CN112870854B - 一种驻波切换型声流微操控筛选装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种驻波切换型声流微操控筛选装置及其工作方法，包括微操控装置、固定架和基座；微操控装置包括容器和压电陶瓷模块；容器为上端开口的空心长方体，包括第一至第四侧板以及底板,第一、第三侧板外壁中心分别设有和所述第二侧板平行的第一、第二夹持耳；压电陶瓷模块包含设置在底板的下端面上第一压电元件组和第二压电元件组；第一、第二夹持耳通过固定架固定在基座上。本发明中通过对第一、第二压电元件组轮流施加简谐电压信号实现对不同直径的目标物的分离筛选。本发明采用压电激励的微操控装置实现了对目标物的无损、无接触操控，提高了研究人员与目标物的交互。

Description

一种驻波切换型声流微操控筛选装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及微操控和微颗粒快速筛选领域，尤其涉及一种驻波切换型声流微操控筛选装置及其工作方法。

背景技术

近年来，对一些粒子或细胞进行平移、旋转、排列、分类和分离等微操作已经非常普遍。微操控的手段很多，包含光摄、介电泳、磁场、声镊等等。其中声场操控由于其高精度驱动、较好的生物相容性和非接触式操控而受到广泛关注，常被用来实现粒子和细胞等的分类，迁移，旋转和定位等等。振动驱动的微操作装置作为一种操作微粒、细胞等微米尺度物体定向的手段，在未来将具有更低的操作成本，更具有可重构性、灵活性、通用性和生物相容性。目前国内外研究中最为成熟的是芯片实验室式微流控装置，通过设计流道的形状、尺寸以及换能器结构布置，实现微颗粒或细胞在流道内的操控，具有较高的精度。其存在的缺陷在于流道除了进、出口为封闭结构，无法实现研究人员与目标物的交互，其次流道尺寸和振动频率相关，导致流道尺寸较小，无法实现大批量目标物的操控，同时微尺度的流道对加工的要求较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种驻波切换型声流微操控筛选装置及其工作方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种驻波切换型声流微操控筛选装置，包括微操控装置、固定架和基座；

所述微操控装置包括容器和压电陶瓷模块；

所述容器为上端开口的空心长方体，包括第一至第四侧板以及底板，其中，所述第一侧板、第三侧板相互平行，第二侧板、第四侧板相互平行，且第一侧板的长度大于第二侧板的长度；

所述第一侧板外壁中心设有和所述第二侧板平行的第一夹持耳，第三侧板外壁中心设有和所述第二侧板平行的第二夹持耳；所述第一、第二夹持耳上均设有螺纹通孔；

所述压电陶瓷模块包含第一压电元件组和第二压电元件组，其中，所述第二压电元件组包含顺序设置在所述底板的下端面上的第一至第四压电陶瓷片，所述第一至第四压电陶瓷片关于第一侧板上夹持耳所在平面对称；所述第一压电元件组包含第五至第六压电陶瓷片，第五压电陶瓷片位于第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片之间，第六压电陶瓷片位于第三压电陶瓷片、第四压电陶瓷片之间，且第五压电陶瓷片、第六压电陶瓷片关于第一侧板上夹持耳所在平面对称；所述第一至第六压电陶瓷片均沿厚度方向极化，第二压电元件组中相邻压电陶瓷片的极化方向相反，第五压电陶瓷片、第六压电陶瓷片的极化方向相反；

所述固定架包含固定块、第一固定臂和第二固定臂，其中，所述固定块固定在所述基座上；所述第一固定臂、第二固定臂平行设置在所述固定块上；所述第一固定臂上设有和所述第一夹持耳相配合的通孔，所述第一夹持耳和第一固定臂通过螺栓固连；所述第二固定臂上设有和所述第二夹持耳相配合的通孔，所述第二夹持耳和所述第二固定臂通过螺栓固连；所述容器的底板平行设置；

所述容器用于盛放液体承载介质以及液体承载介质中两种不同直径的待分离的目标物；

所述第一压电元件组用于激励出容器的二阶面外弯曲振动，振动时第一、第二夹持耳位于振动节点位置；所述第二压电元件组用于激励出容器的四阶面外弯曲振动，振动时第一、第二夹持耳位于振动节点位置；所述第一压电元件组、第二压电元件组相配合使得液体承载介质中不同直径的目标物分离。

作为本发明一种驻波切换型声流微操控筛选装置进一步的优化方案，所述底板下端面上设有六个和所述第一至第六压电陶瓷片一一对应的矩形凹槽，用于定位粘贴所述第一至第六压电陶瓷片。

本发明中待分离的目标物包括微颗粒、细胞及生物体等，其尺度在纳米到毫米之间；根据目标物的不同，容器中需加入不同的液体承载介质，如去离子水、无水乙醇、培养液、组织液等。

