CN112275331B - 一种基于声表面波芯片阵列的微液滴操作系统 - Google Patents

一种基于声表面波芯片阵列的微液滴操作系统 Download PDF

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Abstract

一种基于声表面波芯片阵列的微液滴操作系统，包括铌酸锂基底上设置的多个叉指换能器阵列单元，每个叉指换能器阵列单元包括在铌酸锂基底上方蒸镀的4个单独的叉指换能器阵列，叉指换能器阵列呈左右、前后对称设置，中间为中心反应池；叉指换能器阵列上方铺覆浸没有惰性载液，作为隔膜层，隔膜层上设有液滴，叉指换能器阵列通过电极电路和信号控制电路连接；信号控制电路包括信号发生模块，信号发生模块产生正弦波信号，经并行处理电路输出四路频率幅值可调的信号，功率放大模块将放大的四路信号作用于叉指换能器阵列实现液滴的驱动、混合和分裂；本发明实现液滴在隔膜层表面的自由移动，可重复性、集成性高，能够实现大规模应用。

Description

一种基于声表面波芯片阵列的微液滴操作系统
技术领域
本发明属于微液滴操作系统技术领域，具体涉及一种基于声表面波芯片阵列的微液滴操作系统。
背景技术
应用微纳制造技术，尤其是声表面波技术，将生物化学试剂微小液滴的操作集成在微小空间中，可实现微小液滴操作系统的微型化和便携式，能够进行多种微小液滴如血液、唾液、含酶试剂的驱动、混合。将微流控芯片和集成电路集合，易于实现仪器的微型化和自动化。
传统的生物试剂检测是提取生物试样在反应池中混合、静置，待反应物充分混合后检测特定生物标志物的含量。而一些生物试剂反应(神经元特异性烯醇化酶NSE的检测)存在对细胞生物相容性破坏、混合均匀性有待提高、混合物反应时间长等缺陷，限制了临床医用过程中第一时间检测。
目前针对微液滴处理的微流控技术往往是利用一到两个叉指换能器产生声波探究驱动效果，这导致微流控芯片技术可重复性、集成性低，无法实现大规模应用。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种基于声表面波芯片阵列的微液滴操作系统，实现液滴在隔膜层表面的自由移动，可重复性、集成性高，能够实现大规模应用。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于声表面波芯片阵列的微液滴操作系统10，包括铌酸锂基底1上设置的多个叉指换能器阵列单元，每个叉指换能器阵列单元包括在铌酸锂基底1上方蒸镀的4个单独的叉指换能器阵列3，4个叉指换能器阵列3呈左右、前后对称设置，4个叉指换能器阵列3的中间为中心反应池；4个叉指换能器阵列3上方铺覆浸没有惰性载液，作为隔膜层4，隔膜层4上设有液滴5，4个叉指换能器阵列3内侧连接有第一电极电路2，4个叉指换能器阵列3外侧连接有第二电极电路6，叉指换能器阵列3通过第一电极电路2、第二电极电路6和信号控制电路连接；
所述的信号控制电路包括信号发生模块7，信号发生模块7的输出和并行处理电路8的输入连接，并行处理电路8的输出和功率放大模块9的输入连接，功率放大模块9的输出和叉指换能器阵列3的输入连接；信号发生模块7产生正弦波信号，经并行处理电路8输出四路频率幅值可调的信号，功率放大模块9将放大的四路信号作用于叉指换能器阵列3实现液滴5的驱动、混合和分裂。
所述的第一电极电路2、第二电极电路6与功率放大模块9之间的电连接用环氧银进行。
所述的铌酸锂基底1高度为1毫米，叉指换能器阵列3、第一电极电路2、第二电极电路6的高度为100纳米，隔膜层4的高度为3毫米。
所述的每个叉指换能器阵列单元中4个叉指换能器阵列3蒸镀在铌酸锂基底1上形成直线形叉指换能器阵列单元或弧形叉指换能器阵列单元，直线形叉指换能器阵列单元或弧形叉指换能器阵列单元根据需要排布。
所述的叉指换能器阵列3采用平行叉指换能器12，叉指的中心频率即叉指间距、排布方式随着不同液滴5的操作要求进行调整。
所述的平行叉指换能器12的宽度为0.1毫米，叉指的间距为0.1毫米，叉指共由20对指条组成，相对的叉指换能器阵列3中的水平间距为10毫米。
所述的每个叉指换能器阵列单元中4个叉指换能器阵列3内侧共负极，通过第一电极电路2连接；4个叉指换能器阵列3外侧的正极通过第二电极电路6由环氧银与外部4路信号电路连接。
所述的铌酸锂基底1为压电材料128°旋转Y切割X传播方向的铌酸锂晶体。
所述的叉指换能器阵列3、第一电极电路2和第二电极电路6材料为20纳米铬和80纳米金。
所述的隔膜层4为氟系溶剂FC-40。
所述的每个叉指换能器阵列单元中4个叉指换能器阵列3独立成一个电子单元与PCB板连接，实现微流控芯片电路的集成，结合多路信号频率幅值和时间的控制完成液滴5的各种操作。
相对于现有技术，本发明的有益效果是：
本发明利用惰性载液作为隔膜层4可以实现液滴5与铌酸锂基底1和叉指换能器阵列3的隔离，降低对液滴5的影响，实现液滴5操作的非接触性和可重复性；依靠叉指换能器阵列3产生的声表面波和势阱引起惰性载液的流动实现液滴5的操作，这种驱动方式具有高生物相容性。
