CN111318218B - 一种微流体装置及其制造和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微流体装置及其制造和使用方法，用于微流体混合，解决了现有技术中的微流体在微流芯片混合时，容易微流体之间混合不均、混合效果较差的问题，其包括：开设有微流体腔道的微流管，微流体腔道供微流体流通；设置在微流管一侧用于发射超声波的超声波发射组件；设置在微流管内用于在超声波发射组件的作用下在内部产生声流涡旋的声人工结构，声人工结构内开设有微流混合通道，微流混合通道用于容纳微流体，声流涡旋位于微流混合通道内的部位的涡旋方向垂直于微流体在微流混合通道内的流动方向；从而实现各层微流体之间的快速混合，并且使得不同微流体之间的混合更加充分、均匀。

Description

一种微流体装置及其制造和使用方法

技术领域

本发明涉及生物医学技术领域，尤其涉及一种微流体装置及其制造和使用方法。

背景技术

微流控芯片因具有样品用量少、可集成多个或整个分析系统的各功能单元于一微小芯片中,从而使得样品分析操作简单化、智能化,极大地减少手工操作带来的人为误差,从而在细胞筛选、DNA测序、蛋白质分析等工序中得到的广泛的应用。

用于微流体混合的微流体混合单元是微流控芯片的重要操作单元，微流体混合单元的混合效果很大程度上将决定了后续分析工作的可靠性和可信性；目前的微流控芯片，在使用微流体混合单元进行微流体混合时，是应用微流体自由扩散的机理，使得不同的微流体之间相互混合。

但是，由于不同的微流体之间是通过自由扩散的方式混合的，这就容易导致微流体之间相互混合不均匀，例如，直接接触的区域混合效果较好、未直接接触的区域混合效果较差。因此，现有微流体芯片的混合效果有待提高。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种微流体装置及其制造和使用方法，旨在解决现有技术中的微流体在微流芯片混合时，容易微流体之间混合不均、混合效果较差的技术问题。

为实现上述目的，本发明第一方面提供一种微流体装置，包括：开设有微流体腔道的微流管，所述微流体腔道供微流体流通；设置在所述微流管一侧用于发射超声波的超声波发射组件；设置在所述微流管内用于在所述超声波发射组件的作用下在内部产生声流涡旋的声人工结构，所述声人工结构内开设有微流混合通道，所述微流混合通道用于容纳微流体，所述声流涡旋位于所述微流混合通道内。

进一步地，所述超声波发射组件包括：用于产生声波信号的信号发生器；设置在所述信号发生器一侧用于放大所述声波信号的功率放大器；以及，设置在所述功率放大器一侧用于将放大后的声波信号转换为超声波的超声换能器。

进一步地，所述声人工结构包括：两相对设置的声子晶体板或至少两个相对设置的由声子晶体构成的复合结构或所述声子晶体板及所述复合结构的组合，两个所述声子晶体板之间的狭缝构成所述微流混合通道，所述声子晶体板包括：基板；集成在所述基板上的周期分布的结构声子晶体。

进一步地，所述声人工结构还包括：至少两个平行设置在所述基板上且间隔相等的凸条，所述凸条设置在两所述晶体板相互远离的一面。

进一步地，两所述声子晶体板相互平行。

进一步地，所述微流管包括：玻璃管或基底内壁上键合有聚二甲基硅氧烷形成的管道。

进一步地，所述基底包括：石英玻璃或有机玻璃或硅片或铌酸锂。

本发明第二方面提供一种微流体装置的制造方法，包括：在微流管开设供微流体流通的微流体腔道；在所述微流管一侧设置用于发射超声波的超声波发射组件；在所述微流管内设置用于在所述超声波发射组件的作用下在内部产生声流涡旋的声人工结构；在所述声人工结构内开设微流混合通道，所述微流混合通道用于容纳微流体，所述声流涡旋位于所述微流混合通道内。

进一步地，所述在所述微流管内设置用于在所述超声波发射组件的作用下在内部产生声流涡旋的声人工结构包括：在基板上集成声子晶体形成声子晶体板；将两所述声子晶体板相对且平行设置，使得两所述声子晶体板之间的狭缝构成所述微流混合通道；将两所述声子晶体板置于所述微流管内。

本发明第三方面提供一种微流体装置的使用方法，包括：在微流管开设的微流体腔道内填充缓冲液，并将声人工结构置于微流体腔道内，所述声人工结构内开设有微流混合通道，所述微流混合通道用于容纳微流体，所述声流涡旋位于所述微流混合通道内；将待混合的样本溶液注入声人工结构开设的微流混合通道内；使用超声波发射组件发射超声波，激发声人工结构工作频率的超声场，使得声人工结构的微流混合通道内产生局域声场，在微流混合通道内诱发声流涡旋，样本溶液在声流涡旋的带动下加速融合。

