CN110860321B - 一种可控微尺度气泡芯片及声流控颗粒分离方法及系统 - Google Patents

一种可控微尺度气泡芯片及声流控颗粒分离方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种可控微尺度气泡芯片及声流控颗粒分离方法及系统，通过芯片结构设计可获得稳定的可控微尺度气泡。该声流控颗粒分离方法，在可控微尺度气泡芯片的基础上通过控制气泡的尺寸稳定，从而控制气液交界面附近的液体流动稳定，进而对目标颗粒进行富集，通入缓冲液实现颗粒分离。该声流控颗粒分离系统，在可控微尺度气泡芯片的基础上，利用基于视觉的气压控制系统对气泡尺寸进行实时调整，使得气泡在颗粒分离过程中自动保持在稳定的尺寸。本发明分离方法极大减少了参数调整的复杂性，同一芯片的分离实验仅通过调整气泡尺寸，即可实现稳定、可重复的颗粒分离实验。

Description

一种可控微尺度气泡芯片及声流控颗粒分离方法及系统
技术领域
本发明涉及微流控、声学及自动化领域，具体是一种可控微尺度气泡芯片及声流控颗粒分离方法及系统。
背景技术
微流控技术或微流体技术(Microfluidics)是在微米尺度下对微量流体进行操作处理的科学和技术体系。在微流控芯片上施加振动使气泡的气液交界面发生振动，实现对气液交界面附近液体流动的控制，在微流体液体混液、微小颗粒分离等微尺度操作方面具有广阔前景。
向液体中的气泡施加声场，当施加的声场频率与气泡共振频率满足一定关系时，气泡产生振动，并带动气液交界面附近的液体按某一规律循环运动，即声场涡流。颗粒在随涡流运动过程中，受到曳力Fd与辐射力Fr，其中曳力是使颗粒跟随涡流运动的力，辐射力是将颗粒拉向气泡的力，两力共同作用于颗粒，进而形成颗粒涡流，公式如下所示：
Fd＝-6πηRPυP (1)
式中：η——液体系数；RP是颗粒半径(m)；
υP——颗粒与涡流中液体相对运动速度(m/s)。
Figure BDA0002312899560000011
式中:RP——颗粒半径(m)；
ρo——流体密度(kg/m3)；
ρp——颗粒密度(kg/m3)；
Ro——气泡半径(m)；
r——与气泡间距离(m)；
ω——角频率(rad/s)；
ωo——固有角频率(rad/s)；
βtot——总阻尼常数；
PA——声压幅度(kPa)。
过去的分离实验过程中，通入颗粒混合溶液时，不同尺寸颗粒被同时富集于声场涡流之中，因受力不同，不同尺寸颗粒的运动轨迹不同，如图1所示。此时通入缓冲液，小颗粒因尺寸较小，涡流对其施加的力较小，故会被缓冲液冲出，仅留下涡流中的大颗粒，实现分离。气泡随机生成及气泡尺寸不可控的问题，使富集过程具有不稳定、不可控的特性，分离效果及分离实验的重复性受到很大影响。
2018年Tony Jun Huang团队对基于气泡的声涡流进行总结，声场中气泡尺寸不可控且在实验再现方面具有一定限制。目前常用的声学颗粒分离方法是基于不可控气泡的声流控颗粒分离，导致无法实现重复性高且稳定的颗粒分离。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提出一种可控微尺度气泡芯片，通过结构设计可获得稳定的可控微尺度气泡。进而，在可控微尺度气泡芯片的基础上，提出了一种声流控颗粒分离方法，通过控制气泡的尺寸稳定，从而控制气液交界面附近的液体流动稳定，进而对目标颗粒进行富集，通入缓冲液实现颗粒分离。此外，还在可控微尺度气泡芯片的基础上，提出了一种声流控颗粒分离系统；该系统在颗粒分离过程中，利用基于视觉的气压控制系统对气泡尺寸进行实时调整，使其保持稳定。
