CN111389473B - 一种垂直沟道可调谐高通量声流控分选芯片及其制备方法 - Google Patents

一种垂直沟道可调谐高通量声流控分选芯片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种垂直沟道可调谐高通量声流控分选芯片及其制备方法。其器件由带有驻波谐振腔的玻璃片、压电陶瓷片及PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄膜组成。驻波谐振腔是由玻璃底片、玻璃垫片I、玻璃隔片I、玻璃垫片II、PDMS薄膜和玻璃顶片从下到上依次叠层封装构成，谐振腔包括两个腔室组成，设置有进样口、出样口。谐振腔的高度为微米级别，宽度为厘米级别，以实现大通量的流体流动。压电陶瓷片粘在谐振腔底部并在两极引出两根导线。压电陶瓷在外加电信号的驱动下，在沟道在垂直方向上产生驻波场，从垂直方向分选不同粒子。本发明制备过程简单，沟道高度可调，成本低廉，可操控性强，方便适用于细胞等生物样本的大通量的聚集、分离和操控。

Description

一种垂直沟道可调谐高通量声流控分选芯片及其制备方法
技术领域
本发明属于微全分析领域，特别涉及一种基于体声波垂直沟道可调谐高通量声流控分选芯片及其制备方法。
背景技术
微流控芯片技术起源于20世纪90年代，最初应用于分析化学领域，它以微通道为结构特征，以生命科学为主要研究对象，通过微机电加工工艺（MEMS），将整个实验室的功能包括样片预处理、反应、分离、检测等集成在微芯片上，使分析速度得到极大提高，具有集成度高，试剂消耗少，制作成本低，分析效率高等特点，具有极为广泛的适用性和应用前景，是当前微全分析系统研究的重点。
对于粒径小于声波波长的流体中的粒子，超声驻波能对其进行有效的免接触式的操控。并且由于声学检测和操作方法对活体生物样本的无损性，使其成为在微流系统中研究的新热点。
目前，在微流控系统中，器件采用水平方向的分选方式，导致分选通量比较低（<1mL/分钟），而且制备复杂，一般通过湿法腐蚀的方法，在硅片等硬质材料上刻蚀出微网络结构，用脉冲激光器在硅片上钻孔，再通过阳极键合的方式将玻璃键合到刻蚀由微结构的硅片上形成声波芯片，而且要用到价值数百万的阳极键合设备，提高了制备成本。且面临着高温高电压的工作环境，不利于实验员的生命安全。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于垂直方向分选的、制备过程简单、制备成本低廉且安全便捷、可以实现高通量的声流控分选芯片及其制备方法。
本发明制备的芯片是基于垂直方向的分选，从而能够实现大通量的流体流动继而实现两种不同粒子的筛选及富集。本发明所制备的芯片的谐振腔由流体沟道和PDMS共同组成，通过隔片将流体沟道分隔成上下两个腔室，流体在两个腔室内能够形成稳定的层流，为分流提供了结构基础。由于PDMS的引入会降低沟道上层腔室的厚度, 通过调节PDMS层厚度可以调节沟道的高度，可以在沟道内上下两个腔室形成稳定层流时减少上层腔室的流体通入量，具有节约样品优势。同时引入PDMS层并不影响驻波在沟道内的波节位置，驻波谐振腔在高度方向产生驻波场，波节点在谐振腔的1/2高度处，如图4和5所示，分别是引入PDMS层和没有引入PDMS层的器件沟道截面在压电陶瓷片上施加特定频率电压时的声场分布和声压级分布Comsol模拟图，可以从模拟图中看到两种器件结构的谐振腔1/2高度处的声场为0，声压级最低，证明沟道内能够产生驻波场并且PDMS层的引入不会影响驻波在沟道内的波节位置即驻波的节点都在谐振腔的1/2高度处。