CN113976196A - 一种基于微流控的粒子分离装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于微流控的粒子分离装置，基于体声波和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料的倾斜角声流的微流控，通过锆钛酸铅(PZT)换能器在PMMA材料中激发体声波，形成驻波；通过微流体通道中与PZT换能器具有一定倾斜角度的中间倾斜区通道，流经该倾斜区内的粒子在该声场和阻力的作用下，按尺寸进行分离。本发明的倾斜角度通道的设计允许更高的吞吐量，更容易大规模制造，比基于表面驻声波倾斜角颗粒分离装置更坚固耐用。
Description
技术领域
本发明属于粒子分离技术领域，尤其涉及一种基于微流控的粒子分离装置。
背景技术
复杂流体模块中包含微粒、细胞、液滴和其他污染颗粒，如何将粒子分离已成为许多应用领域的关键问题，诸如工业应用、环境评价、生化分析和临床诊断等领域。驻表面声波的分离方法在现有技术中进行研究，其局限性之一是驻表面声波需要应用聚二甲硅氧烷(PDMS)材料的通道，具有高衰减的缺点,且在大型应用上存在制造困难的问题。此外,驻表面声波需要应用的PDMS材料的通道具有严格的通道高度限制，导致了低吞吐量和粒子的大小范围很窄等缺点。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于微流控的粒子分离装置，包括：底座和盖板，在所述底座上形成有微流体通道，所述微流体通道依次包括前端部分、中间倾斜区和后端部分，所述前端部分包括中心流区和外部鞘流区，所述中心流区用于注入待分离粒子溶液，所述外部鞘流区用于注入鞘流；所述后端部分包括多个粒子分离区；其特征在于：所述底座和盖板的材料为聚甲基丙烯酸甲酯，所述微流体通道通过CNC工艺形成，所述中间倾斜区两侧设置有锆钛酸铅换能器，用于在聚甲基丙烯酸甲酯激发体声波形成驻波，并在所述微流体通道内形成声学节点线；所述待分离粒子溶液和所述鞘流在经过所述中间倾斜区时在所述锆钛酸铅换能器的激发的体声波的作用下，由于不同大小的粒子所受的声波和阻力存在差异而按照粒子大小进行分离，并经过所述多个粒子分离区流出。
优选地，微流体通道的后端部分包括直线区和粒子分离区，所述直线区位于所述中间倾斜区与所述粒子分离区之间，并联通。
优选地，所述中心流区为直线区域，其与所述中间倾斜区联通，所述外部鞘流区包括直线部分和两侧的折线部分，所述两侧的折线部分汇合于所述中心流区的同一处。
优选地，在所述底座的微流体通道的中间倾斜区的两侧形成有凹槽，所述锆钛酸铅换能器置于该凹槽中。
优选地，所述中间倾斜区相对于锆钛酸铅换能器的倾斜角度在30度以内。
优选地，锆钛酸铅换能器设置在所述盖板上，当所述底座与所述盖板结合时，所述锆钛酸铅换能器置于所述凹槽中。
优选地，所述底座的四周形成有销孔，所述盖板四周形成有与所述底座上的销孔相一一对应的销孔，在将所述底座与所述盖板结合时，用销钉通过销孔进行铆接。
优选地，对所述底座与所述盖板铆接前，先对所述底座与盖板的四周进行粘接。
更优选地，所述粘结方式为通过透明双面胶键合。
优选地，所述锆钛酸铅换能器背面有钨填充聚合物，在所述底座与盖板结合时，一并置于所述底座的凹槽中。
优选地，所述微流体通道的外部鞘流区有鞘液入口，中心流区有粒子溶液入口，所述盖板上形成有与所述底座上的外部鞘液入口对应鞘液入口孔，所述外部鞘液从所述鞘液入口孔进入经所述外部鞘液入口流入所述微流体通道的中间倾斜区；所述盖板上形成与所述底座上的粒子溶液入口对应有粒子溶液入口孔，所述待分离粒子溶液从所述粒子溶液入口孔进入经所述粒子溶液入口流入微流体通道的中间倾斜区；所述盖板上形成有与底座上的粒子出口一一对应的粒子出口孔，经所述中间倾斜区分离后的不同粒径的粒子分别从所述粒子出口孔流出。
附图说明