本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种可控微尺度气泡芯片，其特征在于，所述可控微尺度气泡芯片为主体结构、振源的输出端与载玻片复合而成，主体结构内部设置有一道水平的液体通道，液体通道的液体输入口与液体输出口位于主体结构的上表面上；在主体结构的与液体通道同等高度的位置上设置有一个与液体通道平行的气体通道，气体通道的气体输入口位于主体结构的上表面上；主体结构除液体通道的液体输入口、液体输出口和气体通道的气体输入口外，其它部分为封闭结构，且气体通道的气体输入口靠近液体通道的液体输入口的一侧；在液体通道朝向气体通道一侧的侧壁上向气体通道一侧延伸有“V”型豁口结构，液体通道与气体通道之间无贯通；液体通道与气体通道之间存在的主体结构部分为斥水透气层；
所述主体结构采用具有斥水性透气性材料制备而成。
进一步的，本发明设计一种声流控颗粒分离方法，其特征在于，该方法采用如上所述的可控微尺度气泡芯片和下述步骤：
1)往可控微尺度气泡芯片的液体通道中注入两种尺寸颗粒的混合溶液，液体通道的豁口结构处产生气泡，往可控微尺度气泡芯片的气体通道通入气体，使气泡尺寸增大；
2)开启振源的信号发生器，调整其频率和电压的方波，气泡在信号发生器的频率输出端的带动下产生振动，当信号发生器的输出频率与气泡的固有频率相同时，液体通道内出现声场涡流，声场涡流对溶液中的颗粒进行富集，不同尺寸的颗粒在声场涡流的不同轨道运动；
3)观察液体通道内的声场涡流，调节气体通道通入气体的气体压强大小以使声场涡流内颗粒运动轨迹范围最大，并记录此时的气泡尺寸大小；
4)通过显微镜工业相机实时监控气泡尺寸大小，并以步骤3)中记录的气泡尺寸为基准尺寸，当实时监控到的气泡尺寸大于基准尺寸，则调小通入气体通道中的气体的气体压强；当实时监控到的气泡尺寸小于基准尺寸，则调大通入气体通道中的气体的气体压强；
5)在步骤4)的基础上，往液体通道的液体输入口匀速输入缓冲液，较小尺寸颗粒随缓冲液流出液体通道，实现两种尺寸颗粒的分离。
进一步的，本发明设计一种声流控颗粒分离系统，其特征在于，该系统包括如上所述的可控微尺度气泡芯片，还包括注射器、注射泵、无油空气压缩机、压力泵控制器、比例阀、PC上位机、FPGA模块、PWM电压转换芯片、显微镜工业相机；
无油空气压缩机与一个比例阀连接，用于正压气体调节；压力泵控制器与另一个比例阀连接，用于负压气体调节；两个比例阀通过一个三通转接头与可控微尺度气泡芯片的气体通道的气体输入口连接；与无油空气压缩机连接的比例阀型号为SMC ITV2050-322L5；压力泵控制器型号为elveflow Pressure Generator，与其相连的比例阀型号为SMCITV2090-322L5真空用电-气比例阀；
注射器用于将待分离颗粒的液体注入液体通道内，注射泵用于将缓冲液匀速输入到液体通道中以实现颗粒分离；
显微镜工业相机的镜头设置在可控微尺度气泡芯片的正上方，其拍摄角度正对液体通道的“V”型豁口结构；显微镜工业相机与PC上位机连接，用于采集实时气泡图像数据；PC上位机与FPGA模块采用串口通讯进行连接，FPGA模块的输出引脚与PWM电压转换芯片连接，PWM电压转换芯片的电压输出端与对应的SMC ITV2090-322L5真空用电-气比例阀、SMCITV2050-322L5比例阀相连接；
显微镜工业相机将实时采集的气泡图像数据发送给PC上位机，PC上位机对气泡图像数据进行形态统计处理，并根据处理后的结果，控制FPGA模块输出引脚输出的PWM类型，进而控制电压输出，实现两个比例阀的气压调节，进而控制输送到气体通道的气体压强大小。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、通过芯片的结构设计，可获得稳定的可控微尺度气泡，为颗粒分离的稳定性和可重复性提供基础。