通过叉指换能器阵列3的选择性激励以及信号频率幅值的控制，根据需求选择不同结构的叉指换能器阵列单元与PCB板连接可以实现液滴5的复杂操作。通过直线形叉指换能器阵列单元，当液滴5处于叉指换能器阵列3正上方时以高压激励，可以实现液滴5的分裂；通过弧形叉指换能器阵列单元并结合反射栅结构，聚焦型声表面波可以实现液滴5的有效混合。
本发明结构简单便携，集成度高，能耗较低，能够实现液滴5的无污染、非接触式、可重复操作，所需样本少，反应时间短，可应用于多种生物化学微液滴操作。
附图说明
图1是本发明直线形叉指换能器阵列单元的示意图。
图2是本发明直线形叉指换能器阵列单元驱动液滴的原理图。
图3是本发明信号控制电路框图。
图4是本发明多个直线形叉指换能器阵列单元排布的示意图。
图5是本发明弧形叉指换能器阵列单元的示意图。
图6是本发明叉指换能器阵列的工作示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
参见图1、图2和图3，一种基于声表面波芯片阵列的微液滴操作系统10，包括铌酸锂基底1上设置的多个叉指换能器阵列单元，每个叉指换能器阵列单元包括在铌酸锂基底1上方蒸镀的4个叉指换能器阵列3，4个叉指换能器阵列3呈左右、前后对称设置，4个叉指换能器阵列3的中间为中心反应池；4个叉指换能器阵列3上方铺覆浸没有惰性载液，作为隔膜层4，隔膜层4上设有液滴5，4个叉指换能器阵列3内侧连接有第一电极电路2，4个叉指换能器阵列3外侧连接有第二电极电路6，叉指换能器阵列3通过第一电极电路2、第二电极电路6和信号控制电路连接；
所述的信号控制电路包括信号发生模块7，信号发生模块7的输出和并行处理电路8的输入连接，并行处理电路8的输出和功率放大模块9的输入连接，功率放大模块9的输出和叉指换能器阵列3的输入连接；信号发生模块7产生正弦波信号，经并行处理电路8输出四路频率幅值可调的信号，功率放大模块9将放大的四路信号作用于叉指换能器阵列3实现液滴5的驱动、混合和分裂。
所述的第一电极电路2、第二电极电路6与功率放大模块9之间的电连接用环氧银进行。
所述的铌酸锂基底1高度为1毫米，叉指换能器阵列3、第一电极电路2、第二电极电路6的高度为100纳米，隔膜层4的高度为3毫米。
所述的叉指换能器阵列3、第一电极电路2和第二电极电路6材料为20纳米铬和80纳米金。
所述的隔膜层4为氟系溶剂FC-40。
参见图1、图4和图5，所述的每个叉指换能器阵列单元中4个叉指换能器阵列3蒸镀在铌酸锂基底1上形成直线形叉指换能器阵列单元或弧形叉指换能器阵列单元，直线形叉指换能器阵列单元或弧形叉指换能器阵列单元根据需要排布；每个叉指换能器阵列3为平行叉指换能器12，叉指的宽度为0.1毫米，叉指的间距为0.1毫米，叉指共由20对指条组成，相对的叉指换能器阵列3中的水平间距为10毫米。
所述的每个叉指换能器阵列单元中4个叉指换能器阵列3内侧共负极，通过第一电极电路2连接；4个叉指换能器阵列3外侧的正极通过第二电极电路6由环氧银与外部4路信号电路连接。
所述的铌酸锂基底1为压电材料128°旋转Y切割X传播方向的铌酸锂晶体。
本发明工作原理为：参照图1和图6，使用移液枪将液滴5滴在右侧叉指换能器阵列3上方，对此叉指换能器阵列3施加正弦波交流电压，叉指换能器阵列3沿叉指产生声表面波，并在叉指换能器阵列3两侧惰性载液中形成力势阱；惰性载液在声表面波和两侧势阱的作用下形成声流体，液滴5在声流体作用下实现平面移动；当液滴5在叉指换能器阵列3正上方时，以高电压激励叉指换能器阵列3，叉指换能器阵列3上方载液中形成喷射流，液滴5在喷射流的作用下可以实现液滴5分裂；利用弧形叉指换能器阵列单元能够分别驱动两个液滴5至中心反应池可以实现液滴5的有效混合，弧形叉指设计可以大大提高液滴5的混合效率。本发明不仅可以实现单个液滴5的移动、混合、分裂操作，合理布局多个弧形叉指换能器阵列单元能够可以实现多个液滴5的复杂操作。
所述的叉指换能器阵列3采用平行叉指换能器12，平行叉指换能器12在正弦波信号的作用下沿X方向上产生声表面波SAW，并在平行叉指换能器12两侧的惰性载液的隔膜层4中产生流体动力势阱11；在声表面波和两侧流体动力势阱11的作用下，平行叉指换能器12相当于微型泵沿±X方向泵出流体，沿±Y方向泵进流体，浮在隔膜层4表面的液滴5依靠声流便可以实现±X和±Y方向的运动。
本发明利用声表面波作为操纵液滴的手段，以叉指换能器阵列单元为核心，利用信号发生模块7、并行处理电路8、功率放大模块9产生四路频率幅值可调的信号选择性激励叉指换能器阵，实现液滴5的移动、混合和分裂操作。本发明能够实现多种生物化学微液滴反应，如神经元特异性烯醇化酶的检测、葡萄糖重金属离子等物质浓度检测等。本发明采用微纳加工工艺，大大减少器件体积和试样消耗，利用惰性载液的隔膜层4隔离液滴5和固体器件可以实现液滴5非接触性、无污染、可重复性操作。除此之外，利用声表面波在惰性载液中产生的声流体驱动的方式可以保证高生物相容性。

