CN110170341A - 利用声表面波技术实现粒子高通量分选的数字微流控器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用声表面波技术实现粒子高通量分选的数字微流控器件，其包含上极板与下极板，该下极板由依次设置的衬底、压电层、电极层、介质层及疏水层构成，电极层包含：对称设置的两个蓄液池区域、液滴精确生成区域、声表面波富集区域。利用本发明的器件可以进行多种生物实验的前处理操作，主要包括分选和富集。通过对第一电极、第二电极、叉指电极及第三电极按照一定顺序和规则施加电压，形成液体不间断的模拟流道，使得液体向需要的方向流动；基于逆压电效应，通过控制叉指电极的电压，有控制的改变声学力和粘滞力的比例，可以对不同尺寸的粒子进行相应的分离操作，从而可以在较高的通量下获得很高的分选效率。

Description

利用声表面波技术实现粒子高通量分选的数字微流控器件

技术领域

本发明属于微流控芯片技术领域，涉及一种微米级粒子的分选和富集方法，具体涉及一种利用声表面波技术实现粒子高通量分选和富集的数字微流控器件。

背景技术

现有微流控技术分为两类：基于连续微流(continuous-flow microfluidic) 的微流道器件和基于液滴的数字微流(digital microfluidic：DMF)器件。连续微流道器件由于加工工艺简单最先得到发展，这种器件的特点是具有一条或多条充满流体的管道，在压力场、电场或声场的作用下对管道内的样品进行操作，具有加工技术简单、通量高等优点。例如：2015美国宾夕法尼亚大学研究员利用声表面波对微流道内的粒子进行分选，理论上每秒可进行 13800次分选。2016年爱丁堡大学研究人员使用声表面波技术对具有不同直径的粒子进行分选，在空气中完成对2微米和5微米直径粒子的悬浮和分选。由于连续微流道器件需要依靠加工成型的管道，特定器件只能完成预先设计好的任务目标，在实现多系统集成、小型化和样品灵活处理等方面有一定的实现难度。

数字微流控(DMF)器件主要包括介质上电润湿(Electrowetting onDielectrics，EWOD)，介电泳(dielectrophoresis，DEP)，声表面波(SAW)，磁力(magneticforce)，热毛细力(thermocapillary force)，光电润湿 (optoelectrowetting)，其中基于EWOD原理的闭合式数字微流控芯片应用最广。

EWOD数字微流控器件仅通过电信号对液滴进行操作，操作柔性大，平面化的器件结构有利于和其他器件的集成。目前针对微粒分选和富集的操作主要依靠DEP效应实现，效率低，器件设计和操作复杂。

发明内容

本发明的目的是针对以上问题，将声表面波技术与EWOD技术相结合，设计了一种具有高分选、富集效率并且灵活易操作的器件，利用EWOD技术在平面上构建液体微通道，用于样品的高通量输运和声表面波的传播；同时利用声表面波技术在EWOD平台上完成粒子的分选与富集。

为达到上述目的，本发明提供了一种利用声表面波技术实现粒子高通量分选的数字微流控器件，其包含上极板与下极板，所述的下极板由依次设置的衬底、压电层、电极层、介质层及疏水层构成，所述的电极层包含：对称设置的两个蓄液池区域、液滴精确生成区域、声表面波富集区域。