2、相比于已有分离实验中同一芯片因其气泡随机生成且不可控而带来的声场频率、声场幅值、声源位置等复杂参数调整，本发明分离方法极大减少了参数调整的复杂性，同一芯片的分离实验仅通过调整气泡尺寸(气压控制系统)，即可实现稳定、可重复的颗粒分离实验。
3、本发明设计的可控微尺度气泡芯片生成的气泡尺寸为微米级别，且具有快速灵活和易操控的特点。
4、本发明设计的可控微尺度气泡芯片，可通过阵列布局液体通道和气体通过，阵列多个液体通道内壁的缺口结构，进而阵列多个可控微尺度气泡，提高分离效果。
附图说明
图1为1微米和5微米两种尺寸的颗粒在声场涡流中的运动轨迹示意图；
图2为本发明可控微尺度气泡芯片一种实施例的结构示意图；
图3为本发明可控微尺度气泡芯片的下部沿水平面的横向剖视图；
图4为图3的局部放大图；
图5为本发明可控微尺度气泡芯片另一种实施例的结构示意图(剖视图)。
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明设计了一种可控微尺度气泡芯片，所述可控微尺度气泡芯片为主体结构、振源6的输出端与载玻片复合而成，主体结构内部设置有一道水平的液体通道1，液体通道1的液体输入口与液体输出口位于主体结构的上表面上；在主体结构的与液体通道1同等高度的位置上设置有一个与液体通道1平行的气体通道3，气体通道3的气体输入口位于主体结构的上表面上；主体结构除液体通道1的液体输入口、液体输出口和气体通道3的气体输入口外，其他部分为封闭结构，且气体通道3的气体输入口靠近液体通道1的液体输入口的一侧。在液体通道1朝向气体通道3一侧的侧壁上向气体通道3一侧延伸有“V”型豁口结构5，液体通道1与气体通道3之间无贯通；液体通道1与气体通道3之间存在的主体结构部分为斥水透气层2。
进一步的，液体通道1横向截面为“一”字型，气体通道3横向截面为“L”型，且“L”型的一侧边与液体通道1平行，其另一侧边朝向远离液体通道1的一侧且该侧末端延伸到主体结构的上表面上，形成气体通道3的气体输入口。
进一步的，所述“V”型豁口结构5的角度为60°，其数量为一个或多个。
液体通道1可以阵列为N行，每行可以阵列M个缺口结构5从而可产生M个可控微尺度气泡，提高操作点数量，成倍增加被操作物质的总量，如图5所示。
振源6包括信号发生器和压电陶瓷，压电陶瓷为振源的输出端，压电陶瓷与信号发生器通过导线连接，压电陶瓷粘合在可控微尺度气泡芯片一侧的载玻片上。调整信号发生器的频率及电压至适宜数值，产生声场涡流，实现对微小颗粒的富集。信号发生器的型号为Tektronix AFG1022任意波形/函数发生器。
可控微尺度气泡芯片的主体结构采用具有斥水性透气性材料。存在于液体通道1与气体通道3之间的斥水透气层2将液体与气体通道3隔离，但允许气体进入液体通道1。气体通道3与液体通道1之间的距离小于气体通道3与主体结构边缘部分的距离，使得输入的气体首先向液体通道1部分扩散。
主体结构采用具有斥水性透气材料制备而成，可使气体(如氮气、氧气、二氧化碳)通过而阻止液体的渗透，该材料可以为斥水性透气性PDMS等，优选道康宁184聚二甲基硅氧烷PDMS。
可控微尺度气泡芯片的制备可采用注塑、热压或软光刻工艺；采用斥水透气材料时可采用热压或注塑工艺制备，采用硅胶或橡胶材料时可采用注塑或软光刻工艺制备。在使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制备微流控芯片时，可采用软光刻工艺，封装获得完整芯片。