本发明提供的一种微流体装置，有益效果在于：声人工结构能够在超声波发射组件发射的超声波的作用下，在微流混合通道内形成声流旋涡，在声流旋涡产生的作用力下，不同层的微流体能够随着声流旋涡的转动方向而加速流动，并且由于微流旋涡成旋涡状，因此作用在每个点的作用力方向不同，故微流体的流动方向不固定，从而使得不同的微流体层之间能够更加快速地混合，使得不同微流体之间的混合更加充分、均匀。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明微流体装置的结构示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，为一种微流体装置，包括：微流管1、超声波发射组件及声人工结构；微流管1内开设有微流体腔道11，微流体腔道11供微流体流通；声波发射组件设置在微流管1外部，并位于微流管1一侧，用于发射超声波；

声人工结构设置在微流管1内，并在超声波发射组件产生的超声波的作用下能够产生声流涡旋，在声人工结构内开设有微流混合通道7，微流混合通道7用于容纳微流体，并且声流涡旋产生后，声流涡旋位于微流混合通道7内。

超声波发射组件包括：信号发生器2、超声换能器4及功率放大器3，信号发生器2用于产生声波信号，功率放大器3用于放大上述声波信号，超声换能器4用于将放大后的声波信号转换为超声波；在本实施例中，超声换能器4可以是单阵元超声换能器4、阵列换能器和叉指换能器中的一种。

声人工结构能够与超声波产生共振，从而在声人工表面产生局域场声场，从而进一步产生声流涡旋，而声人工结构的共振频率决定了发射超声的驱动频率；在实施例中，超声换能器4采用单阵元超声换能器4。信号发生器2的发射信号可以是连续正弦信号，或是脉冲正弦信号；信号发生器2为可编程信号发生器2(AFG3021，Tektronix)，功率放大器3为50dB的线性功率放大器3(325LA，ENI)；信号发生器2产生正弦连续信号，正弦信号经功率放大器3后激励超声换能器4产生超声波。

声人工结构由单个声子晶体板或者两个或多个声子晶体构成的复合结构构成。单个声子晶体板是一种人工周期结构，包括基板和平行设置在所述基板上且间隔相等的多个凸条6。凸条6的横截面为长方形、三角形、多边形或半圆形。两个声子晶体板5平行放置，单个声子晶体板5的周期、材料的密度、纵波声速、横波声速、板间距离决定了声场和声流涡旋场的形态，以及声流涡旋场的最大速度，从而决定了微流体的混合速度。在本实施例中，声人工结构为两相对设置的声子晶体板5构成，需要做混合处理的流体从两块声子晶体板5之间的狭缝通过，两块声子晶体板5之间的狭缝即为上述的微流混合通道7；声子晶体板包括：基板及结构声子晶体，结构声子晶体集成在基板上并呈周期分布；在其他实施例中，声人工结构还可为由至少两个由两个或两个以上的声子晶体构成的复合结构，在其他实施例中，声人工结构还可为声子晶体板及复合结构的组合构成。

在使用声人工结构时，根据以下方法确定声人工结构的工作频率：根据结构几何尺寸、材料参数，理论预测并实验测量其表面产生局域场模式的超声工作频率。实验时将声人工结构放置在水中，通过测量透射频谱获得共振频率；在本实施例中，单个声子晶体板5的栅格的长为50μm，高为50μm，声子晶体板5的厚度为50μm，声人工结构的周期为300μm；两块声子晶体板5之间，不同的距离有着不同的透射谱，当两声子晶体板5之间的距离为15μm时，声人工结构的共振频率的高峰为3.018MHz或4.117MHz；当两声子晶体板5之间的距离为50μm时，3.69MHz为共振频率的最高峰。

在本实施例中，两声子晶体板5相互平行设置，这样设置能够保证微流混合通道7内的空间分布较为均匀，不会使微流混合通道7内的空间出现前宽后窄或上宽下窄的情况，更加便于微流体的流入或流出微流通道。

在本实施例中，微流管1为玻璃管或基底内壁上键合有聚二甲基硅氧烷形成的管道，基底为石英玻璃、有机玻璃、硅片或铌酸锂。

本申请提供一种微流体装置的制造方法，包括：在微流管1开设供微流体流通的微流体腔道11；在微流管1一侧设置用于发射超声波的超声波发射组件；在微流管1内设置用于在超声波发射组件的作用下在内部产生声流涡旋的声人工结构；在声人工结构内开设微流混合通道7，微流混合通道7用于容纳微流体，声流涡旋位于微流混合通道7内。

在微流管1一侧设置用于发射超声波的超声波发射组件包括：在微流管1外设置用于产生声波信号的信号发射器；在信号发射器一侧设置用于方法声波信号的功率放大器3；在功率放大器3一侧设置用于将放大后的声波信号转换为超声波的超声换能器4。

