CN112827518A - 基于声表面波的可重复使用高粘液滴生成装置 - Google Patents

基于声表面波的可重复使用高粘液滴生成装置 Download PDF

Info

Publication number
CN112827518A
CN112827518A CN202110026424.5A CN202110026424A CN112827518A CN 112827518 A CN112827518 A CN 112827518A CN 202110026424 A CN202110026424 A CN 202110026424A CN 112827518 A CN112827518 A CN 112827518A
Authority
CN
China
Prior art keywords
surface acoustic
acoustic wave
piezoelectric substrate
interdigital transducer
acoustic waves
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110026424.5A
Other languages
English (en)
Inventor
刘赵淼
赵思宇
王飓
李梦麒
逄燕
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing University of Technology
Original Assignee
Beijing University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing University of Technology filed Critical Beijing University of Technology
Priority to CN202110026424.5A priority Critical patent/CN112827518A/zh
Publication of CN112827518A publication Critical patent/CN112827518A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/50273—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the means or forces applied to move the fluids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502707—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the manufacture of the container or its components
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502769—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements
    • B01L3/502784—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements specially adapted for droplet or plug flow, e.g. digital microfluidics
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0433—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces vibrational forces
    • B01L2400/0436—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces vibrational forces acoustic forces, e.g. surface acoustic waves [SAW]

Abstract

本发明公开了基于声表面波的可重复使用高粘液滴生成装置，通过向叉指换能器施加交流信号激发出沿压电基底表面传播的声表面波，微米级波长的声表面波与微纳米级别流体可良好兼容，此时作用于两相交汇界面处的声表面波可诱导分散相液柱颈缩，进而实现高粘度液滴的均匀稳定生成。在微流控芯片与压电基底的可逆键合方面，采用20微米厚度的硬质PDMS薄膜作为微通道底部，由于薄膜厚度较小，且硬质PDMS材料吸收声波的能力较弱，可避免声波在传播至微通道内部途中被微通道结构底部的PDMS结构大量吸收。无需将通道与压电基底直接键合，提高装置的可重复利用性，降低使用成本。本装置为高粘液滴生成提供了稳定性高、均一性好、可重复利用且成本低的解决方案。