由于粒子受到的声辐射力与粒子的半径、密度以及压缩系数有关，不同粒子受到的声辐射力不同，在向谐振腔1/2高度处运动时产生运动轨迹差，进入不同的流层，其中大粒子由于受力较大会从上层腔室出口即出样口I流出，小粒子则因受力较小保持在下层流体中从下层出口即出样口II流出。基于上述的设计，谐振腔的体积相较于水平方向的分选分式的流体的通道的体积成数十倍甚至是数百倍扩大，从而实现了垂直方向的大通量分选。上腔室高度为垫片II（8）的厚度；下腔室高度为垫片I（10）的厚度；垫片I（10）与隔片I（9）厚度之和为PDMS薄膜（7）厚度与垫片II（8）厚度之和的1/2。通过调整PDMS薄膜厚度改变上层腔室的厚度以实现分选和富集，调整期间，固定底片（11）、垫片I（10）、隔片I （9）和顶片（6）的厚度，PDMS薄膜（7）厚度与垫片II（8）厚度之和不变，PDMS薄膜（7）厚度与垫片II（8）厚度此消彼长。当上层腔室高度小于下层腔室高度的1/2时，沟道内上层液体流量小于下层腔室，当相同时间内下层腔室流过液体中的粒子受声场力作用进入到上层流体中从出样口II流出时，使得出样口II流出液体的粒子浓度大于从进样口I进入的粒子浓度，从而实现垂直方向的大通量富集分选；当上层腔室高度大于等于下层腔室高度的1/2时，沟道内上层液体流量大于下层腔室，当相同时间内下层腔室流过液体中的粒子受声场力作用进入到上层流体中从出样口II流出时，使得出样口II流出液体的粒子浓度小于从进样口I进入的粒子浓度，从而实现垂直方向的大通量分选。
本发明提供的技术方案如下：
本发明的目的之一在于提供一种高通量声流控分选芯片，包括驻波谐振腔和压电陶瓷片；
其中：
所述驻波谐振腔由玻璃片和PDMS薄膜(聚二甲基硅氧烷)堆叠封装形成，包括上下两个腔室；上下腔室作为流体沟道，以用于流体流通；
所述谐振腔的上下腔室均独立设置有进样口和出样口；
所述谐振腔底部设置有压电陶瓷片，并通过两极引出两根信号输入导线。
进一步，
所述驻波谐振腔由五块尺寸相同的玻璃片和一层PDMS薄膜堆叠封装形成；
从下到上依次为底片（11）、垫片I（10）、隔片I （9）、垫片II（8）、PDMS薄膜（7）、顶片（6）；
其中，
垫片I （10）中间镂空为六棱形；
隔片I（9）中间镂空为正方形；
垫片II （8）中间镂空为六棱形；
并且，镂空面积大小：垫片I >垫片II>隔片I；
PDMS薄膜（7）、顶片（6）和底片（11）均为开孔片体；
谐振腔一端开有两个进样口，另一端开有两个出样口；
进样口I、出样口I依次经顶片（6）、PDMS薄膜（7）、垫片II（8）、隔片I （9）穿出连通到下腔室；
进样口II、出样口II依次经顶片（6）、PDMS薄膜（7）穿出连通到上腔室。
进一步，所述玻璃片之间通过紫外固化胶粘接；PDMS薄膜和玻璃片之间通过等离子键合工艺键合。
进一步，
所述上腔室高度为垫片II（8）的厚度；
所述下腔室高度为垫片I（10）的厚度；
所述垫片I（10）与隔片I（9）厚度之和为PDMS薄膜（7）厚度与垫片II（8）厚度之和的1/2；
通过调整PDMS薄膜（7）厚度以实现分选和富集：分选时，调整PDMS厚度使得上腔室高度大于等于下腔室高度1/2；富集时，上腔室高度小于下腔室高度的1/2。调整期间，PDMS薄膜（7）厚度与垫片II（8）厚度之和不变，PDMS薄膜（7）厚度与垫片II（8）厚度此消彼长。
进一步，所述谐振腔的高度为微米级别，宽度为厘米级别，以实现大通量的流体流动。
