CN110624427B - 一种基于表面声波微流控的气泡生成装置及方法 - Google Patents

一种基于表面声波微流控的气泡生成装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于表面声波的微流控气泡生成装置及方法，装置包括压电基底，压电基底上制作有两个以上的弧形电极对，压电基底上部键合有PDMS微流道系统，PDMS微流道系统包括两个以上的微气泡生成流道阵列，弧形电极对与PDMS微流道系统配合；方法是先将微流控气泡生成装置固定在显微镜的载物台上，然后将微流控气泡生成装置接入，开启注射泵，设置气相入口接头、液相入口接头的流速以稳定生成气泡；再将信号发生器与弧形电极对连接，调节信号发生器的输出信号以控制气泡生成的大小；本发明在保证气泡高通量生成的同时，调节输入正弦电压幅值、频率的大小，可以柔性实时调控微气泡的生成大小。

Description

一种基于表面声波微流控的气泡生成装置及方法
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微流控的气泡生成装置及方法。
背景技术
微气泡广泛用于多种应用，例如超声波扫描，药物发现，基因治疗和食品工业，在诸多应用当中，气泡产生的方法非常重要，如中国专利(公开号为CN 109158039 A)公开了一种超声波微气泡生成方法，采用超声波振荡的方法，能生成含有1-50um大小的气泡；目前已有的方法还有包括聚焦流体微流控装置和T型微流道装置的方法，这些方法在过去15年中已达到非常成熟的水平，通过调节气相(分散相)和液相(连续相)的输入压力，气相可以被液相快速剪成微气泡中，液相通常是油和水溶液。例如，通过聚焦微流控装置和T型微流道装置的并联结构，在不到一小时的时间内就能产生1011个气泡(Jeong H H,Chen Z,Yadavali S,et al.Large-scale production of compound bubbles usingparallelized microfluidics for efficient extraction ofmetal ions[J].Lab on aChip,2019,19,665-673)。中国专利(公开号为CN109701430A)公开了一种振动管路控制T型微流控芯片生成微气泡的方法，能够实现单分散微气泡序列的形成；中国专利(公开号为CN105688721 A)公开了一种用于生成球状微气泡的微流控芯片，通过调节液体流量，来生成不同直径大小的微气泡。
然而，在大多数微流体装置中，压力源通常远离微流控芯片，需要通过很长的连接管与微流体芯片相连，流体或通道材料的可压缩性会引起时间延迟(Chong Z Z,Tan S H,,et al.Active droplet generation in microfluidics[J].Lab onA Chip,2015,16(1):35-58.Collins D J,Alan T,Helmerson K,et al.Surface acoustic waves for on-demand production of picoliter droplets and particle encapsulation.[J].Lab onA Chip,2013,13(16):3225-3231.)，因此，如果需要在调节气泡尺寸时进行按需实时调控，以上方法有一些局限，需要较长的系统响应时间来稳定气泡产生，不能满足当前对仪器小型化、集成化的需要。
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微流控的气泡生成装置及方法，除了具有原有T型流道微气泡生成方法高速生成气泡的优点，还可通过调节输入正弦电压幅值、频率的大小，实时按需的对气泡生成速率以及大小进行集成控制，而且装置体积较小，便于与其他装置进行集成实现仪器的小型化，增强了器件使用的可重复性。