Description

基于声表面波的可重复使用高粘液滴生成装置
技术领域
本发明涉及新型基于声表面波的可重复使用高粘液滴生成装置。本发明属于微流控技术应用领域。
背景技术
液滴微流控技术的关键特征是利用液滴作为微型反应腔，为待测样品的生化反应、定向输运和定量分析提供了微型的封闭系统。液滴体积的微型性可有效减少样品消耗量和反应时间，同时液滴的独立性可有效避免样品交叉污染从而提高系统稳定性，是提高生化分析精度和效率的有效工具。液滴体积的高精度调节、实时控制以及液滴稳定生成是提高液滴反应腔工作性能的关键性因素。传统液滴微流控芯片在分散相粘度较高时很难直接稳定生成尺寸均匀的液滴。近年来随着液滴微流控技术在材料合成、药物运载以及生物3D打印等领域的不断发展，对聚合物溶液以及生物组织水凝胶等高粘度流体的微尺度控制成为研究热点，但目前在高粘液滴生成技术上仍存在以下问题：
(1)传统的微流控芯片很难实现粘度高于100mPa·s液滴的稳定生成。目前可通过引入气相作为第三相将高粘分散相拉出的细丝剪切断形成液滴，然而这种气相流速难以控制，无法保证高粘度液滴尺寸的均一性。
(2)通过稀释高粘度溶液或者直接利用两组分之间的反应也可以制备高粘度液滴，例如高粘度海藻酸钠和氯化钙混合溶液作为分散相通入微流控芯片，但该混合溶液很难剪断形成液滴，同时这种方法会改变流体性质，进而对液滴的功能造成影响。
(3)利用低粘度流体包裹高粘度流体可辅助生成双乳液滴，然而在实际应用过程中液滴难以成型，液滴尺寸均一性存在问题，同时高粘液滴作为内核存在有效提取的问题。
(4)液滴反相技术可实现高均一性高粘液滴生成，该方法首先利用高粘度流体剪切生成低粘度液滴，随后通过控制微通道亲疏水性促使低粘度液滴外的润滑膜发生破裂从而导致液滴反相，变为低粘度流体包高粘度微滴。基于该方法虽然有效提高液滴均一性，但是液滴尺寸难以精确控制，且微通道区域性改性大幅提高装置加工难度，难以作为批量化生产的高粘度液滴生成装置。
(5)声表面波作为外加力场，通过与微流控液滴生成芯片相结合，可诱导高粘液滴均匀、稳定生成。声表面波的发生装置由压电基底和加工于上表面的叉指换能器构成，为实现声表面波与微流体的有效结合，通常将微流控芯片直接键合于压电基底上部，但是这种键合是不可逆的，当微流控芯片发生堵塞、破损等问题时，压电基底无法回收，只能和芯片一同报废，降低了装置的重复利用率，提高了加工成本。
本次发明主要针对以上高粘度液滴生成技术尺寸控制精度低、稳定性低以及均一性差等问题，设计了新型基于声表面波的可重复使用高粘液滴生成装置，该装置涵盖了基于声表面波的液滴生成技术以及微流控芯片与压电基底的可逆键合技术。其中声表面波作为一种沿基底表面传播的弹性声波，具备装置简单、响应迅速以及非接触性等优势，为主动式高粘度液滴生成提供了新方案。将聚焦型叉指换能器焦点对准缩孔型通道交汇处，此时向叉指换能器施加交流信号即可激发出沿压电基底表面传播的声表面波，作用于两相交汇界面处的声表面波可诱导分散相液柱颈缩，进而实现高粘度液滴的均匀稳定生成。在微流控芯片与压电基底的可逆键合方面，本装置采用20微米厚度的薄膜作为微通道底部，由于薄膜厚度较小，可有效避免声波被PDMS完全吸收，同时无需将通道与压电基底直接键合，提高了装置的可重复利用性，并降低装置使用成本。综上可知，本装置为高粘液滴生成提供了稳定性高、均一性好、可重复利用且成本低的解决方案。
发明内容
本次发明主要针对以上高粘度液滴生成技术尺寸控制精度低、稳定性低、均一性差以及等问题，设计了新型基于声表面波的可重复使用高粘液滴生成装置，该装置含有两大关键技术：基于声表面波的液滴生成技术以及微流控芯片与压电基底的可逆键合技术。
本发明采用的技术方案为基于声表面波的可重复使用高粘液滴生成装置，包括声表面波激发装置和微流控芯片。其中声表面波激发装置由压电基底(1)、信号发生装置(2)、功率放大器(3)以及叉指换能器(4)组成。通过显影技术将叉指换能器(4)加工于压电基底(1)上；叉指换能器(4)为扇形结构，利用银胶将功率放大器(3)的导线与叉指换能器(4)的顶部粘接。在激发声表面波过程中，信号发生装置(2)激发的正弦信号经过功率放大器(3)放大后，通过导线通入叉指换能器(4)中，叉指换能器(4)产生的声表面波产生沿基底表面传播的弹性声波传播至微流控芯片中，作用于两相交汇界面处的声表面波可诱导分散相液柱颈缩，进而实现高粘度液滴的均匀稳定生成。
微流控芯片与压电基底的可逆键合采用硬质PDMS薄膜(6)作为微通道芯片(5)的底膜，20微米厚的硬质PDMS薄膜(6)，因为厚度较薄，同时材质较硬，有效降低PDMS材料对声波造成的衰减，同时避免微通道芯片(5)与压电基底(1)的直接键合，此时只需将微通道芯片(5)与硬质PDMS薄膜(6)键合，并将键合完成的微流控芯片放置于压电基底(1)上部，即可实现声表面波与微流体的有效结合，在使用结束后将芯片简单取下，即可实现压电基底的重复利用，提高使用寿命，同时降低加工成本。
和现有高粘液滴生成方法对比的优势：
1、液滴尺寸精度高：与传统的高粘液滴生成方法相比，本装置采用声表面波作为外加力场，与仅靠流体流动特性的方法相比，微米级波长的声表面波与微纳米级别流体可良好兼容，产生的高粘度液滴尺寸调节精度高、均一性好。
2、生物兼容性良好：声表面波作为一种沿基底表面传播的弹性声波，因其响应迅速以及非接触性，具有良好的生物兼容性，可应用于高粘度生物材料的高精密液滴生成。
3、装置高度可集成：由于声表面波装置微型，可集成于其他的流体部件，扩展生成的高粘度液滴下游应用场景。
4、液滴生成效率高：利用等离子键合器对微通道芯片(5)和硬质PDMS薄膜(6)底膜进行键合，与传统的普通材质PDMS材料相比，可避免声波在传播至微通道内部途中被微通道结构底部的PDMS结构大量吸收，提高聚焦于两相界面处的声压大小，提高液滴生成效率。
5、装置可重复利用：采用硬质PDMS薄膜(6)底膜，可避免将微通道芯片(5)与压电基底(1)的直接键合，键合完成的芯片放置于压电基底(1)上部，即可实现声表面波与微流体的有效结合，在使用结束后将芯片简单取下，即可实现压电基底的可重复利用，提高设备的使用寿命，同时降低装置加工成本。
附图说明
图1是本发明的示意图。
注释：1.压电基底2.信号发生器3.功率放大器4.叉指换能器5.微通道芯片6.硬质PDMS薄膜。
具体实施方式
下面结合结构附图对如何制作新型基于声表面波的可重复使用高粘液滴生成装置进行进一步详细说明。
图1为本发明的示意图。本次发明主要针对以上高粘度液滴生成技术尺寸控制精度低、稳定性低、均一性差以及等问题，设计了新型基于声表面波的可重复使用高粘液滴生成装置。
对于声表面波激发装置，通过在128°Y-X铌酸锂(LiNbO3)压电基底(1)上通过蒸镀、涂胶、光刻和刻蚀等一系列工艺制作叉指换能器(4)。随后利用银胶将连接功率放大器(3)的导线与叉指顶部粘接。
对于液滴生成微流控芯片，利用甩膜机制作厚度为20微米的硬质PDMS薄膜(6)，随后采用模塑法制作的PDMS微通道芯片(5)，在完成打孔厚，使用等离子键合器对PDMS微通道芯片(5)和硬质PDMS薄膜(6)进行键合。增强壁面间的粘性，后将两表面按压进行键合。键合后将芯片放置130℃的加热板上加热以增加键合强度。
利用显微镜放大画面，将微通道交汇处对准换能器焦点位置，将键合完成的芯片放置于压电基底(1)上部，即可实现声表面波与微流体的有效结合，
在激发声表面波的过程中，信号发生装置(2)激发的正弦信号经过功率放大器(3)放大后，通过导线通入叉指换能器中，叉指换能器产生的声表面波产生沿基底表面传播的弹性声波传播至微流控芯片中，进而实现高粘度液滴的均匀稳定生成。
1、加工要求
A)PDMS配置：PDMS预置剂(A胶)和固化剂(B胶)10:1的混合溶液，充分搅拌后放置真空箱内进行抽真空操作，清除溶液内残留气泡。
B)配置好的PDMS虽然长时间可以保持液体状态，但是久置的PDMS溶液会变得粘稠，不容易形成光滑的液膜表面。应在配置好后及时进行下一步。配置后搁置一段时间后的PDMS溶液搅拌后拉起若液体不可顺滑的留下出现拉丝等问题，则不适合进行通道制作。
C)微流控芯片键合：使用等离子键合器(Plasma)对通道和地板进行处理，增强壁面间的粘性，后将两表面按压进行键合。键合后将芯片放置130℃的加热板上加热以增加键合强度。
F)叉指换能器合端部连接导线的银胶应要适量，不可涂覆过多的银胶，导致在使用过程中受热集中，压电基底断裂。