本发明还公开了一种该驻波切换型声流微操控筛选装置的控制方法，通过对第一、第二压电元件组轮流施加简谐电压信号实现对不同直径的目标物的分离筛选，具体操控过程如下：

步骤1），对第二压电元件组施加频率为预设的第一频率阈值f1的简谐电压信号，激励出容器的四阶面外弯振模态，此时容器内液体承载介质的内部形成具有五个声节线的驻波声场P1，该五个声节线均平行于第二侧板，令其沿第一侧板长度方向依次为P1-1声节线、P1-2声节线、P1-3声节线、P1-4声节线和P1-5声节线，将待分离的目标物置于P1-2、P1-4声节线周围，在声辐射力/ Stokes拖曳力的作用下目标物会向P1-2、P1-4声节线上移动；

步骤2），经过预设的第一时间阈值Δt1秒后，目标物聚集在P1-2、P1-4声节线上时，断开施加给第二压电元件组的电信号的同时对第一压电元件组施加频率为预设的第二频率阈值f2的简谐电压信号，激励出容器的二阶面外弯振模态，此时容器内液体承载介质的内部形成具有三个声节线的驻波声场P2，该三个声节线均平行于第二侧板，令其沿第一侧板长度方向依次为P2-1声节线、P2-2声节线和P2-3声节线，P2-2声节线和P1-3声节线重合，此时在目标物在新的声辐射力/Stokes拖曳力的驱动下会向P2-2声节线移动，此时由于目标物的直径不同其运动速度也不相同，其中较大直径的目标物具有更快的运动速度；

步骤3），经过预设的第二时间阈值Δt2秒后，部分较大直径的目标物运动位置接近P2-2声节线时，断开施加给第一压电元件组的电信号的同时对第二压电元件组施加频率为f1的简谐电压信号，此时较大直径的目标物中靠近P1-3声节线的目标物会向P1-3声节线移动，其余目标物则向P1-2、P1-4声节线移动；

步骤4），重复执行步骤2）至步骤3），直至较大直径的目标物聚集在P1-3声节线，较小直径的目标物聚集在P1-2、P1-4声节线上，实现不同直径的目标物分离。

需要注意的是，本发明所提出的驻波切换型声流微操控筛选装置中，参与操控目标物的力包含声辐射力和声流中的Stokes拖曳力，根据目标物的直径不同，操控的主要驱动力不同，对于直径小于2微米的目标物主要是Stokes拖曳力驱动，直径大于2微米的目标物主要是声辐射力驱动。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 设备简单、价格便宜，可以降低常见筛选系统的成本；

2. 采用压电激励的微操控装置可以实现对目标物的无损、无接触操控，操控手段包括包括：定位操控、迁移操控、分离操控；

3. 开口式的容器设计提高了研究人员与目标物的交互。

附图说明

图1是本发明中一种驻波切换型声流微操控筛选装置的示意图；

图2是本发明中微操控装置的结构示意图；

图3是本发明中容器的结构示意图；

图4是本发明中固定架的结构示意图；

图5是本发明压电陶瓷片的极化方向及电信号施加方式示意图；

图6是本发明中容器四阶面外弯振的振型示意图；

图7是本发明中容器内部产生的驻波声场P1和声节线分布示意图；

图8是本发明中容器二阶面外弯振的振型示意图；

图9是本发明中容器内部产生的驻波声场P2和声节线分布示意图；

图10是本发明中不同直径的目标物筛选流程图。

图中，1-微操控装置，2-固定架，3-基座，1.1-容器，1.2-压电陶瓷模块，1.2.1-第一压电元件组，1.2.2-第二压电元件组，1.1.1-底板，1.1.2-矩形凹槽，1.1.3-第一夹持耳，2.1-第一固定臂。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本发明公开了一种驻波切换型声流微操控筛选装置，包括微操控装置、固定架和基座。

如图2所示，所述微操控装置包括容器和压电陶瓷模块。

如图3所示，所述容器为上端开口的空心长方体，包括第一至第四侧板以及底板，其中，所述第一侧板、第三侧板相互平行，第二侧板、第四侧板相互平行，且第一侧板的长度大于第二侧板的长度；所述第一侧板外壁中心设有和所述第二侧板平行的第一夹持耳，第三侧板外壁中心设有和所述第二侧板平行的第二夹持耳；所述第一、第二夹持耳上均设有螺纹通孔。

如图4、图1所示，所述固定架包含固定块、第一固定臂和第二固定臂，其中，所述固定块固定在所述基座上；所述第一固定臂、第二固定臂平行设置在所述固定块上；所述第一固定臂上设有和所述第一夹持耳相配合的通孔，所述第一夹持耳和第一固定臂通过螺栓固连；所述第二固定臂上设有和所述第二夹持耳相配合的通孔，所述第二夹持耳和所述第二固定臂通过螺栓固连；所述容器的底板平行设置。

