CN111774105B - 基于纳米马达阵列的超声精密微流控芯片及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纳米马达阵列的超声精密微流控芯片及其实现方法，包含：基板、盖板、压电换能器、固定有纳米马达的薄膜、进出液管及液体介质。压电换能器激发驱动微流控芯片整体作超声频率振动，在微流道内产生特定的声流场，同时纳米马达中所含催化剂成分促使底物分解产生气泡，利用气泡在声流场中的振动控制其周边的微小颗粒做特定轨迹的运动。本发明通过纳米马达阵列催化液体介质分解产生气泡，利用气泡振动引起的局部声流场变化，控制微小颗粒的定向运动。该微颗粒运动控制方式，利用声流场中的气泡振动作为动力源，有效提高了微颗粒的运动速度，能够控制多种形状和尺寸的微颗粒，并对受控微颗粒的材质没有特殊要求，因此应用范围较广。
Description
技术领域
本发明涉及一种微纳机械动力装置，尤其是一种基于纳米马达阵列的超声精密微流控芯片及其实现方法。
背景技术
微流控技术是一种操控微小体积的流体在微小的通道或构件中流动的系统，在实验中应用可以节省样本和试剂用量，减少反应时间，缩小仪器体积，并提高实验的自动化程度，广泛应用于核酸检测、免疫分析、细胞分析等领域。其中，将声波与微流体相结合的方法为微纳物体运动控制与实验分析提供了一种行之有效的解决方案。采用声学操控技术可以实现对微纳尺寸物体及其所处环境流体的精确操控，这一特性也使得该技术在微流控芯片当中具有广阔的应用前景。但该技术在实际应用当中对微粒的操控性能受到声波波长的制约，操控精度的提升仍是目前有待解决的技术瓶颈之一。并且，现有技术操控微颗粒的运动形式较为单一，制约了这种方法在各类生物实验中的应用。
检索现有的相关专利发现，中国专利申请号为201710170689.6公开的一种微流控高频声聚焦芯片及其制备方法，利用硅片上的波导结构将高频体声波集成到微流体芯片内，可对细胞、微颗粒等生物活体样品进行快速捕获。但其产品中的半圆柱-垂直反射壁凹槽结构复杂，采用湿法刻蚀制备的45°硅镜面尺寸精度要求较高，工艺难度大，且功能较为单一。中国专利申请号为201811374578.8公开的一种集成阳极氧化铝多孔膜的微流体芯片，其产品将芯片基片、阳极氧化铝多孔过滤膜和生物检测部件集于一体，能够实现从样品分离到检测的各种功能。但该产品采用被动方式筛选聚集生物微颗粒样本，效率较低，且对于粘度较大的液体样本、包含较大尺寸微颗粒的样本处理能力较弱。
因此，利用声流控技术，结合微流道中配置的多种功能性人工微结构和微部件，实现微流道中颗粒的精密运动控制，具有显著的现实意义和实用价值。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种基于纳米马达阵列的超声精密微流控芯片及其实现方法，解决现有技术中所用微流体芯片结构复杂、功能单一、通量较低、对包含多种尺寸微颗粒的样本处理能力弱等问题。本发明在现有微流控芯片结构中添加包含有固定化纳米马达的多孔薄膜，利用纳米马达中的催化剂促使溶液分解产生气泡，通过气泡在声流场中的振动改变局部流场，实现对微流道中物体特定运动形式的控制，补充了现有的控制方式，获得了微颗粒新的运动形式，能够控制多种尺寸的微纳颗粒。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于纳米马达阵列的超声精密微流控芯片，包含：基板、具有固定化纳米马达阵列的纳米马达层、外接电极的压电换能器、具有微流道的盖板、出液管、进液管；所述纳米马达层、压电换能器和盖板均粘贴在基板上方，且纳米马达层包含于所述微流道内；所述盖板上设有进液孔和出液孔，进液孔和出液孔的一端分别连接进液管和出液管，另一端分别连接所述微流道的进液口和出液口；所述纳米马达层中纳米马达包含能够催化液体介质分解产生气泡的催化剂成分，同时微流道内的液体中有反应底物。
进一步的，所述基板的材质为石英玻璃或硅片。
