CN114100707B - 一种用于捕获微纳米粒子的装置 - Google Patents

Abstract

本申请属于生物与微机电领域，涉及该领域下的微流控技术。具体提供了一种用于捕获微纳米粒子的装置。该装置包括：微流道、微柱阵列、衬底和声激励源；所述微流道的一面设置有凹槽，所述凹槽内设置有所述微柱阵列；所述衬底的一面与所述凹槽的一面键合形成所述微流道、且所述微柱阵列与所述衬底的所述一面键合；所述声激励源所激发的声场范围覆盖所述微柱阵列。基于本申请提供的技术方案，可以利用较低频率的激励源来捕获微纳米级别的粒子。

Description

一种用于捕获微纳米粒子的装置

技术领域

本申请涉及生物与医学领域，特别是指一种用于捕获微纳米粒子的装置。

背景技术

微纳米粒子的捕捉和分离在临床诊断、生物医学研究、环境监测等领域都有着十分广阔的应用前景。

目前，对生物粒子的捕捉一般是基于物理场(磁场、电场、声场、光场等)来实现的。其中，基于声学微流控的捕捉技术(也可以称为声镊技术)由于其通量高、成本低、对样品损失小的优点，被众多学者推崇。该基于声学微流控的捕捉技术主要通过声场产生的声辐射力，以及声场在黏性流体中耗散产生的声流，来实现对粒子的捕捉。但是，这种技术的捕捉极限不足，仅能捕捉到微米级别的粒子。为了将捕捉极限降低至亚微米级别，目前主流的解决方案是利用高频声场(百MHz至GHz)产生的强声波辐射力来捕捉亚微米级别的粒子。但是，利用高频声场来捕捉亚微米级别的粒子时，高频声场耗散较快，无法实现大规模的捕捉，另外，这种情况下增加了器件的加工难度和成本，因此，极大的限制了声镊技术的应用和普及。

发明内容

鉴于现有技术的以上问题，本申请提供一种用于捕获微纳米粒子的装置，以实现利用较低频率的声激励源来捕获微纳米级别的粒子。

为达到上述目的，本申请第一方面提供一种用于捕获微纳米粒子的装置，包括：微流道、微柱阵列、衬底和声激励源；所述微流道的一面设置有凹槽，所述凹槽内设置有所述微柱阵列；所述衬底的一面与所述凹槽的一面键合形成所述微流道、且所述微柱阵列与所述衬底的所述一面键合；所述声激励源所激发的声场范围覆盖所述微柱阵列。

由上，通过在微流道的凹槽内部设置微柱阵列，可以使在较低频率的声激励源的驱动下，实现微纳米级别粒子的捕获，对声镊技术的发生做出了巨大的贡献。

作为第一方面一种可能的实现方式，所述微流道包括：进样口和出样口；所述进样口用于注入含有目标粒子的样品；所述出样口用于导出捕获结束后剩余的样品。

由上，通过微流道的进样口进样样品，通过微流道的出样口导出剩余样品，实现了在微流道内部的微柱阵列周围对目标粒子的捕获。

作为第一方面一种可能的实现方式，所述微柱阵列中微柱的高度与所述凹槽的槽深相同。

由上，通过设置与凹槽的槽深相同的微柱，可以尽可能多的捕获到样品中的目标粒子。

作为第一方面一种可能的实现方式，所述微柱阵列中微柱的直径根据目标粒子的尺寸设置；其中，所述微柱的直径小于固体介质声波的波长。

作为第一方面一种可能的实现方式，所述微柱阵列包括：第一微柱阵列和第二微柱阵列；所述第一微柱阵列用于捕获第一尺寸的目标粒子；所述第二微柱阵列用于捕获第二尺寸的目标粒子；其中，所述第一微柱阵列中微柱的直径与所述第二微柱阵列中微柱的直径不同。

由上，通过调节微柱阵列中微柱直径的大小，可以实现通过几何手段调整可捕获的目标粒子的大小，提高了本申请提供的用于捕获微纳米粒子的装置的灵活性。

作为第一方面一种可能的实现方式，所述声激励源设置于所述衬底的另一面。

由上，尽可能的使微柱阵列工作在声激励源所激发的声场范围内，可以提高声波的利用效率，增强捕获力。

作为第一方面一种可能的实现方式，所述声激励源的谐振频率为1kHz-20MHz。

由上，本方面提供的方案，使声激励源的谐振频率在1kHz-20MHz，就可以实现对目标粒子的捕获，与现有技术相比，大幅降低了所需的驱动频率。

作为第一方面一种可能的实现方式，所述声激励源为压电陶瓷换能器，用于驱动所述微柱阵列产生振动。

作为第一方面一种可能的实现方式，所述声激励源为叉指换能器，用于驱动所述微柱阵列产生振动。

作为第一方面一种可能的实现方式，所述叉指换能器的一侧设置有反射栅，所述反射栅的宽度与所述叉指换能器单个电极条的宽度相同，用于增强声波的方向性。

由上，通过设置反射栅，可以增加声波的方向性。

本申请的这些和其它方面在以下(多个)实施例的描述中会更加简明易懂。

附图说明

图1为本申请实施例提供的用于捕获微纳米粒子的装置的第一整体结构示意图；

图2为本申请实施例提供的用于捕获微纳米粒子的装置的侧视图；

图3为本申请实施例提供的用于捕获微纳米粒子的装置的捕获原理图；

图4为本申请实施例提供的目标粒子分离原理图；

图5为本申请实施例提供的用于捕获微纳米粒子的装置的第二整体结构示意图；

图6为本申请实施例提供的多级粒子分选的原理图；

图7为本申请实施例提供的声激励为叉指环能器时，声激励以及微柱阵列的俯视图；

图8为本申请实施例提供的在叉指换能器驱动下衬底中的位移场示意图。

附图标记说明：

微流道110、进样口111、出样口112、微柱阵列120、微柱121、指向微柱的声辐射力122、声流123、衬底130、声激励源140、2μm的PS粒子510、200nm的PS粒子520、5μm的微柱610、10μm的微柱620、叉指电极710、声能反射栅720