液体通道1因其斥水特性，无法被充分润湿，因此当液体通道内表面存在的局部结构空间夹角小于液体与液体通道的前进接触角时，则会有空气在流动前进过程中被积存在该空间中，形成可控微尺度气泡。当气体通道压力大于气泡内压力时，于斥水透气层2处形成趋向于气泡的压力梯度，气体通道中的空气透过斥水透气层2扩散到气泡内，气泡尺寸逐渐增大。当气体通道压力小于气泡内压力时，空气反向扩散，气泡尺寸逐渐减小。
进一步的，本发明设计了一种声流控颗粒分离方法，该方法采用上述的可控微尺度气泡芯片和下述步骤：
6)往可控微尺度气泡芯片的液体通道1中注入两种尺寸颗粒的混合溶液，液体通道1的豁口结构5处产生气泡，往可控微尺度气泡芯片的气体通道3通入气体，使气泡尺寸增大；
7)开启振源6的信号发生器，调整其频率和电压的方波，气泡在信号发生器的频率输出端(如压电陶瓷)的带动下产生振动，当信号发生器的输出频率与气泡的固有频率相同时，液体通道1内出现声场涡流，声场涡流对溶液中的颗粒进行富集，不同尺寸的颗粒在声场涡流的不同轨道运动(参见图1)。
气泡振动频率：
Figure BDA0002312899560000081
其中：f是气泡固有频率(Hz)；ρ是液体密度(kg/m3)；σ是液体表面张力(N/m)；k是空气气泡多方指数(取值为1.4)；p液体压强(N/m2)；α是气泡半径(m)。
8)观察液体通道1内的声场涡流，调节气体通道3通入气体的气体压强大小以使声场涡流内颗粒运动轨迹范围最大，并记录此时的气泡尺寸大小；
9)通过显微镜工业相机实时监控气泡尺寸大小，并以步骤3)中记录的气泡尺寸为基准尺寸，当实时监控到的气泡尺寸大于基准尺寸，则调小通入气体通道3中的气体的气体压强；当实时监控到的气泡尺寸小于基准尺寸，则调大通入气体通道3中的气体的气体压强；
10)在步骤4)的基础上，往液体通道1的液体输入口匀速输入缓冲液，较小尺寸颗粒随缓冲液流出液体通道1，实现两种尺寸颗粒的分离。
所述步骤4)具体可参考下述实现方式：显微镜工业相机采集实时气泡图像数据，并将实时气泡图像数据发送给PC上位机。PC上位机将实时气泡图像数据与基准尺寸进行比较，并根据比较结果向FPGA模块发送指令；FPGA模块根据接收的指令，向PWM电压转换芯片发送PWM信号，进而发送相应电信号对对应比例阀进行气压值调节，实现气泡尺寸调整。
进一步，本发明设计一种声流控颗粒分离方系统，该系统包括如上所述的可控微尺度气泡芯片，还包括注射器、注射泵、无油空气压缩机、压力泵控制器、比例阀、PC上位机、FPGA模块、PWM电压转换芯片、显微镜工业相机。
无油空气压缩机与一个比例阀连接，用于正压气体调节；压力泵控制器与另一个比例阀连接，用于负压气体调节；两个比例阀通过一个三通转接头与可控微尺度气泡芯片的气体通道3的气体输入口连接。与无油空气压缩机连接的比例阀型号为SMC ITV2050-322L5；压力泵控制器型号为elveflow Pressure Generator，与其相连的比例阀型号为SMCITV2090-322L5真空用电-气比例阀。
注射器用于将待分离颗粒的液体注入液体通道1内，注射泵用于将缓冲液匀速输入到液体通道1中以实现颗粒分离；注射泵的型号为Longerpump LSP02-1B推拉双通道注射泵。
显微镜工业相机的镜头设置在可控微尺度气泡芯片的正上方，其拍摄角度正对液体通道1的“V”型豁口结构5。显微镜工业相机与PC上位机连接，用于采集实时气泡图像数据；PC上位机与FPGA模块采用串口通讯进行连接，FPGA模块的输出引脚与PWM电压转换芯片连接，PWM电压转换芯片的电压输出端与对应的SMC ITV2090-322L5真空用电-气比例阀、SMC ITV2050-322L5比例阀相连接。