Claims (2)

1.基于声表面波的可重复使用高粘液滴生成装置，其特征在于：包括声表面波激发装置和微流控芯片；其中声表面波激发装置由压电基底(1)、信号发生装置(2)、功率放大器(3)以及叉指换能器(4)组成；通过显影技术将叉指换能器(4)加工于压电基底(1)上；叉指换能器(4)为扇形结构，利用银胶将功率放大器(3)的导线与叉指换能器(4)的顶部粘接；在激发声表面波过程中，信号发生装置(2)激发的正弦信号经过功率放大器(3)放大后，通过导线通入叉指换能器(4)中，叉指换能器(4)产生的声表面波产生沿基底表面传播的弹性声波传播至微流控芯片中，作用于两相交汇界面处的声表面波诱导分散相液柱颈缩，实现高粘度液滴的均匀稳定生成。
2.根据权利要求1所述的基于声表面波的可重复使用高粘液滴生成装置，其特征在于：微流控芯片与压电基底的可逆键合采用硬质PDMS薄膜(6)作为微通道芯片(5)的底膜，PDMS薄膜(6)为20微米厚，将键合完成的微流控芯片放置于压电基底(1)上部。
CN202110026424.5A 2021-01-08 2021-01-08 基于声表面波的可重复使用高粘液滴生成装置 Pending CN112827518A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110026424.5A CN112827518A (zh) 2021-01-08 2021-01-08 基于声表面波的可重复使用高粘液滴生成装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110026424.5A CN112827518A (zh) 2021-01-08 2021-01-08 基于声表面波的可重复使用高粘液滴生成装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112827518A true CN112827518A (zh) 2021-05-25

