CN110314715A - 基于聚焦式表面声波和微液滴技术的粒子富集微流控芯片 - Google Patents

Abstract

基于聚焦式表面声波和微液滴技术的粒子富集微流控芯片，包括由聚二甲基硅氧烷PDMS键合在基底上形成的声学微流控芯片,聚二甲基硅氧烷PDMS构造有微流道，在基底上构造有图案化金属层的电极；微流道包括连续相入口和分散相入口，连续相入口、分散相入口和液滴生成区域入口连通，连续相与分散相在液滴生成区域生成包裹有粒子的液滴；液滴生成区域出口和鞘流区入口连通，鞘流区和鞘流液入口、鞘流液出口连通，鞘流液入口与鞘流液出口提供鞘流来调整液滴在鞘流区处的位置，鞘流区出口和总出口连通，分散相与连续相最终从总出口排出；电极包括聚焦式叉指换能器与电极接脚；本发明在微流道内实现对样品粒子的富集，具有高普适性、低侵害性、简便快速的优点。

Description

基于聚焦式表面声波和微液滴技术的粒子富集微流控芯片

技术领域

本发明属于微流控芯片技术与表面声波技术领域，具体涉及一种基于聚焦式表面声波和微液滴技术的粒子富集微流控芯片。

背景技术

随着微流控芯片技术的不断发展，微流控芯片在满足提供微纳且洁净的实验环境的同时，也在丰富不同材料、不同性质样品的微纳操纵方式。液滴微流控旨在通过不相容的多相流体构造离散微液滴，作为微流控中的重要组成部分，液滴微流控已经成为了生物、化学、医疗、材料制备应用中的重要实验平台，尤其在细胞培养、化学合成、药物筛选等方面发展尤为迅速。随着微流控应用需求和微纳样品质量需求的提升，对于粒子富集，或者说预浓缩的方法也逐渐丰富且成熟，由液滴包裹的样品粒子在实验中的优势也逐渐凸显。

粒子操纵作为微流控领域中的一项基本需求被广泛应用在各种实验中，根据各种分析目的，会对液体中的悬浮颗粒进行富集、分离、排序和诱捕等操作。在这些操作中，颗粒的富集，或者说样品的预浓缩，是样品预处理和进一步利用的基本技术，因为更高密度的目标颗粒可以提高分析的总体灵敏度。微流控富集装置常备用作完整微纳检测系统中的样品制备子系统，富集装置通过从样品中积累特定颗粒并将它们重新悬浮在较小体积的溶液中来工作，导致样品浓度增加。因此，微流控富集装置执行两个重要功能：首先，通过增加提供给检测器的样品浓度，可以增加系统的整体灵敏度；其次，微流控富集装置解决了标准的毫升级收集方法获得的样品与大多数微流体装置在合理时间内处理的微升级体积之间的不匹配问题。

样品的富集需求广泛存在于微流控领域，粒子操纵领域中最常见的应用是不同性质粒子的分离，而分离后的粒子常常以非常稀疏的形式悬浮在所用的缓冲液中，尤其是逐个分离的方法中，粒子的分布十分稀疏。

随着微流控技术的发展，样品富集的方法也逐渐多种多样。电驱动富集是被广泛研究的样品富集方法，包括电渗富集、电泳富集和介电电泳富集。Nitzan Gadish早在2006年就提出了一种高通量正介电电泳的样品富集器。在生物医学方面常用基于密度梯度的离心或过滤、荧光细胞分选、磁控法、细胞表面标记和激光镊子等方法。Mirowski等人开发了一个捕获平台，在磁流体通道中将微图案永磁体与磁力显微镜的磁化尖端相结合，利用磁阱进行捕获。近几年，关于声场作用下的粒子富集研究也逐渐火热。Manneberg等使用了带有透明玻璃-硅-玻璃芯片的外部楔形换能器，实现了与高分辨率显微镜兼容的超声波捕获。还有关于利用特殊流道形状来进行被动式富集的研究，Hsiu-Hung Chen使用膛线形的流道底纹来实现粒子富集。

