CN110961031A - 一种非接触式微/纳颗粒操控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超声、微纳控制技术领域，公开了一种非接触式微/纳颗粒操控方法，包括超声换能器、振动传递板、基板与若干个超声针，该方法包括S1将溶液与微/纳颗粒进行混合；S2在基板上滴入S1中混合溶液，形成液滴；S3调整S2中液滴与所述超声针之间的距离，使两者不接触；S4启动超声换能器，调整超声换能器的工作频率与工作电压；S5调整超声针与液滴之间的方向角，实现微/纳颗粒操控。与现有技术相比，本发明由于是非接触式操控，因而不会对微/纳颗粒产生破坏和污染，装置具有易小型化、便捷化和可靠性好等优点。

Description

一种非接触式微/纳颗粒操控方法
技术领域
本发明涉及超声、微纳控制技术领域，特别涉及一种由超声励振在液滴中所产生的非线性声学涡流，来对液滴中微/纳颗粒进行非接触式旋转、聚集、清除等操控的方法。
背景技术
随着生物医学及微纳制造等科学领域的快速发展，如何在实验室与工业生产中实现微/纳颗粒的可控操控已经成为现在科学研究的重要方向，如何以低成本、无破坏、无污染的方式操控微/纳颗粒是我们面临的重大技术课题。已有的微/纳操控方式包含光镊、介电泳、磁泳等，但这些操控方式不仅对微/纳颗粒的光电磁等物性有要求，而且可能对被操控的有机物产生不可逆损伤。利用超声场的非线性效应所产生的涡流对微/纳颗粒进行操控具有结构简单成本低、易于携带小型化、对微/纳颗粒物性无要求、操控功能多样化和非接触无污染等优点。
目前，针对液滴中的微/纳颗粒进行操控的问题已经有一些装置。CN107694475A公开了一种微/纳物质的环状聚集物成形装置的制作方法，该发明采用振动圆环-悬浊液-基板系统，通过兰杰文振子对圆环进行励振，利用做单方向面内振动的圆环在流体中产生的声学流涡流，驱动分散在悬浊液中的微/纳物质运动并聚集在圆环下方，最终在基板上形成微/纳物质的环状聚集物。这种聚集微/纳物质的方式的不足之处在于：振动传递针和圆环与悬浊液直接接触，从而会对微/纳物质产生污染，且气液固三相接触面处易发生超声雾化，从而使液体体积不断缩小并使一部分微/纳物质随雾化微液滴脱离悬浊液。而生物医学上为了操控微/纳物质在细胞或者有机溶液中移动，常采用精密镊子，这很容易使细胞等有机体受到不可逆的损伤。
因此，确有必要对现有技术进行改进以解决现有技术之不足。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种非接触式微/纳颗粒操控方法，该方法依靠与超声换能器相连的超声针将多模态振动在针尖放大，并通过空气将行波超声场传播到液滴内部，从而在液滴内产生非线性声学涡流场，通过调整超声针与液体之间的方位角与高度实现非接触式驱动分散在液滴内的微/纳颗粒随涡流运动。
技术方案：本发明提供了一种非接触式微/纳颗粒操控方法，该操控方法在一装置下完成，该装置包括至少一个超声换能器、振动传递板、基板与若干个超声针，所述基板设于超声换能器正下方，所述振动传递板固定于超声换能器励振端面上，且所述振动传递板位于基板正上方，所述若干个超声针分散的固定于振动传递板上，所述方法包括如下步骤：
S1将溶液与微/纳颗粒进行混合；
S2在基板上滴入步骤S1中混合溶液，形成液滴；
S3调整S2中液滴与所述超声针之间的距离，使两者不接触；
S4启动超声换能器，调整超声换能器的工作频率与工作电压；
S5调整超声针与液滴之间的方向角，实现微/纳颗粒操控。
进一步地，所述装置包括多个超声换能器，多个超声换能器粘接在振动传递板的不同位置,且多个超声换能器的振动幅值、频率和相位不同。
进一步地，所述S3中超声针与液滴之间的方位角、距离均可调。
进一步地，所述超声针与所述振动传递板之间采用悬臂梁的形式粘接、焊接或螺纹连接。
进一步地，所述超声换能器为不同工作频率点的压电片或兰杰文振子。
进一步地，所述S4中超声换能器的工作频率为20kHz到200kHz连续可调，工作电压为1V到10V连续可调。
有益效果：
1.本发明一种非接触式微/纳颗粒操控装置依靠与超声换能器相连的超声针将多模态振动在针尖放大，并通过空气将行波超声场传播到液滴内部，从而在液滴内产生非线性声学涡流场，非接触式驱动分散在液滴内的微/纳颗粒随涡流运动。
2.本发明一种非接触式微/纳颗粒操控装置对微/纳颗粒的物性没有要求，且由于是非接触式操控，因而不会对微/纳颗粒产生破坏和污染。
3.本发明采用压电材料励振和无旋转部件，本发明涉及到的装置具有易小型化、便捷化和可靠性好等优点。
附图说明
图1为本发明非接触式微/纳颗粒操控装置的结构示意图。
其中，1-超声换能器、2-振动传递板、3-超声针、4-液滴、5-基板、6-微/纳颗粒、7-声学涡流。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的介绍。