图1(a)和1(b)是本发明的粒子分离装置的结构示意图，其中图1(a)为装置的底座的结构，图1(b)为装置的盖板的结构；
图2是本发明装置的流体通道中倾斜区域的粒子分离示意图；
图3是本发明的模拟实验中不同粒径的颗粒随通道倾角的变化而发生偏转的曲线图；
图4是本发明的模拟实验中不同粒径的颗粒随声压的变化而发生偏转的曲线图；
图5是本发明的模拟实验中不同粒径的粒子在声道中随声波波长的变化而发生偏转的曲线图；
图6是本发明的模拟实验中不同粒径的颗粒在通道中随流速的变化发生偏的曲线图；
图7是本发明的模拟实验中不同粒径的颗粒在通道中随缓冲溶液粘度的变化发生偏转的曲线图；
图8是本发明的一个实施例中，待测颗粒在没有流动的情况下，15μm粒子在规则的节点线上聚集的示图；
图9是本发明的一个实施例中，2μm和15μm粒子的流动路径示图；
图10(a)-(d)分别是本发明的一个实施例中，在电压激励幅值为0、6.65V、9V和11.7V情况下，在流道中2μm颗粒的粒子流的分离示图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明的内容作详细说明。
针对基于表面驻声波倾斜角颗粒分离装置的局限性，本发明提出了一种基于微流控的粒子分离装置，本发明的装置是基于体声波和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料的倾斜角声流的微流控，通过锆钛酸铅(PZT)换能器激发体声波，通过微流道进入一个倾斜的角度通道，在该声场中微流场中的颗粒按尺寸进行分离。
图1是本发明装置的结构示意图图。该装置包括底座1和盖板2两部分，底座1和盖板2的材料为PMMA，分别如图1(a)和1(b)所示。在底座1上，通过CNC工艺形成微流体通道3。微流体通道3包括前端部分、中间倾斜区域8和后端部分。前端部分包括中心流区和外部鞘流区。中心流区为直线区域，其与倾斜部分联通，外部鞘流区包括有鞘流入口直线部分和折线部分，折线部分汇合于中心流区的同一处。中心流区被注入待分离的粒子溶液，外部鞘流一般为水。微流体通道3的外部鞘流区有鞘液入口5-1，中心流区有粒子溶液入口6-1。微流体通道3的后端部分包括直线区和粒子分离区，直线区与中间倾斜区联通，粒子分离区为多个，其根据要分离出的粒子粒径而确定，本发明的附图1示出的实施例中在端部设置有三个粒子出口7-1，也即可以分离出三个尺寸范围的颗粒。在中间倾斜区8的两侧形成有凹槽4-1，用于容纳PZT换能器4-2(如图1(b)示出的)及其背面的钨填充聚合物，钨填充聚合物用于将PZT与凹槽内壁紧贴。中间倾斜区域8相对于PZT(锆钛酸铅)换能器具有一倾斜角度，该倾斜角度一般在45度以内，优选在30度以内，如图2所示。底座1的四周形成有四个销孔9-1。
盖板2四周形成有销孔9-2，其与底座1上的四个销孔9-1相对应，在将底座与盖板结合时，先对底座与盖板的四周进行粘接，如通过透明双面胶键合，然后用销钉通过销孔进行铆接。
盖板2上形成有鞘液入口孔5-2，与底座1上的鞘液入口5-1对应，鞘液从5-2进入经5-1流入微流体通道的中间倾斜区8；同样，盖板2上还形成有粒子溶液入口孔6-2，与底座1上的粒子溶液入口6-1对应，粒子溶液(待分离的粒子溶液)从6-2进入经6-1流入微流体通道的中间倾斜区8。盖板2上形成有与底座上的粒子出口7-1对应的粒子出口孔7-2，粒子进入微流体通道后并经中间倾斜区8分离后，不同粒径的粒子分别从粒子出口孔流出。粒子出口孔的多少与底座1上的粒子出口对应。
盖板2上形成有PZT换能器4-2及其背面的钨填充聚合物，其与底座1上的槽4-1对应，当底座1和盖板2铆接时，两者进行结合。此时，微流体通道3侧面即耦合了PZT换能器4。在工作时，PZT换能器4通过材料PMMA传递声波，形成驻波，并在微流体流道中形成声学节点线。由于不同大小的颗粒所受的声波和阻力存在差异，所以粒子在经过流道的中间倾斜区域8后被按颗粒的大小分离开来，如图2所示。