这些每一种技术都有其固有的优点，但也都有一定的不足。电驱动方法通常需要样品具有特定的极性或其他电学特性；离心方法依赖于高转速的离心机且对脆弱的样品有侵害；荧光方法需要对样品进行染色且效率较低；表面标记法和磁控法需要对样品种植特定标志物或结合磁性物质；而光镊法则是需要逐个地缓慢进行，效率同样较低。

表面声波作为微流控系统中十分重要的微纳操纵实现方法之一，不需要特定流道结构就能实现流道内流体或粒子的操纵，且过程快速、可控、无伤害。表面声波微流控技术利用流道内不同物质间的声学特性的不同，通过在流道内构造高频的声学势能梯度场或势能阱来对样品进行驱动、排列、富集等操作。

综上，现有富集方法存在对样品要求高、对样品有伤害、操作复杂、效率较低等缺点。

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聚焦式表面声波和微液滴技术的粒子富集微流控芯片，在微流道内实现对样品粒子的富集，同时保持样品粒子悬浮在原有的缓冲液内；既不需要样品具有一定电学、声学、光学特性，也不需要染色或结合标记物，同时操作简单且能高效率运作，具有高普适性、低侵害性、简便、快速的优点。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

基于聚焦式表面声波和微液滴技术的粒子富集微流控芯片，包括由聚二甲基硅氧烷PDMS 2键合在基底4上形成的声学微流控芯片1,聚二甲基硅氧烷PDMS 2构造有微流道3，在基底4上构造有图案化金属层的电极5；

所述的微流道3包括连续相入口3-1和分散相入口3-2，连续相入口3-1、分散相入口3-2和液滴生成区域3-3入口连通，连续相与分散相在液滴生成区域3-3生成包裹有粒子的液滴；液滴生成区域3-3出口和鞘流区3-5入口连通，鞘流区3-5和鞘流液入口3-4、鞘流液出口3-6连通，鞘流液入口3-4与鞘流液出口3-6提供鞘流来调整液滴在鞘流区3-5处的位置，鞘流区3-5出口和总出口3-7连通，分散相与连续相最终从总出口3-7排出；

所述的电极5包括聚焦式叉指换能器5-1与电极接脚5-2，聚焦式叉指换能器5-1在接入高频交流信号后在基底4上产生表面声波，形成聚焦声场。

在液滴生成区域3-3处生成包裹有粒子的液滴后，液滴生成区域3-3出口和鞘流区3-5之间在使用聚焦式叉指换能器5-1与电极接脚5-2形成的富集器1-1进行阻隔并富集，或在鞘流区3-5使用聚焦式叉指换能器5-1与电极接脚5-2形成的双向富集器1-2进行捕获、阻隔、富集的操作。

所述的电极5的加工工艺，包括以下步骤：

1)清洗：基底4为双面抛光的128°YX铌酸锂晶片，对基底4表面进行清洗；

2)将光刻胶4-1通过喷雾匀胶机匀在基底4表面；

3)通过双面对准曝光机来完成图案从掩膜版4-2到光刻胶4-1上的转移；

4)将曝好光的基底4放入显影液中浸泡，造成光刻胶4-1溶解；

5)在基底4上溅射种子层材料，再选用金4-3作为电极5的材料，种子层材料为铬；

6)先将溅射完金4-3的基底4放入丙酮溶液中浸泡，待叉指周围的金4-3脱落后，再将基底4放入新的丙酮溶液中进行超声处理，直至电极5轮廓完全显现后将基底4取出，并用去离子水清洗干净，然后用在50～75℃下烘干，即形成所需的电极5的图案，电极5的两端电极接脚5-2还需连接有导线。

本发明的有益效果为：

本发明利用液滴微流控中的液滴声学操纵方法，将多个液滴内的样品粒子转移至同一个小型液滴内，以此实现粒子富集。本发明既不需要样品具有特定性质或标志物，也不会对样品施加多余的物理场或过大应力；既不会影响样品原有的外界环境，同时能够将样品粒子富集在小范围的区域里；既能够实现非侵入、无损害、易操作的样品富集过程，同时也能将样品粒子保存在微米级的液滴环境内而不受外界环境影响。

