CN112986108A - 一种基于声表面波用于纳米颗粒聚焦的流通池 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于声表面波用于纳米颗粒聚焦的流通池。该技术方案将声表面波技术与流体动力学聚焦相结合，使样品流得到二次聚焦，降低了样品流通过激光时所导致的光路差异，实现了高精度、低变异系数(CV)的检测；而且鞘液对样品流的包裹可避免样品在通道内残留，并防止通道因受声表面波作用而升温，从而确保了流体的稳定性。在流通池的结构上，采用PDMS薄层结合石英片的设计，其中PDMS薄层包含流体通道和两个空腔，空腔使声表面波更高效的耦合到流体通道内，减小了声能损失，增加了纳米颗粒的聚焦效果；石英片较PDMS材料具有更高的光透性，可提升仪器整体的光学检测灵敏度，有利于对纳米颗粒进行多参数表征。

Description

一种基于声表面波用于纳米颗粒聚焦的流通池

技术领域

本发明涉及流式细胞仪和声表面波技术领域，具体涉及一种基于声表面波用于纳米颗粒聚焦的流通池。

背景技术

流式细胞术(Flow Cytometry，FCM)是一种对悬液中的细胞或颗粒进行快速定量分析的先进技术。其整个过程充分结合流体动力学聚焦、光学、激光诱导荧光、光电检测、及计算机技术等的优势，实现了对细胞的物理、化学及生物性质的多参数同时测定。其工作原理如图1所示，悬液中的细胞或颗粒经过流体动力学聚焦后逐一通过激光探测区，产生的前向角、侧向角散射及多色荧光信号经收集后分光至对应通道的检测器中，检测速率高达每秒数万个细胞，流式细胞术不仅在细胞生物学、化学生物学、分子遗传学、微生物学、免疫学、分子生物学等诸多基础研究领域得到重要应用，而且广泛应用于临床医学研究及疾病的诊断和治疗监测。

在流式细胞仪中，样品中的细胞或颗粒需要保持紧密排列，沿相同路径穿过激光，从而更真实的揭示样品自身的差异并提高了数据的质量，实现了高精度、低变异系数(CV)的检测。

当前，声表面波技术(surface acoustic wave，SAW)因其具有良好的生物相容性、免标记、免接触、无损害等优点而得到广泛的应用。利用声波可以聚焦不同大小的颗粒(小至纳米颗粒，大至几百微米颗粒)，而不用考虑颗粒的磁性，带电极化等物理和机械特性。

SAW是通过一对沉积在压电材料上的IDT激发产生声能，并沿着压电材料表面传播至安放在两个IDT正中间的流体通道内。其中，流体通道的材质通常为PDMS，压电基的材质选择铌酸锂，IDT的激发源为射频信号发生器及其功率放大器。当声波接触到流体时出现泄露，并在流体通道内形成压力差。在通道中心的压力节点处，两个声波形成声表面驻波SSAW(standing surface acoustic wave)，颗粒将被聚焦于此。SSAW应用于荧光标准球的聚焦效果如图2所示。

在声表面波技术中，IDT电极的周期决定了其共振频率，比如当周期为100μm时，共振波长就为100μm，也就得到相应的共振频率。并且利用声表面波作用不同大小的颗粒时，颗粒所受声辐射力由颗粒粒径、流速、射频信号频率等多方面影响，其中声辐射力与颗粒半径的三次方成正比，这意味着作用于粒径越小的颗粒难度越大。

在目前的流式细胞仪中，样品尽管被流体动力学聚焦后穿过激光，但是因为样品流存在一定的宽度并且激光光强分布不均一，而每个颗粒在样品流中的分布是随机的，这将导致每个颗粒所受到的激光照射强度不均一，无法更真实的揭示每个颗粒自身的差异。并且，使用声表面波作用于纳米颗粒时，时常因为颗粒粒径小而效果不佳，虽然可以通过提高声表面波频率或功率来提升作用效果，但是面临着工艺难度更高、重复性和稳定性差等问题。使用声表面波技术应用于纳米颗粒聚焦的最终目的是纳米颗粒的表征，当前也面临着表征灵敏度、表征通量不足等问题。

发明内容

本发明旨在针对现有技术的技术缺陷，提供一种基于声表面波用于纳米颗粒聚焦的流通池，以解决纳米颗粒聚焦效果以及后续表征有待改善的技术问题。

为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于声表面波用于纳米颗粒聚焦的流通池，包括声表面波器件，PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)薄层，石英片；其中，声表面波器件包括基底和位于基底上的两组IDT(interdigitated transducers，叉指换能器)，PDMS薄层包括流体通道和位于流体通道两侧的空腔，石英片与PDMS薄层键合成为整体，所述整体与声表面波器件键合，所述整体位于两组IDT之间。