在发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固 定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参照图1所示，本发明一种非接触式微/纳颗粒操控方法在一个非接触式微/纳颗粒操控装置中完成，该装置包括超声换能器1、振动传递板2、超声针3、液滴4、基板5、微/纳颗粒6。基板5设于超声换能器1正下方，振动传递板2固定于超声换能器1励振端面上，且振动传递板2位于基板5正上方，多个超声针3分散的固定于振动传递板2上，液滴4滴在基板5上，超声针3与液滴4不接触，且超声针3与液滴4之间的距离可调，超声针3相对于液滴4的方位角可调，本实施方式中，使用XYZ三维移动平台来支撑超声换能器1与振动传递板2，可以通过XYZ三维移动平台改变振动传递板2的空间倾角从而调整超声针3相对于液滴4的方位角；可以通过XYZ三维移动平台改变振动传递板2的高度从而调节超声针3与液滴4的距离，本实施方式中超声针3与液滴4上表面的距离控制在0.5mm到1.5mm之间，液滴4的最大直径为30mm，最大高度为1.5mm。
超声换能器1作为高频励振源，振动传递板2和超声针3将超声换能器1的振动传递到超声针的针尖，液滴4静置在基板5上，微/纳颗粒6分散在液滴4内部或者沉降在液滴4与基板5的交界面上。
本发明一种非接触式微/纳颗粒操控装置中振动传递板2粘接在超声换能器1的振动辐射面上，超声换能器1可以为不同工作频率点的压电片或兰杰文振子，本实施例选用压电蜂鸣片，其中压电蜂鸣片的直径为20mm，厚度为1mm。本实施方式选用2个压电蜂鸣片，粘接在振动传递板2的不同位置,且这两个压电蜂鸣片的振动幅值、频率和相位存在差别。本实施方式中振动传递板2选用曲面体铜质薄板，与压电蜂鸣片相粘接的铜质振动传递板2的直径为30mm，厚度为1mm，压电蜂鸣片的工作频率点为超声级别，工作频率从20kHz到200kHz连续可调，工作电压从1V到10V连续可调。超声针3可以为多种横截面和多种轴线形状的不同长度和不同材料的杆件，本实施方式选用最小直径为40μm、总长度为30mm的有机玻璃纤维，超声针3以悬臂梁的形式通过粘接、焊接或者螺纹连接在压电蜂鸣片的铜质振动传递板2上，多个超声针3与振动传递板2之间的空间夹角不同，即粘接的时候直接将其夹角不同方向粘接。微/纳颗粒6可以为无机物质、有机体或者声空化所产生的微气泡，微/纳颗粒6形状和密度可以存在差别。
当超声换能器1在不同频率点振动时，带动振动传递板2和超声针3产生不同模态的振动，悬臂梁形式的超声针3会在针尖处将振动放大，并通过空气为媒介以非接触的方式将超声场传递到液滴4内部。
所以，本发明非接触式微/纳颗粒操控方法包括如下步骤：
S1将溶液与微/纳颗粒6进行混合。
S2在基板5上滴入步骤S1中混合溶液，形成液滴4，液滴4的最大直径为30mm，最大高度为1.5mm。
S3调整S2中液滴4与超声针3之间的距离，使两者不接触，超声针3与液滴4之间的方位角、距离均可调，超声针3与液滴4上表面间的距离控制在0.5mm到1.5mm之间。
S4启动超声换能器1，调整超声换能器1的工作频率与工作电压，压电蜂鸣片的工作频率点为超声级别，工作频率从20kHz到200kHz连续可调，工作电压从1V到10V连续可调。
S5调整超声针3与液滴4之间的方向角与距离，实现微/纳颗粒6操控。
由于超声场的非线性效应，在液滴4中会产生声学涡流7，且不同频率点下的声学涡流7的形状和流速都不同，原本分散在液滴4中或沉降在液滴4与基板5交界面上的微/纳颗粒6会随着涡流运动。本实施方式中还可用平均半径为5μm的酵母菌颗粒作为涡流场的示踪粒子。实验中超声换能器1工作在60kHz的频率点附近时，可以在液滴4中观察到明显的蝶形涡流场，从而可以实现液滴4内微/纳颗粒6的非接触式旋转以及清除基板5上沉降的微/纳颗粒6等操控。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种非接触式微/纳颗粒操控方法，其特征在于，该操控方法在一装置下完成，该装置包括至少一个超声换能器（1）、振动传递板（2）、基板（5）与若干个超声针（3），所述基板（5）设于超声换能器（1）正下方，所述振动传递板（2）固定于超声换能器（1）励振端面上，且所述振动传递板（2）位于基板（5）正上方，所述若干个超声针（3）分散的固定于振动传递板（2）上，所述方法包括如下步骤：
S1将溶液与微/纳颗粒（6）进行混合；
S2在基板（5）上滴入步骤S1中混合溶液，形成液滴（4）；
S3调整S2中液滴（4）与所述超声针（3）之间的距离，使两者互不接触；
S4启动超声换能器（1），调整超声换能器（1）的工作频率与工作电压；
S5调整超声针（3）与液滴（4）之间的方向角，实现微/纳颗粒（6）操控。
2.根据权利要求1所述的非接触式微/纳颗粒操控方法，其特征在于，所述装置包括多个超声换能器（1），多个超声换能器（1）分散粘接在振动传递板（2）的不同位置，且多个超声换能器（1）的振动幅值、频率和相位不同。
3.根据权利要求1所述的非接触式微/纳颗粒操控方法，其特征在于，所述S3中超声针（3）与液滴（4）之间的方位角、距离均可调。
4.根据权利要求1所述的非接触式微/纳颗粒操控方法，其特征在于，所述超声针（3）与所述振动传递板（2）之间采用悬臂梁的形式粘接、焊接或螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的非接触式微/纳颗粒操控方法，其特征在于，所述超声换能器（1）为不同工作频率点的压电片或兰杰文振子。
6.根据权利要求5所述的非接触式微/纳颗粒操控方法，其特征在于，所述S4中超声换能器（1）的工作频率为20kHz到200kHz连续可调，工作电压为1V到10V连续可调。
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