由于本发明采用基于聚焦式叉指换能器5-1的表面声波粒子富集实现方式，具有操作简便、可重复使用、富集程度可控等优点；通过调节电压的大小，可对样品富集程度进行控制。

由于本发明采用基于聚焦式叉指换能器5-1在微流道3内产生聚焦声场5-3来阻隔液滴的富集实现方式，能够使得样品粒子6-3始终保持在其原有的液体环境内，而不受外界环境影响。

本发明采用声学微流控芯片1，具有设备尺寸小、操作简单、所需洁净空间小等优点；具有对生化实验兼容性高、对实验环境和人员要求低等优点。

附图说明

图1为本发明实施例的三维视图，其中图1a为由聚二甲基硅氧烷PDMS 2构造的微流道3的示意图，图1b为在基底4上构造的图案化金属层的电极5的示意图，图1c为聚二甲基硅氧烷PDMS 2键合在图1b中的基底4上的示意图。

图2为本发明实施例微流道的俯视图。

图3为本发明实施例电极的俯视图。

图4为本发明实施例富集器的示意图。

图5为本发明实施例电极的加工工艺图。

图6为本发明实施例微流控芯片的富集原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

参照图1a、图1b和图1c，基于聚焦式表面声波和微液滴技术的粒子富集微流控芯片，为声学微流控芯片1，其由图1a中的聚二甲基硅氧烷PDMS 2键合在图1b中的基底4上形成声学微流控芯片1，聚二甲基硅氧烷PDMS 2构造有微流道3，在基底4上构造有图案化金属层的电极5。

参照图2，所述的微流道3包括连续相入口3-1和分散相入口3-2，连续相入口3-1、分散相入口3-2和液滴生成区域3-3入口连通，连续相与分散相在液滴生成区域3-3生成包裹有粒子的液滴；液滴生成区域3-3出口和鞘流区3-5入口连通，鞘流区3-5和鞘流液入口3-4、鞘流液出口3-6连通，鞘流液入口3-4与鞘流液出口3-6提供鞘流来调整液滴在鞘流区3-5处的位置，鞘流区3-5出口和总出口3-7连通，分散相与连续相最终从总出口3-7排出。

参照图3，所述的电极5包括聚焦式叉指换能器5-1与电极接脚5-2，聚焦式叉指换能器5-1在接入高频交流信号后在基底4上产生表面声波，形成聚焦声场。

参照图4，在液滴生成区域3-3处生成包裹有粒子的液滴后，液滴生成区域3-3出口和鞘流区3-5之间在使用聚焦式叉指换能器5-1与电极接脚5-2形成的富集器1-1进行阻隔并富集，或在鞘流区3-5使用聚焦式叉指换能器5-1与电极接脚5-2形成的双向富集器1-2进行捕获、阻隔、富集的操作。

参照图5，所述的电极5的加工工艺，包括以下步骤：

1)参照图5a，清洗：基底4为双面抛光的128°YX铌酸锂晶片，为保证其上涂覆光刻胶的平整度，对基底4表面进行清洗以保证洁净；

2)参照图5b，将光刻胶4-1通过喷雾匀胶机匀在基底4表面；

3)参照图5c，对光刻胶4-1采用分辨率较高的接触式曝光，通过双面对准曝光机来完成图案从掩膜版4-2到光刻胶4-1上的转移；

4)参照图5d，将曝好光的基底4放入提前配制好的显影液中浸泡，期间轻轻摇晃以促进光刻胶4-1和溶液的充分接触；由于浸泡时间过长会造成线宽过大，过短则会造成光刻胶4-1溶解不透，因此需要对显影时间进行严格的控制；

5)参照图5e，为保证电极5的导电性以及与基底4的粘附性，在基底4上先溅射种子层材料铬，再选用金4-3作为电极5的材料，溅射主要通过多靶材溅射系统来完成；

6)参照图5f，先将溅射完金4-3的基底4放入丙酮溶液中浸泡数分钟，待叉指周围大部分的金4-3脱落后，再将基底4放入新的丙酮溶液中进行超声处理，以促进光刻胶4-1的溶解，直至电极5轮廓完全显现后将基底4取出，并用去离子水清洗干净，然后用压缩空气将表面附着的水滴吹干，即形成所需的电极5图案；同时为方便与电学设备相连，电极5的两端电极接脚5-2还需连接有导线。