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气泡生成装置，包括压电基底1，压电基底1上制作有两个以上的弧形电极对，压电基底1上部键合有PDMS微流道系统，PDMS微流道系统包括两个以上的微气泡生成流道阵列，弧形电极对与PDMS微流道系统配合；
所述的PDMS微流道系统包括两组T型微气泡生成流道阵列，其中第一组T型微气泡生成流道阵列包括第一气相通道2、第一液相通道3、第二液相通道5和第二气相通道7，第一气相通道2的入口端与第二气相通道7入口端交汇后与气相入口接头15连接，第一气相通道2的出口端与第一液相通道3的中部连通；第一液相通道3的入口端与第二液相通道5的入口端交汇后与液相入口接头6连接，第一液相通道3的出口端与第一气泡收集接头17连接；第二气相通道7的出口端与第二液相通道5的中部连通，第二液相通道5的出口端与第二气泡收集接头16连接；
第二组T型微气泡生成流道阵列包括第三气相通道8、第三液相通道9、第四液相通道11和第四气相通道12，第三气相通道8的入口端与第四气相通道12入口端交汇后与气相入口接头15连接，第三气相通道8的出口端与第三液相通道9的中部连通，第三液相通道9的入口端与第四液相通道11的入口端交汇后与液相入口接头6连接，第三液相通道3的出口端与第三气泡收集接头14连接；第四气相通道12的出口端和第四液相通道11的中部连通，第四液相通道11的出口端与第四气泡收集接头13连接；
所述的弧形电极对包括第一弧形叉指电极对4、第二对弧形叉指电极对10，每个弧形叉指电极对由两个弧形叉指电极组成，弧形叉指电极包括若干对叉指，弧形角度呈60°。
所述的第一弧形叉指电极对4、第二对弧形叉指电极对10中的每个弧形叉指电极包括15对叉指，指条宽度为25微米，弧形角度为60°。
所述的PDMS微流道系统与第一弧形叉指电极对4、第二对弧形叉指电极对10之间的相对位置为：第一弧形叉指电极对4与第一气相通道2、第一液相通道3的连通口的对称中心线重合，第一弧形叉指电极对4上左边的弧形叉指电极的汇聚中心在靠近第一液相通道3一侧的流道壁上，第一弧形叉指电极对4上右边的弧形叉指电极的汇聚中心在靠近第二液相通道5一侧的流道壁上；第二弧形叉指电极对10与第三气相通道8、第三液相通道9的连通口的对称中心线重合，第二弧形叉指电极对10上右边的弧形叉指电极的汇聚中心在靠近第三液相通道9一侧的流道壁上，第二弧形叉指电极对10上右边的弧形叉指电极的汇聚中心在靠近第四液相通道11一侧的流道壁上。
所述的PDMS微流道系统中通道的高度均为80微米，通道不同部位的宽度值不同，第一气相通道2、第二气相通道7、第三气相通道8和第四气相通道12的宽度均为30um，为一条圆弧形流道；第一液相通道3、第二液相通道5、第三液相通道9和第四液相通道10的宽度100um，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。
所述的第一弧形叉指电极对4、第二对弧形叉指电极对10采用50纳米底层铬和200纳米上层金的双层结构。
所述的一种基于表面声波微流控的气泡生成装置的使用方法，包括以下步骤：
1)将基于表面声波微流控的气泡生成装置固定在显微镜的载物台上，通过物镜观察确保PDMS微流道系统中的两组T型微气泡生成流道阵列，处于显微镜视场内并且无倾斜；
2)将气相入口接头15、液相入口接头6通过特氟龙导管分别与氮气压力注射泵上的气相储液瓶、液相储液瓶连接，第一气泡收集接头17、第二气泡收集接头16、第三气泡收集接头14和第四气泡收集接头13通过特氟龙导管与气泡收集容器相连接；
3)将信号发生器的输出信号的正负两极分别与第一弧形叉指电极对4、第二对弧形叉指电极对10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，气相入口接头15、液相入口接头6分别设定相应的流速，在T型微气泡生成流道阵列稳定生成气泡；
5)然后按下信号发生器“输出”按钮，压电基底1上产生汇聚声表面波，声表面波作用于气泡生成位置，使气相液相交汇处的气泡生成区域的两相流界面处的压强分布发生变化，从而实现对气泡大小的调控。