经过倾斜区域8，粒子排序的状况如图2所示。粒子受到来自移动流体的阻力和来自声波驻波的声学力的影响，声波往往将粒子引导到节点线(或波腹线，取决于声学对比度系数)。粒子越大，声压力越大。因此，大粒子更有可能向节点线移动，从而与小粒子分离。优选的是，鞘液和中心流的流速比为8:1。PZT换能器的频率越大，节点数量越多，节点间距离越短。
针对本发明装置的设计，使用matlab进行粒子轨迹的模拟。在倾斜角度的微流体声环境中，粒子既受到声场的作用力，也受到流体阻力的作用。在声力单独作用下，粒子向节点线运动，提供了系统中节点线位置的可视追踪。在单独的阻力(流场)作用下，颗粒沿着水流的流线运动。单独声场和单独流场两种构型都不能单独诱导粒子分离。在矩形截面上采用泊肃叶流动近似计算速度流廓线。
其中，h、w、l分别为通道的高度、宽度和长度。△p为跨越通道长度的压力梯度，μ为缓冲溶液的粘度。
在驻波场中，粒子对声场节点或反节点的力取决于粒子材料相对于介质的声对比度。声阻抗因子如式(2)所示，
其中，ρp和ρf是粒子和流体的密度。βp和βf分别表示粒子和流体的可压缩性。当声阻抗系数为正值时，粒子将向节点移动。声场中作用在粒子上的力是，
式中，p0为压力幅值，r为粒子半径，λ为声波长，x为粒子位置。此外，在微流体通道中，流动是层流。在微流体通道中，悬浮在水中的粒子将以近似水的速度沿通道移动。水流的阻力为，
Fv＝-6πηrv
式中，η为水的粘度，v为粒子与水的相对速度。结合式(2)和式(3)，用基本声场和流场描述粒子。在x方向上给定的力，
y方向的力，
为了简化方程，将轴进行旋转，其中x轴平行于声节点线，y轴垂直于x轴，得到：
式中，ρp和ρf分别为粒子和流体的密度。C是声速在物质中的速度，βp和βf是粒子和流体的压缩性。θ为装置的倾斜角，vw为水的流速。由式(7)可知，阻力方程为：
声场中的受力是，
如果Fya＞＞Fyd，声场施加的力支配粒子运动，粒子按照声学节点，因此，
如果声压
粒子按照节点线运动；
如果声压
颗粒跟随流线。
所以需要对声压在同一数量级，粒子跟随波动路径进行运动。
由以上模拟可以得出粒子位移
在具体的实验模拟中，聚苯乙烯球被用作颗粒。在y方向宽1.5mm、z方向深500μm，在有声场倾斜区域x方向长度为6mm的流道尺寸下，对不同倾斜角度下平均流量为2mm/s、声压速率为0.2MPa的微流体通道进行了模拟。粒子的半径从1μm到10μm不等。两个PZT换能器均在5MHz(厚度模共振的三次谐波)驱动，导致水中节点间距约为130mm。鞘液的流体速度在0.25-2.5mm/s范围内。
受激励的换能器通过PMMA传播体声波，在通道中形成驻波和声学节点线。根据气流中的声压和阻力来分离不同粒径的颗粒。如图3所示，不同粒径的颗粒偏转随通道倾角的变化而变化，大粒径在适当范围内的较大倾角中，横向位移更大。
声压对粒子偏转的影响。在倾角为30°时，颗粒的挠度随声压变化的结果如图4所示，当施加的声压越大，颗粒的挠度越大，颗粒越大，对声压的反应越强烈。
声波长是设计中的关键参数之一。粒子的偏转与应用的声波波长也被模拟，如图5所示。波长越小，声频越高，产生的节点线越多，粒子的偏转也越大。随着节点线的减少，粒子有足够的时间在节点线之间移动，粒子的运动将会更加平滑。
流速在分离过程中也起着重要的作用。随着流速的增加，颗粒的偏转减小，如图6所示。为了实现高通量的颗粒分离，需要较高的流速。然而，在特定的应用中，它必须在吞吐量和要分离的颗粒尺寸之间进行平衡。例如在分离目标尺寸不同的粒子时，流速越大，小粒子的横向位移越小，考虑到具体应用，在分离小粒子的应用中减小流速会产生更积极地分离效果。
对鞘液粘度的影响也进行了模拟，随着鞘液粘度的增加，颗粒的挠度变大，如图7所示。在某些应用中，在相同尺寸的微流体通道下，通过调节鞘液粘度也可以分离出大小相近的颗粒。
从上面的理论分析和模拟结果可以看出，在适当的范围内(0-30°)增加倾斜角度和声压，颗粒会进一步偏转。同时，采用较低的声波波长和流速也会使粒子产生较大的偏转。需要注意的是，增加鞘液的粘度有助于在微小的差异处分离颗粒。