FPGA模块为正点原子FPGA新起点开发板。
显微镜工业相机将实时采集的气泡图像数据发送给PC上位机，PC上位机对气泡图像数据进行形态统计处理，并根据处理后的结果，控制FPGA模块输出引脚输出的PWM类型，进而控制电压输出，实现两个比例阀的气压调节，进而控制输送到气体通道3的气体压强大小。
本发明系统工作原理与工作流程：首先将待分离颗粒的液体通过注射器注入到可控微尺度气泡芯片的液体通道1内，并由无油空气压缩机往气体通道3里输入气体，使豁口结构5处产生较大气泡；然后开启振源6，调节振源的频率，液体通道1内的液体在气泡处产生声场涡流，不同尺寸的颗粒在声场涡流的不同轨道里运动；调节输入到气体通道3的气体压强大小使得使声场涡流内颗粒运动轨迹范围最大，并记录此时气泡尺寸的大小为基准尺寸；启动显微镜工业相机、PC上位机、FPGA模块和PWM电压转换芯片，显微镜工业相机采集气泡图像并发送给PC上位机，PC上位机实时对气泡进行图像处理，并根据气泡基准尺寸发送指令给FPGA模块，进而调节SMC ITV2090-322L5真空用电-气比例阀、SMC ITV2050-322L5比例阀来调整气体通道3的气压，实现对气泡尺寸的调整，使其保持稳定。在显微镜工业相机和PC上位机的实时监控与调节下，通过注射泵匀速缓慢泵入缓冲液到液体通道1内，较小尺寸的颗粒随缓冲液流出液体通道1，实现不同尺寸颗粒的分离。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (9)

1.一种声流控颗粒分离方法，其特征在于，该方法采用可控微尺度气泡芯片和下述步骤：
1)往可控微尺度气泡芯片的液体通道中注入两种尺寸颗粒的混合溶液，液体通道的豁口结构处产生气泡，往可控微尺度气泡芯片的气体通道通入气体，使气泡尺寸增大；
2)开启振源的信号发生器，调整其频率和电压的方波，气泡在信号发生器的频率输出端的带动下产生振动，当信号发生器的输出频率与气泡的固有频率相同时，液体通道内出现声场涡流，声场涡流对溶液中的颗粒进行富集，不同尺寸的颗粒在声场涡流的不同轨道运动；
3)观察液体通道内的声场涡流，调节气体通道通入气体的气体压强大小以使声场涡流内颗粒运动轨迹范围最大，并记录此时的气泡尺寸大小；
4)通过显微镜工业相机实时监控气泡尺寸大小，并以步骤3)中记录的气泡尺寸为基准尺寸，当实时监控到的气泡尺寸大于基准尺寸，则调小通入气体通道中的气体压强；当实时监控到的气泡尺寸小于基准尺寸，则调大通入气体通道中的气体压强；
5)在步骤4)的基础上，往液体通道的液体输入口匀速输入缓冲液，较小尺寸颗粒随缓冲液流出液体通道，实现两种尺寸颗粒的分离；
所述可控微尺度气泡芯片为主体结构、振源的输出端与载玻片复合而成，主体结构内部设置有一道水平的液体通道，液体通道的液体输入口与液体输出口位于主体结构的上表面上；在主体结构的与液体通道同等高度的位置上设置有一个与液体通道平行的气体通道，气体通道的气体输入口位于主体结构的上表面上；主体结构除液体通道的液体输入口、液体输出口和气体通道的气体输入口外，其它部分为封闭结构，且气体通道的气体输入口靠近液体通道的液体输入口的一侧；在液体通道朝向气体通道一侧的侧壁上向气体通道一侧延伸有“V”型豁口结构，液体通道与气体通道之间无贯通；液体通道与气体通道之间存在的主体结构部分为斥水透气层；
所述主体结构采用具有斥水性透气性材料制备而成。