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气泡生成方法对微流道结构以及流速的过分依赖的缺点，在保证气泡高通量生成的同时，调节输入正弦电压幅值、频率的大小，可以柔性实时调控微气泡的生成大小。
(2)本发明气相通道与液相通道组合的T型微气泡生成流道阵列，可继续扩展，进行更大规模的气泡高通量生成。
(3)本装置可以实现油包气、水包气气泡的高通量生成。
(4)本发明装置体积较小，生成气泡快速且大小均匀，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是本发明基于表面声波的微流控气泡生成装置的等轴侧视图。
图2是本发明基于表面声波的微流控气泡生成装置的气泡生成原理图。
图3是本发明基于表面声波的微流控气泡生成装置在显微镜下的气泡生成图。
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气泡生成装置，包括压电基底1，压电基底1上通过光刻、溅射、剥离工艺直接制作有两个弧形电极对，压电基底1上部键合有PDMS微流道系统，PDMS微流道系统包括两个以上的微气泡生成流道阵列，弧形电极对与PDMS微流道系统配合，PDMS微流道系统用于容纳气相溶液和液相溶液样品，为气泡的生成提供环境并且将生成的气泡输送至气泡收集口处；
所述的PDMS微流道系统包括两组T型微气泡生成流道阵列，其中第一组T型微气泡生成流道阵列包括第一气相通道2、第一液相通道3、第二液相通道5和第二气相通道7，第一气相通道2的入口端与第二气相通道7入口端交汇后与气相入口接头15连接，第一气相通道2的出口端与第一液相通道3的中部连通；第一液相通道3的入口端与第二液相通道5的入口端交汇后与液相入口接头6连接，第一液相通道3的出口端与第一气泡收集接头17连接；第二气相通道7的出口端与第二液相通道5的中部连通，第二液相通道5的出口端与第二气泡收集接头16连接；
第二组T型微气泡生成流道阵列包括第三气相通道8、第三液相通道9、第四液相通道11和第四气相通道12，第三气相通道8的入口端与第四气相通道12入口端交汇后与气相入口接头15连接，第三气相通道8的出口端与第三液相通道9的中部连通，第三液相通道9的入口端与第四液相通道11的入口端交汇后与液相入口接头6连接，第三液相通道3的出口端与第三气泡收集接头14连接；第四气相通道12的出口端和第四液相通道11的中部连通，第四液相通道11的出口端与第四气泡收集接头13连接；
气相入口接头15与液相入口接头6分别通入气体和液相(油相或水相)，分别在第一气相通道2的出口端与第一液相通道3的中部连通处，第二气相通道7的出口端与第二液相通道5的中部连通处，第三气相通道8的出口端与第三液相通道9的中部连通处，第四液相通道11的中部与第四气相通道12连通处，液相对气相进行剪切生成微气泡，如图2所示；第一气泡收集接头17、第二气泡收集接头16、第三气泡收集接头14和第四气泡收集接头13用以收集产生的微气泡。
所述的弧形电极对包括第一弧形叉指电极对4、第二对弧形叉指电极对10，每个弧形叉指对由两个弧形叉指电极组成，弧形叉指电极包括若干对叉指，弧形角度呈60°，用于在压电基底1表面产生汇聚表面声波。
所述的第一弧形叉指电极对4、第二对弧形叉指电极对10中的每个弧形叉指电极包括15对叉指，指条宽度为25微米，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微流道系统与第一弧形叉指电极对4、第二对弧形叉指电极对10之间的相对位置为：第一弧形叉指电极对4与第一气相通道2、第一液相通道3的连通口的对称中心线重合，第一弧形叉指电极对4上左边的弧形叉指电极的汇聚中心在靠近第一液相通道3一侧的流道壁上，第一弧形叉指电极对4上右边的弧形叉指电极的汇聚中心在靠近第二液相通道5一侧的流道壁上；第二弧形叉指电极对10与第三气相通道8、第三液相通道9的连通口的对称中心线重合，第二弧形叉指电极对10上右边的弧形叉指电极的汇聚中心在靠近第三液相通道9一侧的流道壁上，第二弧形叉指电极对10上右边的弧形叉指电极的汇聚中心在靠近第四液相通道11一侧的流道壁上；压电基底1上产生汇聚声表面波，声表面波作用于第一气相通道2的出口端与第一液相通道3的中部连通处，第二气相通道7的出口端与第二液相通道5的中部连通处，第三气相通道8的出口端与第三液相通道9的中部连通处，第四液相通道11的中部与第四气相通道12连通处的气泡生成区域，使气相液相交汇处的气泡生成区域的两相流界面处的压强分布发生变化，从而实现对气泡大小的调控。