在微流管1内设置用于在超声波发射组件的作用下在内部产生声流涡旋的声人工结构包括：在基板上集成声子晶体形成声子晶体板5；将两声子晶体板5相对且平行设置，使得两声子晶体板5之间的狭缝构成微流混合通道7；将两声子晶体板5置于微流管1内。

本申请提供一种微流体装置的使用方法，包括：在微流管1开设的微流体腔道11内填充缓冲液，并将声人工结构置于微流体腔道11内；将待混合的样本溶液注入声人工结构开设的微流混合通道7内；使用超声波发射组件发射超声波，激发声人工结构工作频率的超声场，使得声人工结构的微流混合通道7内产生局域声场，在微流混合通道7内诱发声流涡旋，样本溶液在声流涡旋的带动下加速融合。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本发明所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上为对本发明所提供的一种微流体装置及其制造和使用方法及使用方法的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种微流体装置，其特征在于，包括：

开设有微流体腔道的微流管，所述微流体腔道供微流体流通；

设置在所述微流管一侧用于发射超声波的超声波发射组件；

设置在所述微流管内用于在所述超声波发射组件的作用下在内部产生声流涡旋的声人工结构，所述声人工结构内开设有微流混合通道，所述微流混合通道用于容纳微流体，所述声流涡旋位于所述微流混合通道内；所述声人工结构与所述超声波产生共振，所述声人工结构为两相对设置的声子晶体板构成，所述两相对设置的声子晶体板之间的距离为50μm，使得共振频率最高。

2.根据权利要求1所述的微流体装置，其特征在于，

所述超声波发射组件包括：

用于产生声波信号的信号发生器；

设置在所述信号发生器一侧用于放大所述声波信号的功率放大器；以及，

设置在所述功率放大器一侧用于将放大后的声波信号转换为超声波的超声换能器。

3.根据权利要求1所述的微流体装置，其特征在于，

所述声人工结构包括：

两相对设置的声子晶体板或至少两个相对设置的由声子晶体构成的复合结构或所述声子晶体板及所述复合结构的组合，两个所述声子晶体板之间的狭缝构成所述微流混合通道，所述声子晶体板包括：

基板；集成在所述基板上的周期分布的结构声子晶体。

4.根据权利要求3所述的微流体装置，其特征在于，

所述声人工结构还包括：

至少两个平行设置在所述基板上且间隔相等的凸条，所述凸条设置在两所述晶体板相互远离的一面。

5.根据权利要求3所述的微流体装置，其特征在于，

两所述声子晶体板相互平行。

6.根据权利要求1所述的微流体装置，其特征在于，

所述微流管包括：

玻璃管或在基底内壁上键合有聚二甲基硅氧烷形成的管道。

7.根据权利要求6所述的微流体装置，其特征在于，

所述基底包括：石英玻璃或有机玻璃或硅片或铌酸锂。

8.一种微流体装置的制造方法，其特征在于，包括：

在微流管开设供微流体流通的微流体腔道；

在所述微流管一侧设置用于发射超声波的超声波发射组件；

在所述微流管内设置用于在所述超声波发射组件的作用下在内部产生声流涡旋的声人工结构；

在所述声人工结构内开设微流混合通道，所述微流混合通道用于容纳微流体，所述声流涡旋位于所述微流混合通道内；

所述声人工结构与所述超声波产生共振，所述声人工结构为两相对设置的声子晶体板构成，所述两相对设置的声子晶体板之间的距离为50μm，使得共振频率最高。

9.根据权利要求8所述的微流体装置的制造方法，其特征在于，

所述在所述微流管内设置用于在所述超声波发射组件的作用下在内部产生声流涡旋的声人工结构包括：

在基板上集成声子晶体形成声子晶体板；

将两所述声子晶体板相对且平行设置，使得两所述声子晶体板之间的狭缝构成所述微流混合通道；

将两所述声子晶体板置于所述微流管内。

10.一种微流体装置的使用方法，其特征在于，包括：

在微流管开设的微流体腔道内填充缓冲液，并将声人工结构置于微流体腔道内，所述声人工结构内开设有微流混合通道，所述微流混合通道用于容纳微流体，声流涡旋位于所述微流混合通道内；

将待混合的样本溶液注入声人工结构开设的微流混合通道内；

使用超声波发射组件发射超声波，激发声人工结构工作频率的超声场，使得声人工结构的微流混合通道内产生局域声场，在微流混合通道内诱发声流涡旋，样本溶液在声流涡旋的带动下加速融合；

所述声人工结构与所述超声波产生共振，所述声人工结构为两相对设置的声子晶体板构成，所述两相对设置的声子晶体板之间的距离为50μm，使得共振频率最高。

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