2.一种声流控颗粒分离系统，其特征在于，该系统可实现如权利要求1所述的声流控颗粒分离方法，该系统包括可控微尺度气泡芯片，还包括注射器、注射泵、无油空气压缩机、压力泵控制器、比例阀、PC上位机、FPGA模块、PWM电压转换芯片、显微镜工业相机；
无油空气压缩机与一个比例阀连接，用于正压气体调节；压力泵控制器与另一个比例阀连接，用于负压气体调节；两个比例阀通过一个三通转接头与可控微尺度气泡芯片的气体通道的气体输入口连接；与无油空气压缩机连接的比例阀型号为SMC ITV2050-322L5；压力泵控制器型号为elveflow Pressure Generator，与其相连的比例阀型号为SMCITV2090-322L5真空用电-气比例阀；
注射器用于将待分离颗粒的液体注入液体通道内，注射泵用于将缓冲液匀速输入到液体通道中以实现颗粒分离；
显微镜工业相机的镜头设置在可控微尺度气泡芯片的正上方，其拍摄角度正对液体通道的“V”型豁口结构；显微镜工业相机与PC上位机连接，用于采集实时气泡图像数据；PC上位机与FPGA模块采用串口通讯进行连接，FPGA模块的输出引脚与PWM电压转换芯片连接，PWM电压转换芯片的电压输出端与对应的SMC ITV2090-322L5真空用电-气比例阀、SMCITV2050-322L5比例阀相连接；
显微镜工业相机将实时采集的气泡图像数据发送给PC上位机，PC上位机对气泡图像数据进行形态统计处理，并根据处理后的结果，控制FPGA模块输出引脚输出的PWM类型，进而控制电压输出，实现两个比例阀的气压调节，进而控制输送到气体通道的气体压强大小；
所述可控微尺度气泡芯片为主体结构、振源的输出端与载玻片复合而成，主体结构内部设置有一道水平的液体通道，液体通道的液体输入口与液体输出口位于主体结构的上表面上；在主体结构的与液体通道同等高度的位置上设置有一个与液体通道平行的气体通道，气体通道的气体输入口位于主体结构的上表面上；主体结构除液体通道的液体输入口、液体输出口和气体通道的气体输入口外，其它部分为封闭结构，且气体通道的气体输入口靠近液体通道的液体输入口的一侧；在液体通道朝向气体通道一侧的侧壁上向气体通道一侧延伸有“V”型豁口结构，液体通道与气体通道之间无贯通；液体通道与气体通道之间存在的主体结构部分为斥水透气层；
所述主体结构采用具有斥水性透气性材料制备而成。
3.根据权利要求2所述的一种声流控颗粒分离系统，其特征在于，液体通道横向截面为“一”字型，气体通道横向截面为“L”型，且“L”型的一侧边与液体通道平行，其另一侧边朝向远离液体通道的一侧且该侧末端延伸到主体结构的上表面上，形成气体通道的气体输入口。
4.根据权利要求2所述的一种声流控颗粒分离系统，其特征在于，所述“V”型豁口结构的角度为60°，其数量为一个或多个。
5.根据权利要求2所述的一种声流控颗粒分离系统，其特征在于，振源包括信号发生器和压电陶瓷，压电陶瓷为振源的输出端，压电陶瓷与信号发生器通过导线连接，压电陶瓷粘合在可控微尺度气泡芯片一侧的载玻片上。
6.根据权利要求5所述的一种声流控颗粒分离系统，其特征在于，信号发生器的型号为Tektronix AFG1022任意波形/函数发生器。
7.根据权利要求2所述的一种声流控颗粒分离系统，其特征在于，气体通道与液体通道之间的距离小于气体通道与主体结构边缘部分的距离，使得输入的气体首先向液体通道部分扩散。
8.根据权利要求2所述的一种声流控颗粒分离系统，其特征在于，所述主体结构采用斥水性透气性PDMS制备而成。
9.根据权利要求8所述的一种声流控颗粒分离系统，其特征在于，所述斥水性透气性PDMS为道康宁184聚二甲基硅氧烷PDMS。
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