本发明核心上包括IDT叉指电极和PDMS薄层的设计；为保障流通池的气密性和流通性良好，PDMS薄层和石英片以及声表面波器件三者保持长度一致并键合和封装；声表面波技术作用于纳米颗粒并实现二次聚焦；通过引入石英片，提升流通池透光性，有利于后续纳米颗粒的表征。

具体来看，本发明在聚焦的方式上采用将声表面波技术与流体动力学聚焦相结合的方法。在流通池内样品流首先被鞘液流体动力学聚焦为宽度大约4μm的细流，在此基础上，样品流再通过声表面波进行二次聚焦。这种方法既保留了流体动力学聚焦的优势，又可通过声表面波技术使得样品流内的颗粒更集中于中心，降低了样品流通过激光时所导致的光路差异，以实现高精度、低变异系数(CV)的检测；并且相较于只采用声表面波的无鞘液聚焦的方式，鞘液对样品流的包裹可以防止样品在通道内的残留，以及通道免受声表面波作用而温度升高，进而影响流体的稳定性等问题。在流通池的结构上，采用PDMS薄层结合石英片的设计，其中PDMS薄层包含流体通道和两个空腔，空腔可以使得声表面波更高效的耦合到流体通道内，减小了声能的损失，增加纳米颗粒的聚焦效果；石英片相比于PDMS材料，具有更高的光透性，在厚度上更多的采用石英材料，提升流通池装在流式细胞仪后，仪器整体的光学检测灵敏度，有利于对纳米颗粒进行多参数表征。在进样通量和检测速率上，该发明能充分利用流式细胞仪高通量的检测优势，检测速率可高达每秒数千个纳米颗粒。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是流式细胞仪工作原理示意图；

图2是SSAW应用于荧光标准球的聚焦效果图；

图3是本发明流通池整体的结构示意图；

图4是图3中虚线框处的局部放大图；

图5是PDMS薄层的结构示意图；

图6是本发明流通池制备过程的示意图；

图7是本发明流通池的实物图；

图8是图7中虚线框处的局部放大图；

图9是纳米颗粒聚焦原理示意图；

图10是测试仪器示意图；

图11是当本发明流通池安装于仪器上时的实物图；

图12是声表面波对于500nm聚苯乙烯标准荧光球的散射信号影响结果图；

图13是声表面波对于500nm聚苯乙烯标准荧光球的荧光信号影响结果图；

图14是500nm聚苯乙烯标准荧光球的聚焦效果测试结果图。

具体实施方式

以下将对本发明的具体实施方式进行详细描述。为了避免过多不必要的细节，在以下实施例中对属于公知的结构或功能将不进行详细描述。以下实施例中所使用的近似性语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。除有定义外，以下实施例中所用的技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。

1、流通池的设计

流通池包含声表面波器件、PDMS薄层、石英片三个部分。通过Solidworks软件设计声表面波器件和PDMS薄层，其中整体效果如图3、图4所示，PDMS薄层如图5所示。

其中，声表面波器件具体参数如下：

(1)基底的长度为10-50mm，优选为15-40mm，更优选为20-30mm；宽度为5-20mm，优选为5-15mm，更优选为5-10mm；厚度为0.5-5mm，优选为1-5mm，更优选为1-2mm。

(2)电极的长度为7-10mm，优选为7-9mm，更优选为7-8mm；宽度为25-200μm，优选为25-100μm，更优选为25-50μm；厚度为70-500nm，优选为70-200nm，更优选为80-100nm。

(3)电极周期为100-800μm，优选为100-400μm，更优选为100-200μm。

(4)叉指孔径为0.1-7mm，优选为1-7mm，更优选为5-7mm。

(5)两侧电极距离为2-5mm，优选为3-5mm，更优选为4-5mm。

(6)单侧电极对数为1-20对，优选为5-20对，更优选为10-20对。

PDMS薄层具体参数如下：

(1)整体的长度为10-50mm，优选为15-40mm，更优选为20-30mm，并且与声表面波器件中的基底长度保持一致；宽度为2-5mm，优选为3-5mm，更优选为4-5mm，并且小于声表面波器件中的两侧电极距离；厚度为0.2-2mm，优选为0.5-2mm，更优选为0.5-1mm。

(2)内径通道的长度为10-50mm，优选为15-40mm，更优选为20-30mm，并且与声表面波器件中的基底长度保持一致；宽度为0.2-0.5mm，优选为0.3-0.5mm，更优选为0.3-0.4mm；厚度为0.2-0.5mm，优选为0.3-0.5mm，更优选为0.3-0.4mm。

(3)空腔的长度为0.1-10mm，优选为1-10mm，更优选为8-10mm；宽度为0.1-1mm，优选为0.5-1mm，更优选为0.8-1mm；厚度为0.2-0.5mm，优选为0.3-0.5mm，更优选为0.3-0.4mm。