较佳地，所述的蓄液池区域包含若干组平行设置的第一电极，用于为液体输运提供动力。

较佳地，所述的蓄液池区域的第一电极选择长条形电极。

较佳地，所述的液滴精确生成区域包含若干用于夹断液体生成液滴的第二电极。

较佳地，所述的液滴精确生成区域的第二电极为半月形电极。

较佳地，所述的声表面波富集区域包含若干对叉指电极。

较佳地，每个叉指电极相邻设置有若干用于夹断液体生成液滴的第二电极。

较佳地，每对叉指电极之间还设置有若干用于输运液滴的第三电极。

较佳地，所述的第一电极、第二电极、叉指电极、及第三电极能在两个蓄液池区域之间建立模拟流道，形成连续液体。

较佳地，所述的第一电极、第二电极、叉指电极、及第三电极轴对称设置，以第二电极为对称轴。

较佳地，所述的电极层还包含质量检测区域，该质量检测区域的电极包含若干用于输运液滴的第四电极。

较佳地，所述质量检测区域的第四电极与设置在每对叉指电极之间的第三电极连通。

本发明提供的数字微流控器件通过对第一电极、第二电极、叉指电极及第三电极按照一定顺序和规则施加电压，形成液体不间断的模拟流道，使得液体向需要的方向流动；基于逆压电效应，通过控制叉指电极的电压，有控制的改变声学力和粘滞力的比例，可以对不同尺寸的粒子进行相应的分离操作，从而可以在较高的通量下获得很高的分选效率。利用本发明的器件可以进行多种生物实验的前处理操作，主要包括分选和富集。

附图说明

图1为本发明的一种利用声表面波技术实现粒子高通量分选的数字微流控器件的结构示意图。

图2为本发明的一种利用声表面波技术实现粒子高通量分选的数字微流控器件的电极层的结构示意图。

图3为本发明的一种利用声表面波技术实现粒子高通量分选的数字微流控器件产生的模拟流道示意图。

图4为本发明的一种利用声表面波技术实现粒子高通量分选的数字微流控器件使用叉指电极形成驻波声场示意图。

图5为本发明的一种利用声表面波技术实现粒子高通量分选的数字微流控器件生成液滴完成微粒富集的结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例与附图对本发明的技术方案作进一步地说明。

如图1所示，为本发明的一种利用声表面波技术实现粒子高通量分选的数字微流控器件，其包含上极板与下极板。所述的下极板由依次设置的衬底 10、压电层20、电极层30、介质层40及疏水层50构成。衬底10用于提供必要的机械支撑，一般采用硅材料。压电层20由压电材料组成，可以是铌酸锂单晶片或PZT压电陶瓷片。压电层的材料和厚度等参数根据实际应用进行调节。在周期性电场的条件下，由于逆压电效应，压电材料会产生周期性形变，在特定的驱动电压和频率作用下，压电材料的周期性形变会以声表面波的形式传递到疏水层上方的液体中。电极层30主要用于提供外加电场，还可用于改变液体与介质的接触角。介质层40覆盖在电极层30上方，介于压电层20与疏水层50之间，主要用于保护疏水层50不被电场击穿。疏水层50 主要用于提供一个疏水的表面。其中，上极板、疏水层、介质层均与一般 EWOD器件无明显差别。

如图1及图2所示，所述的电极层30包含：对称设置的两个蓄液池区域 31、液滴精确生成区域、声表面波富集区域。

所述的蓄液池区域31包含若干组平行设置的第一电极311，用于为液体输运提供动力以及存放液体。蓄液池区域的电极较大，可选择长条形电极，用于容纳较多的样品。通过控制左右两个蓄液池区域31的电极组中若干第一电极的上电顺序，可以对液滴的运动方向和运动速度做出精密调节。

所述的液滴精确生成区域包含若干用于夹断液体生成液滴的第二电极 321。该第二电极321呈现月牙形或其他形状，用于在液滴产生过程中对液滴体积进行精确控制，同时该区域电极也作为EWOD驱动电极。

所述的声表面波富集区域包含若干对成对对称设置的叉指电极331，每个叉指电极331相邻两端均设置有用于夹断液体生成液滴的第二电极321。叉指电极331还用于对压电材料施加周期性电场，使其发生振动进而以声表面波的形式进行传播。两对叉指电极在电信号的驱动下基于压电效应生成声表面波，同时该电极也作为EWOD驱动电极。叉指电极331的数目不限制，可以根据实际需要，如多种粒子分选，进行增添。