如图2所示，所述压电陶瓷模块包含第一压电元件组和第二压电元件组，其中，所述第二压电元件组包含顺序设置在所述底板的下端面上的第一至第四压电陶瓷片，所述第一至第四压电陶瓷片关于第一侧板上夹持耳所在平面对称；所述第一压电元件组包含第五至第六压电陶瓷片，第五压电陶瓷片位于第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片之间，第六压电陶瓷片位于第三压电陶瓷片、第四压电陶瓷片之间，且第五压电陶瓷片、第六压电陶瓷片关于第一侧板上夹持耳所在平面对称；所述第一至第六压电陶瓷片均沿厚度方向极化，第二压电元件组中相邻压电陶瓷片的极化方向相反，第五压电陶瓷片、第六压电陶瓷片的极化方向相反。

所述容器用于盛放液体承载介质以及液体承载介质中两种不同直径的待分离的目标物。

如图6所示，所述第二压电元件组被施加简谐电压信号后会激励出容器的四阶面外弯曲振动，此时容器内成驻波声场P1，如图7所示；对第一压电元件组施加简谐电压信号后会激励出容器的二阶面外弯曲振动，如图8所示，此时容器内形成驻波声场P2，如图9所示。容器的两种弯振模态下第一、第二夹持耳都位于振动节点位置。

所述第一压电元件组、第二压电元件组相配合使得液体承载介质中不同直径的目标物分离。

所述底板下端面上还可以进一步设有六个和所述第一至第六压电陶瓷片一一对应的矩形凹槽，用于定位粘贴所述第一至第六压电陶瓷片，使得安装时精度更高。

本发明中待分离的目标物包括微颗粒、细胞及生物体等，其尺度在纳米到毫米之间；根据目标物的不同，容器中需加入不同的液体承载介质，如去离子水、无水乙醇、培养液、组织液等。

本发明还公开了一种该驻波切换型声流微操控筛选装置的控制方法，一个压电元件组施加电信号时，另一个压电元件组断电，通过对两个压电元件组轮流施加简谐电压信号实现对不同直径的目标物的分离筛选，具体操控过程如下：

步骤1），对第二压电元件组施加频率为预设的第一频率阈值f1的简谐电压信号，激励出容器的四阶面外弯振模态，如图6所示，此时容器内液体承载介质的内部形成具有五个声节线的驻波声场P1，该五个声节线均平行于第二侧板，令其沿第一侧板长度方向依次为P1-1声节线、P1-2声节线、P1-3声节线、P1-4声节线和P1-5声节线，如图7所示，将待分离的目标物置于P1-2、P1-4声节线周围，在声辐射力/ Stokes拖曳力的作用下目标物会向P1-2、P1-4声节线（B-B）上移动，如图10所示；

步骤2），经过预设的第一时间阈值Δt1秒后，目标物聚集在P1-2、P1-4声节线上时，断开施加给第二压电元件组的电信号的同时对第一压电元件组施加频率为预设的第二频率阈值f2的简谐电压信号，激励出容器的二阶面外弯振模态，如图8所示，此时容器内液体承载介质的内部形成具有三个声节线的驻波声场P2，该三个声节线均平行于第二侧板，令其沿第一侧板长度方向依次为P2-1声节线、P2-2声节线和P2-3声节线，P2-2声节线和P1-3声节线重合，如图9所示，此时在目标物在新的声辐射力/Stokes拖曳力的驱动下会向P2-2声节线（A-A）移动，此时由于目标物的直径不同其运动速度也不相同，其中较大直径的目标物具有更快的运动速度，如图10所示；

步骤3），经过预设的第二时间阈值Δt2秒后，部分较大直径的目标物运动位置接近P2-2声节线（A-A）时，断开施加给第一压电元件组的电信号的同时对第二压电元件组施加频率为f1的简谐电压信号，此时较大直径的目标物中靠近P1-3声节线的目标物会向P1-3声节线（A-A）移动，其余目标物则向P1-2、P1-4声节线（B-B）移动，如图10所示；

步骤4），重复执行步骤2）至步骤3），直至较大直径的目标物聚集在P1-3声节线，较小直径的目标物聚集在P1-2、P1-4声节线上，实现不同直径的目标物分离。

需要注意的是，本发明所提出的驻波切换型声流微操控筛选装置中，参与操控目标物的力包含声辐射力和声流中的Stokes拖曳力，根据目标物的直径不同，操控的主要驱动力不同，对于直径小于2微米的目标物主要是Stokes拖曳力驱动，直径大于2微米的目标物主要是声辐射力驱动。