通过实验也可对本发明进行验证。通过观察粒子在零流状态下的行为来证明倾斜压力节点和倾斜波腹的存在。在这些条件下，15μm的粒子迅速收敛为间距约为130μm的平行线，见图8。
实际颗粒大小的分离如图9所示，显示了2μm和15μm粒子的路径。可以清楚地看到15μm粒子进入节点线并沿该节点线偏转。2μm粒子偏转弱，不沿节点线运动。
图10显示了不同振幅下的2μm粒子流。很明显，随着振幅的增加，粒子向通道的一侧倾斜。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (11)
1.一种基于微流控的粒子分离装置，包括：底座和盖板，在所述底座上形成有微流体通道，所述微流体通道依次包括前端部分、中间倾斜区和后端部分，所述前端部分包括中心流区和外部鞘流区，所述中心流区用于注入待分离粒子溶液，所述外部鞘流区用于注入鞘流；所述后端部分包括多个粒子分离区；其特征在于：所述底座和盖板的材料为聚甲基丙烯酸甲酯，所述微流体通道通过CNC工艺形成，所述中间倾斜区两侧设置有锆钛酸铅换能器，用于在聚甲基丙烯酸甲酯激发体声波形成驻波，并在所述微流体通道内形成声学节点线；所述待分离粒子溶液和所述鞘流在经过所述中间倾斜区时在所述锆钛酸铅换能器的激发的体声波的作用下，由于不同大小的粒子所受的声波和阻力存在差异而按照粒子大小进行分离，并经过所述多个粒子分离区流出。
2.根据权利要求1所述的一种基于微流控的粒子分离装置，其特征在于：所述微流体通道的后端部分包括直线区和粒子分离区，所述直线区位于所述中间倾斜区与所述粒子分离区之间，并联通。
3.根据权利要求1所述的一种基于微流控的粒子分离装置，其特征在于：所述中心流区为直线区域，其与所述中间倾斜区联通，所述外部鞘流区包括直线部分和两侧的折线部分，所述两侧的折线部分汇合于所述中心流区的同一处。
4.根据权利要求1所述的一种基于微流控的粒子分离装置，其特征在于：在所述底座的微流体通道的中间倾斜区的两侧形成有凹槽，所述锆钛酸铅换能器置于该凹槽中。
5.根据权利要求1所述的一种基于微流控的粒子分离装置，其特征在于：所述中间倾斜区相对于锆钛酸铅换能器的倾斜角度在30度以内。
6.根据权利要求1或3所述的一种基于微流控的粒子分离装置，其特征在于：所述锆钛酸铅换能器设置在所述盖板上，当所述底座与所述盖板结合时，所述锆钛酸铅换能器置于所述凹槽中。
7.根据权利要求1所述的一种基于微流控的粒子分离装置，其特征在于：所述底座的四周形成有销孔，所述盖板四周形成有与所述底座上的销孔相一一对应的销孔，在将所述底座与所述盖板结合时，用销钉通过销孔进行铆接。
8.根据权利要求6所述的一种基于微流控的粒子分离装置，其特征在于：对所述底座与所述盖板铆接前，先对所述底座与盖板的四周进行粘接。
9.根据权利要求7所述的一种基于微流控的粒子分离装置，其特征在于：所述粘结方式为通过透明双面胶键合。
10.根据权利要求5所述的一种基于微流控的粒子分离装置，其特征在于：所述锆钛酸铅换能器背面有钨填充聚合物，在所述底座与盖板结合时，一并置于所述底座的凹槽中。
11.根据权利要求1所述的一种基于微流控的粒子分离装置，其特征在于：所述微流体通道的外部鞘流区有鞘液入口，中心流区有粒子溶液入口，所述盖板上形成有与所述底座上的外部鞘液入口对应鞘液入口孔，所述外部鞘液从所述鞘液入口孔进入经所述外部鞘液入口流入所述微流体通道的中间倾斜区；所述盖板上形成与所述底座上的粒子溶液入口对应有粒子溶液入口孔，所述待分离粒子溶液从所述粒子溶液入口孔进入经所述粒子溶液入口流入微流体通道的中间倾斜区；所述盖板上形成有与底座上的粒子出口一一对应的粒子出口孔，经所述中间倾斜区分离后的不同粒径的粒子分别从所述粒子出口孔流出。
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