Family

ID=75929161

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110026424.5A Pending CN112827518A (zh) 2021-01-08 2021-01-08 基于声表面波的可重复使用高粘液滴生成装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112827518A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116656489A (zh) * 2023-07-28 2023-08-29 中南大学 一种分选体液中外泌体的驻波声流控器件及其使用方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201259501Y (zh) * 2008-09-08 2009-06-17 宁波大学 艾滋病诊断专用微流控芯片
US7942568B1 (en) * 2005-06-17 2011-05-17 Sandia Corporation Active micromixer using surface acoustic wave streaming
CN109012769A (zh) * 2018-07-11 2018-12-18 西安交通大学 一种基于表面声波的微流控液滴生成装置及方法
CN109569392A (zh) * 2018-12-21 2019-04-05 北京工业大学 一种基于声表面波的y型主动式微混合器
CN111085281A (zh) * 2020-01-08 2020-05-01 西安交通大学 一种声表面波调控的高通量微液滴生成装置及方法
US20200206738A1 (en) * 2018-12-26 2020-07-02 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Apparatus and method for washing and concentrating microparticles encapsulated in microscale droplets using acoustic radiation force

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7942568B1 (en) * 2005-06-17 2011-05-17 Sandia Corporation Active micromixer using surface acoustic wave streaming
CN201259501Y (zh) * 2008-09-08 2009-06-17 宁波大学 艾滋病诊断专用微流控芯片
CN109012769A (zh) * 2018-07-11 2018-12-18 西安交通大学 一种基于表面声波的微流控液滴生成装置及方法
CN109569392A (zh) * 2018-12-21 2019-04-05 北京工业大学 一种基于声表面波的y型主动式微混合器
US20200206738A1 (en) * 2018-12-26 2020-07-02 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Apparatus and method for washing and concentrating microparticles encapsulated in microscale droplets using acoustic radiation force
CN111085281A (zh) * 2020-01-08 2020-05-01 西安交通大学 一种声表面波调控的高通量微液滴生成装置及方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116656489A (zh) * 2023-07-28 2023-08-29 中南大学 一种分选体液中外泌体的驻波声流控器件及其使用方法
CN116656489B (zh) * 2023-07-28 2023-10-27 中南大学 一种分选体液中外泌体的驻波声流控器件及其使用方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109012769B (zh) 一种基于表面声波的微流控液滴生成装置及方法
Kelly et al. Thermal bonding of polymeric capillary electrophoresis microdevices in water
WO2007128045A1 (en) Microfluidic systems using surface acoustic energy and method of use thereof
US10444138B2 (en) Optical cell constructed by anodically bonding a thin metal layer between two optically clear glass windows
Yeo et al. Surface acoustic wave microfluidics
US8865003B2 (en) Apparatus and method for separation of particles suspended in a liquid from the liquid in which they are suspended
Nam et al. Density-dependent separation of encapsulated cells in a microfluidic channel by using a standing surface acoustic wave
Shi et al. Focusing microparticles in a microfluidic channel with standing surface acoustic waves (SSAW)
US6942169B2 (en) Micromachined lysing device and method for performing cell lysis
JP5196304B2 (ja) エマルジョン形成用マイクロチップおよびその製造方法
CN114160218B (zh) 一种制备单分散非牛顿微液滴的微流控装置及方法
US8465706B2 (en) On-demand microfluidic droplet or bubble generation
CN107979352B (zh) 一种薄膜体声波微流控混合装置
Wu et al. A digital acoustofluidic pump powered by localized fluid-substrate interactions
Conde et al. Versatile hybrid acoustic micromixer with demonstration of circulating cell-free DNA extraction from sub-ml plasma samples
CN112371065B (zh) 一种基于声表面波微流控装置的磁性核壳微胶囊生成方法
CN111085281B (zh) 一种声表面波调控的高通量微液滴生成装置及方法
US20130273591A1 (en) On-demand microfluidic droplet or bubble generation
Mueller et al. Continuous acoustic separation in a thermoplastic microchannel
CN104998702A (zh) 一种基于液体模塑法的pdms微流控芯片制备方法
Lim et al. Acoustic mixing in a dome-shaped chamber-based SAW (DC-SAW) device
CN112827518A (zh) 基于声表面波的可重复使用高粘液滴生成装置
CN110496657B (zh) 一种可形成液态金属液滴的微流控芯片及其制备方法
JP2007136292A (ja) マイクロチャネル構造体の製造方法、マイクロチャネル構造体、およびマイクロリアクタ
CN108212236B (zh) 一种实现液滴对/气泡对同步运动并融合的微流控芯片

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20210525

RJ01 Rejection of invention patent application after publication