进一步，所述压电陶瓷片为PZT材质，谐振频率在1MHz附近。
进一步，所述压电陶瓷片设置于谐振腔室正下方，其中压电陶瓷片正上方区域为声波的有效作用区域，波节点在驻波谐振腔的1/2高度处。
本发明的目的之二在于提供上述高通量声流控分选芯片的制备方法，包括以下步骤：
（1）预备5片玻璃片及PDMS薄膜（7），其中玻璃片包括底片（11）、垫片I（10）、隔片I（9）、垫片II（8）、顶片（6）；
（2）通过激光刻蚀加工出3片带有镂空结构的玻璃片，分别为垫片I（10）、隔片I（9）、垫片II（8）；
（3）利用紫外固化胶从下到上依次将底片（11）、垫片I（10）、隔片I（9）、垫片II（8）堆叠粘接形成组件A；
（4）使用等离子键合工艺将PDMS薄膜（7）和顶片（6）键合形成组件B；
（5）将组件A和组件B打孔，形成进出样口；
（6）将组件A 、B利用等离子键合工艺键合在一起，孔位相对应，形成具有驻波谐振腔的玻璃-PDMS-玻璃结构；
（7）在压电陶瓷片两极引出两根信号输入导线后将压电陶瓷片粘合在驻波谐振腔下方。
进一步，所述步骤（2）中垫片I（10）镂空部分为六棱形；隔片（9）镂空部分为正方形；垫片II （8）镂空部分为六棱形；并且，镂空面积大小：垫片I >垫片II>隔片I。
本发明目的之三在于提供上述高通量声流控分选芯片基于垂直方向分选的在分选和富集粒子中的应用。
本发明的有益效果：
（1）驻波谐振腔采用分隔式设计，在驻场波的作用下形成垂直方向的分选，极大提高流体通量，容易实现对细胞等生物活体样品的大通量（>10 mL/min）分离、捕获和操纵；
（2）通过引入PDMS层可以改变沟道的高度而不影响沟道内驻波场的波节点分布；
（3）通过改变PDMS厚度，可以改变沟道上层腔室的厚度进而减少进样口II的缓冲液消耗；
（4）可以实现两种不同粒子的高通分选；
（5）通过改变PDMS厚度可以实现粒子的分选和富集两种不同芯片功能；
（6）装置结构简单，制作和加工简易，成本极低，无需再在硅片上钻孔，无需价格昂贵的阳极键合设备和特制的耐高温玻璃；
（7）压电陶瓷工作频率可调，可根据需要实现不同粒子的分离；
（8）为驻波芯片为分选芯片的设计和制备提供了一种有效地参考和选择，该芯片可广泛应用于生命科学、药物科学和医学等领域，具有较大的应用前景。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的所用镂空的玻璃片及打孔PDMS薄膜示意图；
图3是发明的侧面示意图；
图4是有PDMS结构的分选芯片在声辐射力作用下压电陶瓷片正上方区域沟道在厚度方向上的2D模拟效果图；（a）沟道声场模拟图；（b）沟道沿高度方向上归一化声压分布图；
图5是无PDMS结构的分选芯片在声辐射力作用下压电陶瓷片正上方区域沟道在厚度方向上的2D模拟效果图；（a）沟道声场模拟图；（b）沟道沿高度方向上归一化声压分布图；
图6 是本发明提供的分选芯片在声辐射力共同作用下对大小粒子分选的理论示意图：图(a)为压电陶瓷片（5）上未施加任何电信号时沟道内层流截面示意图，(b)为在压电陶瓷片（5）施加特定频率电信号后沟道内产生驻波分选粒子示意图；
附图标记：1-进样口I；2-进样口II；3-出样口II；4-出样口I；5-压电陶瓷片；6-顶片；7-PDMS薄膜；8-垫片II； 9-隔片I；10-垫片I；11-底片；13-环氧树脂；12-紫外固化胶；14-器件沟道。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步说明，本发明的内容完全不限于此。