所述的PDMS微流道系统中通道的高度均为80微米，通道不同部位的宽度值不同，第一气相通道2、第二气相通道7、第三气相通道8和第四气相通道12的宽度均为30um，为一条圆弧形流道；第一液相通道3、第二液相通道5、第三液相通道9和第四液相通道10的宽度100um，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。
所述的第一弧形叉指电极对4、第二对弧形叉指电极对10采用50纳米底层铬和200纳米上层金的双层结构，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，便于对气泡生成过程进行光学监测和记录。
所述的一种基于表面声波微流控的气泡生成装置的使用方法，包括以下步骤：
1)将基于表面声波微流控的气泡生成装置固定在显微镜的载物台上，通过物镜观察确保PDMS微流道系统中的两组T型微气泡生成流道阵列，处于显微镜视场内并且无倾斜；
2)将气相入口接头15、液相入口接头6通过特氟龙导管分别与氮气压力注射泵上的气相储液瓶、液相储液瓶连接，第一气泡收集接头17、第二气泡收集接头16、第三气泡收集接头14和第四气泡收集接头13通过特氟龙导管与气泡收集容器相连接；
3)将信号发生器的输出信号的正负两极分别与第一弧形叉指电极对4、第二对弧形叉指电极对10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，气相入口接头15、液相入口接头6分别设定相应的流速，第一组T型微气泡生成流道阵列，第二组T型微气泡生成流道阵列处稳定生成气泡；
5)然后按下信号发生器“输出”按钮，压电基底1上产生汇聚声表面波，声表面波作用于气泡生成位置，使气相液相交汇处的气泡生成区域的两相流界面处的压强分布发生变化，从而实现对气泡大小的调控。
参照图2，气泡在PDMS微流道系统1中的生成过程为：作为气相，气体进入第一气相通道2、第二气相通道7、第三气相通道8、第四气相通道12，同时液相进入第一液相通道3、第二液相通道5、第三液相通道9、第四液相通道11，通过注射泵调节气相和液相的输入流速，在第一气相通道2的出口端与第一液相通道3的中部连通处，第二气相通道7的出口端与第二液相通道5的中部连通处，第三气相通道8的出口端与第三液相通道9的中部连通处，第四液相通道11的中部与第四气相通道12连通处，液相对气相进行剪切生成微气泡，压电基底上产生汇聚声表面波，在声辐射力作用下，声表面波作用于第一气相通道2的出口端与第一液相通道3的中部连通处，第二气相通道7的出口端与第二液相通道5的中部连通处，第三气相通道8的出口端与第三液相通道9的中部连通处，第四液相通道11的中部与第四气相通道12连通处的气泡生成区域，使气相液相交汇处的气泡生成区域的两相流界面处的压强分布发生变化，从而实现对气泡大小的调控；调节正弦交流电压的输入电压幅值与频率参数，即可柔性调控气泡的生成大小，实现微气泡的连续生成，如图3所示。

Claims (6)

1.一种基于表面声波的微流控气泡生成装置，包括压电基底(1)，其特征在于：压电基底(1)上制作有两个以上的弧形电极对，压电基底(1)上部键合有PDMS微流道系统，PDMS微流道系统包括两个以上的微气泡生成流道阵列，弧形电极对与PDMS微流道系统配合；
所述的PDMS微流道系统包括两组T型微气泡生成流道阵列，其中第一组T型微气泡生成流道阵列包括第一气相通道(2)、第一液相通道(3)、第二液相通道(5)和第二气相通道(7)，第一气相通道(2)的入口端与第二气相通道(7)入口端交汇后与气相入口接头(15)连接，第一气相通道(2)的出口端与第一液相通道(3)的中部连通；第一液相通道(3)的入口端与第二液相通道(5)的入口端交汇后与液相入口接头(6)连接，第一液相通道(3)的出口端与第一气泡收集接头(17)连接；第二气相通道(7)的出口端与第二液相通道(5)的中部连通，第二液相通道(5)的出口端与第二气泡收集接头(16)连接；