叉指电极的数目和间距大小根据实际需要进行设计。在电信号的驱动下，叉指电极使在其下方的压电层产生周期性振动，进而产生声表面波，在液体中形成一定特征的声场分布。

每对叉指电极331之间还设置有若干用于输运液滴的第三电极332。该第三电极通常采用EWOD驱动电极，一般为正方形，电极大小和电极之间的间距根据实验要求进行调节。该电极主要用于改变液体的亲疏水特性，如加电的情况下，电极区域呈现亲水性，不加电的时候该区域呈现疏水性。该处理方法和一般的EWOD器件相同。

所述的第一电极311、第二电极321、叉指电极331、及第三电极332能在两个蓄液池区域31之间建立模拟流道，形成连续液体，如图3所示。第二电极321、叉指电极331可以通过调节电压输入与第三电极332共同作为驱动电极使用，从而可以达到电极复用的功能。

所述的第一电极311、第二电极321、叉指电极331、及第三电极332包括但不限于轴对称设置，以第二电极321为对称轴，如图2所示。

所述的电极层30还包含质量检测区域，该质量检测区域的电极包含若干用于输运液滴的第四电极341，该质量检测区域的第四电极341与每对叉指电极之间的第三电极332连通。质量检测区域的第四电极341呈圆形或方形，同时该电极也作为EWOD驱动电极，该位置可以与PCR等检测技术相结合，用于后续的检测。第四电极341也可以通过电极复用作为蓄液池，也就是说，第四电极341除了具有输运和检测的功能外还具有蓄液的功能。该质量检测区域为预留接口区域，可与后续检测手段，如荧光检测相结合。

本发明提供的一种利用声表面波技术实现粒子高通量分选的数字微流控器件能实现样品高通量输运、样品富集和分选。

1.高通量输运

利用EWOD技术，从左端蓄液池拉出一段连续液体，通过电极控制使该段液体逐渐运动至右端蓄液池，最终在两个蓄液池之间建立稳定模拟流道 100，如图3所示。通过控制左右两端蓄液池电压的大小，进而使得液体中悬浮的粒子101在模拟流道内随液体一起产生定向的流动，从而基于液体粘滞力对其内部悬浮的样本进行高通量输运。

2.样品的分选和富集

使用叉指电极331(IDT)在压电材料(例如铌酸锂)上产生声表面波(行波或驻波)，如图4所示；利用所获得的声表面波在模拟流道100内建立稳定行/驻波声场，行波传播方向与液体流动方向相反。已知声学力(声波对粒子的作用力)与粒子半径的三次方，粘滞力(流体对粒子的作用力)与粒子半径一次方成正比。即，微粒的半径越大，所受到的合力越大，越倾向于逆着流动方向运动。最终结果如图5所示，大的微粒101a逐渐富集在液体左端尾部，小的微粒101b逐渐富集在液体右端。通过夹断电极(第二电极321)在靠近左端尾部的地方生成液滴，如图5所示，即可获得富集有大量较大微粒的液滴。按照相同的操作，将液体从右端蓄液池移动至左端，并相应调节流速和声表面波的频率即可再次分选出蓄液池内较大的微粒，如此反复，可以实现对蓄液池中全部粒子(大小不同)的高通量分选。

利用本发明的器件可以进行多种生物实验的前处理操作，主要包括分选和富集。首先将具有两种或以上不同大小粒子的液滴滴加在左侧的蓄液池区域31上，对第一电极、第二电极、叉指电极及第三电极按照一定顺序和规则施加电压，可以将左侧蓄液池区域中的液体逐渐拉出来，并拖动至右侧蓄液池区域，其特点在于拉扯出来的液体与蓄液池中的液体始终保持相连接，形成模拟流道100。通过改变左右两个蓄液池加电电极数目的不同，可以使图3 所示中的流体向特定方向移动，例如逐渐减少左侧蓄液池加电电极数目(从左向右依次断电)，或，逐渐增加右侧蓄液池加电电极的数目(从左向右依次加电)，图3所示液体会向右侧移动。液体的移动，由于流体阻尼，流体内部悬浮的粒子会受到相应的推动力，使其随着流体一起移动，由于该设计避免了产生液滴的操作，或者可以等效为直接操作一个大液滴进行粒子输运，因此该设计可以完成了粒子的高通量输运。

