在于：所述的压电基片的工作表面上与每个所述的不加权叉指换能器对应的设置有反射栅，每个所述的反射栅用于减少加载于对应的所述的不加权叉指换能器上的RF电信号的功率。

7.一种权利要求6所述的压电基片上微流体输运的装置对应的压电基片上微流体输运的方法，其特征在于包括以下步骤：

在仅设置有一个不加权叉指换能器的情况下，使切换开关与不加权叉指换能器所对应的引线脚连接；开启信号发生器和功率放大器；信号发生器产生的RF电信号经过功率放大器和切换开关后加载于不加权叉指换能器上；不加权叉指换能器激发声表面波，声表面波辐射入石蜡油，驱动石蜡油带动微球珠沿声表面波的传播路径滑移，实现第一储液区或第二储液区上存放的待输运的水溶液微流体在压电基片的工作表面上直线输运；

在设置有多个不加权叉指换能器的情况下，将石蜡油所对应的不加权叉指换能器定义为第一不加权叉指换能器，将其余不加权叉指换能器定义为第二不加权叉指换能器；使切换开关与第一不加权叉指换能器所对应的引线脚连接；开启信号发生器和功率放大器；信号发生器产生的RF电信号经过功率放大器和切换开关后加载于第一不加权叉指换能器上；第一不加权叉指换能器激发声表面波，声表面波辐射入石蜡油，驱动石蜡油带动微球珠沿声表面波的传播路径滑移；当微球珠滑移至一个第二不加权叉指换能器激发的声表面波的传播路径上时，关闭信号发生器和功率放大器；切换切换开关使切换开关与该第二不加权叉指换能器所对应的引线脚连接；开启信号发生器和功率放大器；信号发生器产生的RF电信号经过功率放大器和切换开关后加载于该第二不加权叉指换能器上；该第二不加权叉指换能器激发声表面波，声表面波辐射入石蜡油，驱动石蜡油带动微球珠沿声表面波的传播路径滑移；重复上述过程，实现第一储液区或第二储液区上存放的待输运的水溶液微流体在压电基片的工作表面的两维平面内任意位置输运。

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