实施例1
制备高通量声流控分选芯片
制备方法如下：
（1）预备5片玻璃片及PDMS薄膜7，其中玻璃片包括底片11、垫片I 10、隔片I 9、垫片II 8、顶片 6；
（2）利用激光切割厚度不同的玻璃片，加工出具有镂空形状的整体尺寸相同的5片玻璃薄片；
底片11，厚度为1.25 mm；
垫片I 10，中间镂空为六棱形，厚度为200 μm；
隔片I 9中间镂空为正方形，厚度为厚度为75 μm；
垫片II 8中间镂空为六棱形，整体上和垫片I 10完全相同，厚度为200 μm；
PDMS薄膜7，厚度200 μm；
顶片6，厚度为1.25 mm；
其中，镂空面积大小：垫片I >垫片II>隔片I；
隔片I 9和垫片II 8两端各开一个孔以有连通到进样口I和出样口I；PDMS薄膜7和顶片 6两端各开两个孔以对应连通进样口I、II和出样口I、II；
图2示出了各玻璃片的形状及镂空结构的图形。
（3）利用紫外固化胶从下到上依次将底片11、垫片I 10、隔片I 9、垫片II 8堆叠粘接形成组件A；
（4）使用等离子键合工艺将PDMS薄膜7和顶片6键合形成组件B；
（5）将组件A和组件B打孔，形成进出样口；
（6）将组件A 、B利用等离子键合工艺键合在一起，孔位相对应，形成具有驻波谐振腔的玻璃-PDMS-玻璃结构；
（7）在压电陶瓷片5两极引出两根信号输入导线并使用环氧树脂14粘合在隔片玻璃镂空区域正下方的玻璃底片上。其中压电陶瓷的谐振频率为1MHz附近。
图1示出了芯片的结构图。图3示出了封装以后的芯片的侧视图。
应用实施例1
利用实施例1制备的分选芯片进行血细胞分选
取血样利用实施例1所制备的分选芯片进行血细胞中的血小板分选，压电陶谐振频率1MHz。
分选结果为：出样口II 3流出的血液中粒径较大的粒子，包括白细胞（直径大于10μm）、红细胞（直径介于6-9微米）；出样口I 4流出的是小粒径的粒子，包括血小板（直径小于4微米）。图6示出了分选两种粒子的示意图。从图6可以看出，含有两种大小不同粒子的样品溶液经进样口I 1流入，缓冲溶液从进样口II 2流入，调节进样口I、II和出样口I、II的流速，使得样品溶液和缓冲液在沟道内形成稳定层流，其中样品溶液只从下层经出样口I 4流出。如图6(a)所示，在压电陶瓷片5上施加特定频率的电信号使得沟道在高度方向产生驻波，其中驻波节点在谐振腔1/2高度处。由于粒子受到的声辐射力与粒子的半径、密度以及压缩系数有关，不同粒子受到的声辐射力不同，在向沟道1/2高度处运动时产生运动轨迹差，进入不同的流层，其中大粒子受声辐射力大即大粒子会从上层出口即出样口II 3流出，小粒子受声辐射里力小即小粒子会保持在下层流体中从下层出口即出样口I 4流出，如图6(b)所示。基于上述的设计，谐振腔的体积相较于水平方向的分选分式的流体的通道的体积成数十倍甚至是数百倍扩大，从而实现了垂直方向的大通量分选。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种垂直沟道可调谐高通量声流控分选芯片，其特征在于：
包括驻波谐振腔和压电陶瓷片；
其中：
(1)所述驻波谐振腔由玻璃片和PDMS薄膜堆叠封装形成，包括上下两个腔室；
(2)所述谐振腔的上下腔室均独立设置有进样口和出样口；
(3)所述谐振腔底部设置有压电陶瓷片，并通过两极引出两根信号输入导线；
该分选芯片通过调整PDMS薄膜厚度以实现分选和富集。
2.根据权利要求1所述的垂直沟道可调谐高通量声流控分选芯片，其特征在于：