在以上描述的基础上，对叉指电极321施加特定频率的电压，基于逆压电效应，可以在流体内部形成特定的声场，此时流体中悬浮的粒子受到两个作用力，一个是与粒子半径一次方成正比的粘滞力，一个是与粒子半径的三次方成正比的声学力。因此，通过有控制的改变声学力和粘滞力的比例，可以对不同尺寸的粒子进行相应的分离操作，如声学力的方向向左，流体粘滞力的方向向右，由于尺寸不同，大粒子所受到的声学力大于小粒子，此时大粒子相对于小粒子会朝向液滴左侧富集，而小粒子会朝相反方向富集，如图 4所示。当左侧蓄液池的液体全部被拖动至驱动电极(第二电极、叉指电极及第三电极)上，最大的粒子将富集在液滴的尾端(左侧)，可以通过如图5 所示的夹断操作，产生富集有大量大粒子的液滴，在理想情况下，该液滴中将有且仅有大粒子而没有其他尺寸的小粒子。由于该设计结合了声表面波分选技术和EWOD连续液滴操作技术，该设计可以在较高的通量下获得很高的分选效率。

类似于以上步骤，将液滴从右侧向左侧方向移动，可以再次分离次大一点的粒子，以此类推，该设计可以有效地对具有不同尺寸的粒子进行分选。

目前大部分研究主要集中在生物样本的检测，而对前处理程序的研究相对较少，这使得目前所研究的检测仪器只能在实验室中针对纯化后的样本进行检测，纯化处理一般需要额外的设备。这大大阻碍了生物检测仪器的小型化，和实用化。本发明设计的粒子分选技术，可以为数字微流控平台生物样本前处理提供一种新的高效的方案，可以进一步促进便携化生物检测设备的推广。

Claims (10)

1.一种利用声表面波技术实现粒子高通量分选的数字微流控器件，其包含上极板与下极板，其特征在于，所述的下极板由依次设置的衬底、压电层、电极层、介质层及疏水层构成，所述的电极层由若干相互连通的电极构成，包含：对称设置的两个蓄液池区域、液滴精确生成区域、声表面波富集区域。

2.如权利要求1所述的利用声表面波技术实现粒子高通量分选的数字微流控器件，其特征在于，所述的蓄液池区域包含若干组平行设置的第一电极，用于为液体输运提供动力。

3.如权利要求2所述的利用声表面波技术实现粒子高通量分选的数字微流控器件，其特征在于，所述的蓄液池区域的第一电极选择长条形电极。

4.如权利要求1所述的利用声表面波技术实现粒子高通量分选的数字微流控器件，其特征在于，所述的液滴精确生成区域包含若干用于夹断液体、生成液滴的第二电极。

5.如权利要求4所述的利用声表面波技术实现粒子高通量分选的数字微流控器件，其特征在于，所述的液滴精确生成区域的第二电极为半月形电极。

6.如权利要求1所述的利用声表面波技术实现粒子高通量分选的数字微流控器件，其特征在于，所述的声表面波富集区域包含若干对对称设置的叉指电极。

7.如权利要求6所述的利用声表面波技术实现粒子高通量分选的数字微流控器件，其特征在于，每个叉指电极相邻设置有用于夹断液体生成液滴的第二电极。

8.如权利要求7所述的利用声表面波技术实现粒子高通量分选的数字微流控器件，其特征在于，每对叉指电极之间还设置有若干用于输运液滴的第三电极，所述的第一电极、第二电极、叉指电极、及第三电极能在两个蓄液池区域之间建立模拟流道，形成连续液体。

9.如权利要求8所述的利用声表面波技术实现粒子高通量分选的数字微流控器件，其特征在于，所述的电极层还包含质量检测区域，该质量检测区域的电极包含若干用于输运液滴的第四电极。

10.如权利要求8所述的利用声表面波技术实现粒子高通量分选的数字微流控器件，其特征在于，所述质量检测区域的第四电极与设置在每对叉指电极之间的第三电极连通。