本文提出了一种驻波切换型声流微操控筛选装置，开口式的容器设计提高了研究人员与目标物的交互，且厘米级的尺寸可以实现大批量目标物的筛选操控，保证精度的同时具有不错的效率。结构简单，同时使用的是市面常见的压电陶瓷片，成本低廉。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种驻波切换型声流微操控筛选装置，其特征在于，包括微操控装置、固定架和基座；

所述微操控装置包括容器和压电陶瓷模块；

所述容器为上端开口的空心长方体，包括第一至第四侧板以及底板，其中，所述第一侧板、第三侧板相互平行，第二侧板、第四侧板相互平行，且第一侧板的长度大于第二侧板的长度；

所述第一侧板外壁中心设有和所述第二侧板平行的第一夹持耳，第三侧板外壁中心设有和所述第二侧板平行的第二夹持耳；所述第一、第二夹持耳上均设有螺纹通孔；

所述压电陶瓷模块包含第一压电元件组和第二压电元件组，其中，所述第二压电元件组包含顺序设置在所述底板的下端面上的第一至第四压电陶瓷片，所述第一至第四压电陶瓷片关于第一侧板上夹持耳所在平面对称；所述第一压电元件组包含第五至第六压电陶瓷片，第五压电陶瓷片位于第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片之间，第六压电陶瓷片位于第三压电陶瓷片、第四压电陶瓷片之间，且第五压电陶瓷片、第六压电陶瓷片关于第一侧板上夹持耳所在平面对称；所述第一至第六压电陶瓷片均沿厚度方向极化，第二压电元件组中相邻压电陶瓷片的极化方向相反，第五压电陶瓷片、第六压电陶瓷片的极化方向相反；

所述固定架包含固定块、第一固定臂和第二固定臂，其中，所述固定块固定在所述基座上；所述第一固定臂、第二固定臂平行设置在所述固定块上；所述第一固定臂上设有和所述第一夹持耳相配合的通孔，所述第一夹持耳和第一固定臂通过螺栓固连；所述第二固定臂上设有和所述第二夹持耳相配合的通孔，所述第二夹持耳和所述第二固定臂通过螺栓固连；所述容器的底板平行设置；

所述容器用于盛放液体承载介质以及液体承载介质中两种不同直径的待分离的目标物；

所述第一压电元件组用于激励出容器的二阶面外弯曲振动，振动时第一、第二夹持耳位于振动节点位置；所述第二压电元件组用于激励出容器的四阶面外弯曲振动，振动时第一、第二夹持耳位于振动节点位置；所述第一压电元件组、第二压电元件组相配合使得液体承载介质中不同直径的目标物分离。

2.根据权利要求1所述的驻波切换型声流微操控筛选装置，其特征在于，所述底板下端面上设有六个和所述第一至第六压电陶瓷片一一对应的矩形凹槽，用于定位粘贴所述第一至第六压电陶瓷片。

3.基于权利要求1所述的驻波切换型声流微操控筛选装置的控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1），对第二压电元件组施加频率为预设的第一频率阈值f1的简谐电压信号，激励出容器的四阶面外弯振模态，此时容器内液体承载介质的内部形成具有五个声节线的驻波声场P1，该五个声节线均平行于第二侧板，令其沿第一侧板长度方向依次为P1-1声节线、P1-2声节线、P1-3声节线、P1-4声节线和P1-5声节线，将待分离的目标物置于P1-2、P1-4声节线周围，在声辐射力/ Stokes拖曳力的作用下目标物会向P1-2、P1-4声节线上移动；

步骤2），经过预设的第一时间阈值Δt1秒后，目标物聚集在P1-2、P1-4声节线上时，断开施加给第二压电元件组的电信号的同时对第一压电元件组施加频率为预设的第二频率阈值f2的简谐电压信号，激励出容器的二阶面外弯振模态，此时容器内液体承载介质的内部形成具有三个声节线的驻波声场P2，该三个声节线均平行于第二侧板，令其沿第一侧板长度方向依次为P2-1声节线、P2-2声节线和P2-3声节线，P2-2声节线和P1-3声节线重合，此时在目标物在新的声辐射力/Stokes拖曳力的驱动下会向P2-2声节线移动，此时由于目标物的直径不同其运动速度也不相同，其中较大直径的目标物具有更快的运动速度；

步骤3），经过预设的第二时间阈值Δt2秒后，部分较大直径的目标物运动位置接近P2-2声节线时，断开施加给第一压电元件组的电信号的同时对第二压电元件组施加频率为f1的简谐电压信号，此时较大直径的目标物中靠近P1-3声节线的目标物会向P1-3声节线移动，其余目标物则向P1-2、P1-4声节线移动；

步骤4），重复执行步骤2）至步骤3），直至较大直径的目标物聚集在P1-3声节线，较小直径的目标物聚集在P1-2、P1-4声节线上，实现不同直径的目标物分离。

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