第二组T型微气泡生成流道阵列包括第三气相通道(8)、第三液相通道(9)、第四液相通道(11)和第四气相通道(12)，第三气相通道(8)的入口端与第四气相通道(12)入口端交汇后与气相入口接头(15)连接，第三气相通道(8)的出口端与第三液相通道(9)的中部连通，第三液相通道(9)的入口端与第四液相通道(11)的入口端交汇后与液相入口接头(6)连接，第三液相通道(9)的出口端与第三气泡收集接头(14)连接；第四气相通道(12)的出口端和第四液相通道(11)的中部连通，第四液相通道(11)的出口端与第四气泡收集接头(13)连接；
所述的弧形电极对包括第一弧形叉指电极对(4)、第二对弧形叉指电极对(10)，每个弧形叉指电极对由两个弧形叉指电极组成，弧形叉指电极包括若干对叉指，弧形角度呈60°；
所述的PDMS微流道系统与第一弧形叉指电极对(4)、第二对弧形叉指电极对(10)之间的相对位置为：第一弧形叉指电极对(4)与第一气相通道(2)、第一液相通道(3)的连通口的对称中心线重合，第一弧形叉指电极对(4)上左边的弧形叉指电极的汇聚中心在靠近第一液相通道(3)一侧的流道壁上，第一弧形叉指电极对(4)上右边的弧形叉指电极的汇聚中心在靠近第二液相通道(5)一侧的流道壁上；第二弧形叉指电极对(10)与第三气相通道(8)、第三液相通道(9)的连通口的对称中心线重合，第二弧形叉指电极对(10)上右边的弧形叉指电极的汇聚中心在靠近第三液相通道(9)一侧的流道壁上，第二弧形叉指电极对(10)上右边的弧形叉指电极的汇聚中心在靠近第四液相通道(11)一侧的流道壁上。
2.根据权利要求1所述的一种基于表面声波的微流控气泡生成装置，其特征在于：所述的第一弧形叉指电极对(4)、第二对弧形叉指电极对(10)中的每个弧形叉指电极包括15对叉指，指条宽度为25微米，弧形角度为60°。
3.根据权利要求1所述的一种基于表面声波的微流控气泡生成装置，其特征在于：所述的PDMS微流道系统中通道的高度均为80微米，通道不同部位的宽度值不同，第一气相通道(2)、第二气相通道(7)、第三气相通道(8)和第四气相通道(12)的宽度均为30um，为一条圆弧形流道；第一液相通道(3)、第二液相通道(5)、第三液相通道(9)和第四液相通道(11)的宽度100um，为一条直流道。
4.根据权利要求1所述的一种基于表面声波的微流控气泡生成装置，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。
5.根据权利要求1所述的一种基于表面声波的微流控气泡生成装置，其特征在于：所述的第一弧形叉指电极对(4)、第二对弧形叉指电极对(10)采用50纳米底层铬和200纳米上层金的双层结构。
6.根据权利要求1所述的一种基于表面声波微流控气泡生成装置的使用方法，包括以下步骤：
1)将基于表面声波微流控的气泡生成装置固定在显微镜的载物台上，通过物镜观察确保PDMS微流道系统中的两组T型微气泡生成流道阵列，处于显微镜视场内并且无倾斜；
2)将气相入口接头(15)、液相入口接头(6)通过特氟龙导管分别与氮气压力注射泵上的气相储液瓶、液相储液瓶连接，第一气泡收集接头(17)、第二气泡收集接头(16)、第三气泡收集接头(14)和第四气泡收集接头(13)通过特氟龙导管与气泡收集容器相连接；
3)将信号发生器的输出信号的正负两极分别与第一弧形叉指电极对(4)、第二对弧形叉指电极对(10)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，气相入口接头(15)、液相入口接头(6)分别设定相应的流速，在T型微气泡生成流道阵列稳定生成气泡；
5)然后按下信号发生器“输出”按钮，压电基底(1)上产生汇聚声表面波，声表面波作用于气泡生成位置，使气相液相交汇处的气泡生成区域的两相流界面处的压强分布发生变化，从而实现对气泡大小的调控。
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