石英片具体参数如下：

(1)整体的长度为10-50mm，优选为15-40mm，更优选为20-30mm，并且与声表面波器件中的基底长度保持一致；宽度为2-5mm，优选为3-5mm，更优选为4-5mm，并且与PDMS薄层的宽度保持一致；厚度为1-5mm，优选为1-2mm，更优选为1.5-2mm。

2、流通池的制备

IDT制备：2mm厚的铌酸锂作为压电基底，通过光刻法在基底上图案化两组IDT，具体步骤为：首先将Ti/Au金属层通过e-beam电子束蒸发的方法沉积在压电基底上，并将光刻胶旋涂在金属层上；然后将设计好的掩模版通过光刻法在光刻胶上形成图案化，并通过刻蚀将未被光刻胶保护的金属层腐蚀；最后剥离多余的光刻胶，就形成所需的IDT。两组IDT各有20对叉指电极，并且电极宽度和间距均为25μm，其对应的声表面波波长为100μm。

PDMS薄层制备：通过标准软光刻法制备PDMS通道，具体步骤：通过将设计好的掩模版通过光刻法在硅基上形成图案化，成为光刻胶的模具图案；然后把配好的PDMS(A组分∶B组分＝1∶10)覆盖到该模板上；最后完全固化后将PDMS从模板上剥离。

键合与封装：通过氧等离子体将石英片与PDMS薄层键合，再将上述整体放置在两组IDT之间并同样通过氧等离子体键合，最终形成完整的流通池。

制备流程如图6所示，所制备的实物成品如图7、图8所示。

以下通过实验手段考察该流通池的性能：

将流通池装到纳米流式检测装置(nano-flow cytometer，nFCM)上，纳米颗粒被聚焦的原理示意图，如图9所示：颗粒首先从内径为40μm的毛细管流出，在流通池内被鞘液流体动力学聚焦后，再受到IDT产生的声表面波作用，被声辐射力移动至两个IDT所产生的压力节点处，实现二次聚焦。

使用导电银胶将导线固定在声表面波器件上，并放置80度干燥箱固化2小时后便可将导线连接至射频信号发生器和功率放大器。最终仪器示意图如图10所示，流通池在仪器上的实物图如图11所示。

在仪器中，激光使用488nm，激光功率为20mW；二向色分光镜为Dic-FF-495；散射检测通道滤光片为带通BP488-6；荧光检测通道滤光片为带通BP520-35；射频信号发生器型号为DSG-815(RIGOL)；功率放大器型号为ZHL-1-2W(Mini-Circuits)。

选择500nm的聚苯乙烯标准荧光球测试纳米颗粒的聚焦效果。射频信号调节为39MHz，经过功率放大器放大后的射频信号功率为450mW。可以从图12中看出，在声场关闭时，样品经过流体动力学聚焦后，所测得散射信号高度有一些差异，信号峰面积的直方图分布存在一定的展宽；在声场开启时，样品不仅经过流体动力学聚焦，还经过声表面波进行二次聚焦，所测得散射信号高度十分一致，信号峰面积的直方图分布也十分均一。从图13中也可以看出，荧光信号也是如此。将声场关闭和声场开启轮流交替各采集3次数据进行统计，如图14所示，散射信号的CV平均值由20.2％降至10.1％，荧光信号的CV平均值由19.4％降至12.8％。

本专利中流通池采用PDMS薄层和石英片的结合，以及纳米颗粒通过流体动力学和声表面波的两次聚焦后，可以增加纳米颗粒的聚焦效果，实现高精度、低变异系数(CV)、高灵敏度、高通量的检测。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明。凡在本发明的申请范围内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于声表面波用于纳米颗粒聚焦的流通池，其特征在于包括声表面波器件，PDMS薄层，石英片；其中，声表面波器件包括基底和位于基底上的两组IDT，PDMS薄层包括流体通道和位于流体通道两侧的空腔，石英片与PDMS薄层键合成为整体，所述整体与声表面波器件键合，所述整体位于两组IDT之间。

2.根据权利要求1所述的一种基于声表面波用于纳米颗粒聚焦的流通池，其特征在于，声表面波器件的规格如下：

基底的长度、宽度、厚度：10-50mm×5-20mm×0.5-5mm；

电极的长度、宽度、厚度：7-10mm×25-200μm×70-500nm；

电极周期：100-800μm；

叉指孔径：0.1-7mm；

两侧电极距离：2-5mm；

单侧电极对数：1-20对。

3.根据权利要求1所述的一种基于声表面波用于纳米颗粒聚焦的流通池，其特征在于，PDMS薄层的规格如下：

整体的长度、宽度、厚度：10-50mm×2-5mm×0.2-2mm；

流体通道的长度、宽度、厚度：10-50mm×0.2-0.5mm××0.2-0.5mm；

空腔的长度、宽度、厚度：0.1-10mm×0.1-1mm×0.2-0.5mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于声表面波用于纳米颗粒聚焦的流通池，其特征在于，石英片的长度、宽度、厚度为：10-50mm×2-5mm×1-5mm。

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