Claims (5)

1.一种基于声表面波芯片阵列的微液滴操作系统(10)，其特征在于：包括铌酸锂基底(1)上设置的多个叉指换能器阵列单元，每个叉指换能器阵列单元包括在铌酸锂基底(1)上方蒸镀的4个单独的叉指换能器阵列(3)，4个叉指换能器阵列(3)呈左右、前后对称设置，4个叉指换能器阵列(3)的中间为中心反应池；4个叉指换能器阵列(3)上方铺覆浸没有惰性载液，作为隔膜层(4)，隔膜层(4)上设有液滴(5)，4个叉指换能器阵列(3)内侧连接有第一电极电路(2)，4个叉指换能器阵列(3)外侧连接有第二电极电路(6)，叉指换能器阵列(3)通过第一电极电路(2)、第二电极电路(6)和信号控制电路连接；
所述的信号控制电路包括信号发生模块(7)，信号发生模块(7)的输出和并行处理电路(8)的输入连接，并行处理电路(8)的输出和功率放大模块(9)的输入连接，功率放大模块(9)的输出和叉指换能器阵列(3)的输入连接；信号发生模块(7)产生正弦波信号，经并行处理电路(8)输出四路频率幅值可调的信号，功率放大模块(9)将放大的四路信号作用于叉指换能器阵列(3)实现液滴(5)的驱动、混合和分裂；
所述的第一电极电路(2)、第二电极电路(6)与功率放大模块(9)之间的电连接用环氧银进行；
所述的每个叉指换能器阵列单元中4个叉指换能器阵列(3)蒸镀在铌酸锂基底(1)上形成直线形叉指换能器阵列单元或弧形叉指换能器阵列单元，直线形叉指换能器阵列单元或弧形叉指换能器阵列单元根据需要排布；
所述的叉指换能器阵列(3)采用平行叉指换能器(12)，叉指的中心频率即叉指间距、排布方式随着不同液滴(5)的操作要求进行调整；
所述的每个叉指换能器阵列单元中4个叉指换能器阵列(3)内侧共负极，通过第一电极电路(2)连接；4个叉指换能器阵列(3)外侧的正极通过第二电极电路(6)由环氧银与外部4路信号电路连接；
所述的每个叉指换能器阵列单元中4个叉指换能器阵列(3)独立成一个电子单元与PCB板连接，实现微流控芯片电路的集成，结合多路信号频率幅值和时间的控制完成液滴(5)的各种操作。
2.根据权利要求1所述的一种基于声表面波芯片阵列的微液滴操作系统，其特征在于：所述的铌酸锂基底(1)高度为1毫米，叉指换能器阵列(3)、第一电极电路(2)、第二电极电路(6)的高度为100纳米，隔膜层(4)的高度为3毫米。
3.根据权利要求1所述的一种基于声表面波芯片阵列的微液滴操作系统，其特征在于：所述的平行叉指换能器(12)的宽度为0.1毫米，叉指的间距为0.1毫米，叉指共由20对指条组成，相对的叉指换能器阵列(3)中的水平间距为10毫米。
4.根据权利要求1所述的一种基于声表面波芯片阵列的微液滴操作系统，其特征在于：所述的叉指换能器阵列(3)、第一电极电路(2)和第二电极电路(6)材料为20纳米铬和80纳米金。
5.根据权利要求1所述的一种基于声表面波芯片阵列的微液滴操作系统，其特征在于：所述的隔膜层(4)为氟系溶剂FC-40。
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