所述驻波谐振腔由五块尺寸相同的玻璃片和一层PDMS薄膜堆叠封装形成；
从下到上依次为底片(11)、垫片I(10)、隔片I(9)、垫片II(8)、PDMS薄膜(7)、顶片(6)；
其中，
垫片I(10)中间镂空为六棱形；
隔片I(9)中间镂空为正方形；
垫片II(8)中间镂空为六棱形；
并且，镂空面积大小：垫片I>垫片II>隔片I；
PDMS薄膜(7)、顶片(6)和底片(11)均为开孔片体；
谐振腔一端开有两个进样口，另一端开有两个出样口；
进样口I、出样口I依次经顶片(6)、PDMS薄膜(7)、垫片II(8)、隔片I(9)穿出连通到下腔室；
进样口II、出样口II依次经顶片(6)、PDMS薄膜(7)穿出连通到上腔室。
3.根据权利要求1所述的垂直沟道可调谐高通量声流控分选芯片，其特征在于：所述玻璃片之间通过紫外固化胶粘接；PDMS薄膜和玻璃片之间通过等离子键合工艺键合。
4.根据权利要求2所述的垂直沟道可调谐高通量声流控分选芯片，其特征在于：
所述上腔室高度为垫片II(8)的厚度；
所述下腔室高度为垫片I(10)的厚度；
所述垫片I(10)与隔片I(9)厚度之和为PDMS薄膜(7)厚度与垫片II(8)厚度之和的1/2；
通过调整PDMS薄膜(7)厚度以实现分选和富集：分选时，调整PDMS厚度使得上腔室高度大于等于下腔室高度1/2；富集时上腔室高度小于下腔室高度的1/2。
5.根据权利要求1所述的垂直沟道可调谐高通量声流控分选芯片，其特征在于：所述谐振腔的高度为微米级别，宽度为厘米级别，以实现大通量的流体流动。
6.根据权利要求1所述的垂直沟道可调谐高通量声流控分选芯片，其特征在于：所述压电陶瓷片为PZT材质，谐振频率在1MHz附近。
7.根据权利要求1所述的垂直沟道可调谐高通量声流控分选芯片，其特征在于：所述压电陶瓷片设置于谐振腔室正下方，其中压电陶瓷片正上方区域为声波的有效作用区域，波节点在驻波谐振腔的1/2高度处。
8.一种权利要求1所述的垂直沟道可调谐高通量声流控分选芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)预备5片玻璃片及PDMS薄膜(7)，其中玻璃片包括底片(11)、垫片I(10)、隔片I(9)、垫片II(8)、顶片(6)；
(2)通过激光刻蚀加工出3片带有镂空结构的玻璃片，分别为垫片I(10)、隔片I(9)、垫片II(8)；
(3)利用紫外固化胶从下到上依次将底片(11)、垫片I(10)、隔片I(9)、垫片II(8)堆叠粘接形成组件A；
(4)使用等离子键合工艺将PDMS薄膜(7)和顶片(6)键合形成组件B；
(5)将组件B打孔，形成进出样口；
(6)将组件A、B利用等离子键合工艺键合在一起，孔位相对应，形成具有驻波谐振腔的玻璃-PDMS-玻璃结构；
(7)在压电陶瓷片两极引出两根信号输入导线后将压电陶瓷片粘合在驻波谐振腔下方。
9.根据权利要求8所述的垂直沟道可调谐高通量声流控分选芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中垫片I(10)镂空部分为六棱形；隔片(9)镂空部分为正方形；垫片II(8)镂空部分为六棱形；并且，镂空面积大小：垫片I>垫片II>隔片I。
10.权利要求1～7任一项所述垂直沟道可调谐高通量声流控分选芯片基于垂直方向分选的在分选和富集粒子中的应用。
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