进一步的，所述纳米马达层的基体材质为聚碳酸酯膜或多孔氧化铝膜。
进一步的，所述纳米马达层中包含的纳米马达为管状、锥管状或球形，其中管状纳米马达和锥管状纳米马达内表面包含催化剂成分，球形纳米马达外表面包含催化剂成分。纳米马达为微纳米尺度，几十纳米至几十微米。
进一步的，所述盖板材质为PDMS。
上述超声精密微流控芯片的实现方法，结合声流场与气泡振动实现对微小颗粒物体特定运动形式的运动控制，包括步骤如下：
步骤1：将外部信号发生器或计算机产生的激励信号用功率放大器放大；
步骤2：利用压电材料的逆压电效应驱动压电换能器振动，进而带动微流控芯片整体振动，在微流道中产生声流场；振动频率在超声频段，依据具体器件的特性、所需的声流场形式不同，频率从几十kHz至几百kHz不等；
步骤3：微流道中纳米马达端部产生的气泡在声流场中振动，引起气泡附近声流场的变化，从而控制微小颗粒物体运动。
进一步的，通过调整包括电压、频率、纳米马达的布置，实现不同尺寸微颗粒的多种运动形式，包括微纳颗粒的捕获与聚集、定向运动、转动、绕自身长轴的旋转及上述运动形式的叠加，进而实现微颗粒捕获、分选、定向运输功能。
进一步的，所述压电换能器能够通过逆压电效应驱动，并激发基板的固有振动模态，包括但不限于纵振、弯振、扭振及以上几种振动模态的叠加形式。调节压电换能器输入信号的频率，可使压电换能器以不同频率振动，进而带动微流控芯片以此频率振动，即可实现基板的各种振动模态；调节压电换能器输入信号的幅值可调节压电换能器振幅，从而调节微流控芯片基板振幅，进而调节声流场强度。
本发明具有如下有益效果：
1、采用超声体波产生的声流场驱动，能量转化效率较高，通量较高，可控制微颗粒的运动速度较快，且具有良好的生物适应性。通过改变声操控参数可以实现微纳颗粒运动的启停、反向及多种不同的微粒运动形式，能够在多种流体介质中实现对微纳颗粒的运动控制，满足多种实验研究对微纳颗粒运动控制的需求。
2、在微流道中添加固定化纳米马达阵列，纳米马达所含催化物质促使液体介质分解产生气泡，气泡在声流场中的共振能够影响其附近微纳颗粒的运动状态，从而实现特殊的微颗粒运动形式，提升了声流场对微纳颗粒的控制性能。相较于现有的声操控微流体芯片，添加微气泡后能够加快受控微颗粒的运动速度，提升微流控芯片通量，且结构较为简单，工艺难度低。
3、在不同驱动频率和电压下，配置不同的纳米马达阵列，可以控制微流道内产生不同的声流场，结合气泡在相应频率下的振动，可以利用气泡周围的声流场实现微颗粒运动控制的多种功能。能够从多种尺寸的混合微粒中分离出特定尺寸的微粒，用于生物材料的分离和提纯时通量较高。这种特定的声流场还可用于控制较大尺寸物体绕其长轴做自旋运动，由此可将该超声精密微流控技术用于显微观察微纳物体三维特征。并且，声操控技术具有良好的生物相容性，经过超声操控的生物材料仍可用于后续的实验和检测，对实验和检测结果影响较小。
附图说明
图1(a)为基于纳米马达阵列的超声精密微流控芯片三维结构图；
图1(b)为基于纳米马达阵列的超声精密微流控芯片结构爆炸图；
图2(a)为包含管状纳米马达的多孔膜截面图；
图2(b)为包含锥管状纳米马达的多孔膜截面图；
图2(c)为包含球形纳米马达的多孔膜截面图；
图3为管状纳米马达催化产生气泡示意图；
图4为石英基板的振动模态仿真分析图；
图5为特征频率下石英基板的振型；
图6为管状纳米马达催化产生的气泡周围声流场示意图；
图7为气泡周围声流场控制微颗粒运动示意图；
图8为纳米马达阵列形成的气泡阵列在声流场中控制微颗粒定向运动示意图；
图9为纳米马达阵列形成的气泡阵列在声流场中控制较大物体旋转示意图。
图中，1为基板；2为包含固定化纳米马达的多孔薄膜；3为压电换能器；4为盖板；5为出液管；6为进液管；7为管状纳米马达；8为锥管状纳米马达；9为球形纳米马达；10为气泡；11为受控微颗粒；12为受控微生物。
具体实施方式
为便于本领域技术人员的理解，以下结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