本发明的工作原理为：参照图6，通过连续相入口3-1的连续相6-1和通过分散相入口3-2的分散相6-2在液滴生成区域3-3生成样品液滴6-4，样品液滴6-4为一个包裹有样品粒子6-3的微米级液滴；样品液滴6-4在聚焦式叉指换能器5-1形成的聚焦声场5-3的阻隔下被捕获，多个样品液滴6-4会汇聚生成大型液滴，大量的样品粒子6-3会集中在靠近聚焦声场5-3的液滴边缘；在液滴尺寸超过声场承受能力后，会有一部分液滴在边缘逃逸，生成富含样品粒子6-3的样品富集液滴6-5；样品富集液滴6-5为由样品原始液体环境包裹大量样品粒子6-3的液滴，由此实现了对样品粒子6-3的富集。

Claims (3)

1.基于聚焦式表面声波和微液滴技术的粒子富集微流控芯片，包括由聚二甲基硅氧烷PDMS(2)键合在基底(4)上形成的声学微流控芯片(1),聚二甲基硅氧烷PDMS(2)构造有微流道(3)，在基底(4)上构造有图案化金属层的电极(5)，其特征在于：

所述的微流道(3)包括连续相入口(3-1)和分散相入口(3-2)，连续相入口(3-1)、分散相入口(3-2)和液滴生成区域(3-3)入口连通，连续相与分散相在液滴生成区域(3-3)生成包裹有粒子的液滴；液滴生成区域(3-3)出口和鞘流区(3-5)入口连通，鞘流区(3-5)和鞘流液入口(3-4)、鞘流液出口(3-6)连通，鞘流液入口(3-4)与鞘流液出口(3-6)提供鞘流来调整液滴在鞘流区(3-5)处的位置，鞘流区(3-5)出口和总出口(3-7)连通，分散相与连续相最终从总出口(3-7)排出；

所述的电极(5)包括聚焦式叉指换能器(5-1)与电极接脚(5-2)，聚焦式叉指换能器(5-1)在接入高频交流信号后在基底(4)上产生表面声波，形成聚焦声场。

2.根据权利要求1所述的基于聚焦式表面声波和微液滴技术的粒子富集微流控芯片，其特征在于：在液滴生成区域(3-3)处生成包裹有粒子的液滴后，液滴生成区域(3-3)出口和鞘流区(3-5)之间在使用聚焦式叉指换能器(5-1)与电极接脚(5-2)形成的富集器(1-1)进行阻隔并富集，或在鞘流区(3-5)使用聚焦式叉指换能器(5-1)与电极接脚(5-2)形成的双向富集器(1-2)进行捕获、阻隔、富集的操作。

3.根据权利要求1所述的基于聚焦式表面声波和微液滴技术的粒子富集微流控芯片，其特征在于，所述的电极(5)的加工工艺，包括以下步骤：

1)清洗：基底(4)为双面抛光的128°YX铌酸锂晶片，对基底(4)表面进行清洗；

2)将光刻胶(4-1)通过喷雾匀胶机匀在基底(4)表面；

3)通过双面对准曝光机来完成图案从掩膜版(4-2)到光刻胶(4-1)上的转移；

4)将曝好光的基底(4)放入显影液中浸泡，造成光刻胶(4-1)溶解；

5)在基底(4)上溅射种子层材料，再选用金(4-3)作为电极(5)的材料，种子层材料为铬；

6)先将溅射完金(4-3)的基底(4)放入丙酮溶液中浸泡，待叉指周围的金(4-3)脱落后，再将基底(4)放入新的丙酮溶液中进行超声处理，直至电极(5)轮廓完全显现后将基底(4)取出，并用去离子水清洗干净，然后用在50～75℃下烘干，即形成所需的电极(5)的图案，电极(5)的两端电极接脚(5-2)还需连接有导线。