一种包含固定化纳米马达阵列的声操控微流体芯片，其具体实施方式如下：
如图1(a)、图1(b)所示，本发明公开了一种基于纳米马达阵列的超声精密微流控芯片，包含基板1、纳米马达层2、压电换能器3、盖板4、出液管5、进液管6。基板1材质为石英玻璃，尺寸为25×15×0.5mm；盖板4材质为PDMS，尺寸为18×15×2mm；此处压电换能器3选用压电陶瓷片(3)，材质为PZT-8，尺寸为15×5×0.5mm；固定化纳米马达层2基体材质为聚碳酸酯薄膜。安装时，压电陶瓷片3粘贴在石英基板1上方边缘处，同时连接电极、接地；纳米马达固化层2粘贴在石英基板1上方，并包含于微流道内；具有微流道结构的PDMS盖板4也粘贴在石英基板1上方，并在进出液孔处分别连接出液管5和进液管6。
制备包含管状纳米马达7的纳米马达层2时，采用模版辅助的电沉积法，利用超声辅助型化学沉积平台进行制备，以Au溅射的聚碳酸酯薄膜2作为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，在电解池中加入聚乙烯二氧噻吩(PEDOT)电解液，依次在模版孔中沉积聚乙烯二氧噻吩(PEDOT)支撑外层、Fe中间层、MnO2内层，制备出包含中空管状纳米马达7的聚碳酸酯薄膜2。如图2(a)、图2(b)、图2(c)所示分别为包含管状纳米马达7、锥管状纳米马达8、球形纳米马达9的多孔薄膜截面图，其中管状纳米马达7和锥管状纳米马达8内表面包含催化剂成分，球形纳米马达9外表面包含催化剂成分，可以催化液体介质分解产生气泡10。
装配微流道中的纳米马达层2时，将包含固定化纳米马达阵列的聚碳酸酯薄膜分割成适宜的形状和大小，依据基板1的模态振型和所需的微颗粒运动控制需求，粘贴在基板1的相应位置。
制备PDMS盖板4时，先在硅基板上利用光刻技术加工出浮雕微图案，并涂覆防粘剂，再将PDMS与固化剂按照10:1的比例混合均匀后浇注在模板表面，放置于真空环境中去除气泡，而后在60℃烘箱中固化1小时，取出后手动剥离已印有浮雕图案的PDMS微通道。
装配PDMS盖板4时，先对PDMS的贴合面进行等离子体氧化照射，提高其粘合性，再将盖板4与石英基板1上表面贴合，完成密封。盖板4装配时应保证微流道中所粘贴的纳米马达层2完全包含于盖板4的微通道中。在PDMS盖板4上打液体进出管孔，并接不锈钢直角接头，直角接头外接导管，便于进出液体。
粘贴压电陶瓷片3时，从A管和B管中取适量的导电银胶，1:1充分混合后，取适量混合后的导电银胶，均匀地涂在压电陶瓷片3的一侧，而后将其粘贴到石英基板1对应的位置，用台钳施加适当压力压紧，再在烤箱中90℃加热1.5小时。使用导电银胶从压电陶瓷片3的正反两面各引出一根导线，分别作为信号输入端和接地端。
该微流控芯片工作时，由压电陶瓷片3将电能转化为机械能，带动基板1及其上结构的整体振动，在PDMS盖板4与石英基板1间的微流道中产生特定的声流场。同时，固定化纳米马达所含催化剂成分使得微流道内液体分解产生气泡10，气泡10粘附在纳米马达端部并在声流场中振动。由此，微流道内的微颗粒或生物组织材料同时受重力、液体浮力、声辐射力、粘滞阻力、气泡振动产生的Bjerknes力的作用，从而在微流道中受控运动，并遵循特定的运动轨迹。
催化剂和反应底物可以有很多种选择，只要能够保证通过化学反应产生所需的气泡即可。本实施例中在纳米马达内表面沉积的催化剂成分是二氧化锰，相应的实验中反应底物一般用低浓度的过氧化氢溶液。在考虑生物兼容性的情况下还可换用其他材料反应产生气泡，如以Ti(钛)或Pt(铂)为催化剂，促使水作为底物在化学反应中分解产生氢气气泡，发生的反应为：
2Al(s)+6H2O(aq)→2Al(OH)3(s)+3H 2(g)，或者Mg+H2O→Mg(OH)2+H2。
如图3所示为多个管状纳米马达7组成的阵列包含于聚碳酸酯薄膜中的截面图，管状纳米马达7位于液体介质中的一端产生气泡10，或是气泡10产生于管状纳米马达7内表面，而后逐渐膨胀并滑至端部。
如图4及图5所示为压电陶瓷片3激发出的基板1的固有振动模态。将X，Y，Z三个方向上的振动分开考虑，Z方向的振动分布较为均匀，没有明显的振动位移，因此可以忽略石英基板1在Z方向的振动；从位移场X分量的分布来看，在石英基板1的中间部位存在一个X方向的反复振动；从位移场Y分量分布来看，在石英基板1的中间位置存在一个Y方向的反复振动，综上可得，中间位置存在面内扭振。图5所示为基板1在特征频率下的实际振型。
如图6及图7所示，压电陶瓷片3带动微流控芯片的整体振动的同时纳米马达7端部的气泡10也会在声流场中作高频振动，影响其周围流场，图6为气泡10周围产生的流场分布示意图，图7所示为这种特殊的流场可用于捕获较小尺寸的微粒并使其在流场中做旋转运动。
如图8所示，当多个纳米马达7组成的阵列同时产生气泡10并在声流场中振动时，多个气泡10振动产生的声流场相互叠加，此时调整马达阵列7和气泡阵列10在微流道中的位置，可在气泡10周围形成定向流场控制微颗粒11以近似直线的轨迹在声流场中运动。
如图9所示为纳米马达阵列7同时在端部产生气泡10时，气泡10的振动结合特定声流场可以控制较大尺寸微生物12绕自身长轴转动。进一步地，通过改变纳米马达阵列7在微流道中的布局，可以实现多种尺寸微小物体的多种运动形式。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于纳米马达阵列的超声精密微流控芯片，其特征在于，包含：基板(1)、具有固定化纳米马达阵列的纳米马达层(2)、外接电极的压电换能器(3)、具有微流道的盖板(4)、出液管(5)、进液管(6)；所述纳米马达层(2)、压电换能器(3)和盖板(4)均粘贴在基板(1)上方，且纳米马达层(2)包含于所述微流道内；所述盖板(4)上设有进液孔和出液孔，进液孔和出液孔的一端分别连接进液管(6)和出液管(5)，另一端分别连接所述微流道的进液口和出液口；所述纳米马达层(2)中纳米马达包含能够催化液体介质分解产生气泡的催化剂成分，同时微流道内的液体中有反应底物。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米马达阵列的超声精密微流控芯片，其特征在于，所述基板(1)的材质为石英玻璃或硅片。
3.根据权利要求1所述的一种基于纳米马达阵列的超声精密微流控芯片，其特征在于，所述纳米马达层(2)的基体材质为聚碳酸酯膜或多孔氧化铝膜。
4.根据权利要求1所述的一种基于纳米马达阵列的超声精密微流控芯片，其特征在于，所述纳米马达层(2)中包含的纳米马达为管状或球形，其中管状纳米马达内表面包含催化剂成分，球形纳米马达外表面包含催化剂成分。
5.根据权利要求1所述的一种基于纳米马达阵列的超声精密微流控芯片，其特征在于，所述盖板(4)材质为PDMS。
6.权利要求1所述超声精密微流控芯片的实现方法，其特征在于，结合声流场与气泡振动实现对微小颗粒物体特定运动形式的运动控制，包括步骤如下：
步骤1：将外部信号发生器或计算机产生的激励信号用功率放大器放大；
步骤2：利用压电材料的逆压电效应驱动压电换能器(3)振动，进而带动微流控芯片整体振动，在微流道中产生声流场；
步骤3：微流道中纳米马达端部产生的气泡在声流场中振动，引起气泡附近声流场的变化，从而控制微小颗粒物体运动。
7.根据权利要求6所述的超声精密微流控芯片的实现方法，其特征在于，通过调整电压、频率、纳米马达的布置，实现不同尺寸微颗粒的多种运动形式，包括微纳颗粒的捕获与聚集、定向运动、转动及上述运动形式的叠加，进而实现微颗粒捕获、分选、定向运输功能。
8.根据权利要求6所述的超声精密微流控芯片的实现方法，其特征在于，所述压电换能器(3)能够通过逆压电效应驱动，并激发基板(1)的固有振动模态，所述固有振动模态包括纵振、弯振、扭振及以上几种振动模态的叠加形式。
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