具体实施方式

说明书和权利要求书中的词语“第一、第二、第三等”或模块A、模块B、模块C等类似用语，仅用于区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本申请实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。

在以下的描述中，所涉及的表示步骤的标号，如S110、S120……等，并不表示一定会按此步骤执行，在允许的情况下可以互换前后步骤的顺序，或同时执行。

说明书和权利要求书中使用的术语“包括”不应解释为限制于其后列出的内容；它不排除其它的元件或步骤。因此，其应当诠释为指定所提到的所述特征、整体、步骤或部件的存在，但并不排除存在或添加一个或更多其它特征、整体、步骤或部件及其组群。因此，表述“包括装置A和B的设备”不应局限为仅由部件A和B组成的设备。

本说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意味着与该实施例结合描述的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在本说明书各处出现的用语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定都指同一实施例，但可以指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，能够以任何适当的方式组合各特定特征、结构或特性，如从本公开对本领域的普通技术人员显而易见的那样。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。如有不一致，以本说明书中所说明的含义或者根据本说明书中记载的内容得出的含义为准。另外，本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。

下面参见各图，对本申请实施例提供的一种用于捕获微纳米粒子的装置进行详细说明。

如图1所示，为本申请实施例提供的用于捕获微纳米粒子的装置的整体结构示意图，其中，为了展示设置于微流道凹槽内部的微柱阵列，部分微流道被剖开。图2为该用于捕获微纳米粒子的装置的侧视图。下面结合图1和图2来详细介绍该装置的结构构造。在本实施例中，该装置包括微流道110、微柱阵列120、衬底130和声激励源140。

具体的，微流道110的一面设置有凹槽，在该凹槽内设置有微柱阵列120。其中，微流道110设置有凹槽的一面、以及微柱阵列120均键合于衬底130的一个面上形成微流道120。声激励源140设置于其所激发的声场范围能够覆盖微柱阵列120区域即可。

应理解，本实施例不对微柱阵列的形状进行限制，任意形状的微柱阵列均可以实现对微纳米粒子的捕获，例如：微柱阵列中的微柱的可以为圆柱(即截面为圆形)、可以为长方体(即截面为长方形)、可以为三棱柱(即截面为三角形)、还可以为任意形状，例如截面可以为椭圆等，本申请实施例以微柱的形状为圆柱进行举例说明。

在本实施例中，微流道110包含进样口111和出样口112。该进样口111用于注入含有目标粒子的样品，该出样口112用于导出捕获结束后剩余的样品(即将目标粒子捕获后不含目标粒子的样品或者将大量目标粒子捕获后含有少量目标粒子的样品)。

在本实施例中，微柱阵列120的高度设置为与微流道110中凹槽的槽深相同，这样是为了尽可能多的捕获到流经微流道的样品中的目标粒子。在其他实施例中，可以根据要求捕获目标粒子的数量来设置微柱阵列120的高度。另外，微柱阵列120中微柱的直径一般是根据目标粒子的尺寸设置的。具体为：微柱的直径越大，能够捕获到的粒子的尺寸相对越小，即该装置的捕获极限越高。一般的，微柱阵列120中微柱的直径应小于固体介质声波的波长。在本实施例中，微柱尺寸应远小于衬底中的声波长，考虑到声波频率与加工能力，本实施例中微柱的尺寸可以为2μm-50μm。

作为一种可选的实现方式，声激励源140可以为叉指电极，用来驱动微柱阵列120产生振动，因此，微柱阵列120应分布在叉指电极的声场范围内。当声激励源140为叉指电极时，此时衬底130的材质包括但不局限于氧化锌、氮化铝、铌酸锂或石英晶体，在这种情况下，可选的，可以利用软光刻工艺获得微柱阵列120，微柱阵列120的材质可以为诺兰光学粘合剂(Norland Optical Adhesive，NOA)、聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)或者光刻胶等。在本实施例中，该叉指电极附着在衬底130的表面，呈梳齿状。在本实施例中，为了增强声波产生声场的方向性，可以在叉指电极的一端布设声能反射栅，声能反射栅包含多个平行的金属条，一般的，金属条的宽度与叉指电极单个电极的宽度相同。应理解，本实施例不对叉指电极的数量以及分布进行特殊限制，在不同试验环境中可以适应性调整。例如：可以在衬底130的表面设置单方向的一个叉指电极；再例如：还可以在衬底130的表面设置正交的两个叉指电极。

作为另外一种可选的实现方式，声激励源140还可以为压电陶瓷换能器，用来驱动微柱阵列120产生振动，同样的，微柱阵列120应分布在压电陶瓷换能器的声场范围内。当声激励源140采用压电陶瓷换能器时，则衬底130的材质包括但不局限于硅、二氧化硅、玻璃等。在这种情况下，可选的，微柱阵列120可以直接由衬底130刻蚀得到，微柱阵列120的材质与衬底130的材质保持一致。或者，还可以利用软光刻工艺，在衬底130上加工出微柱阵列120。此时微柱阵列120的材质可以为诺兰光学粘合剂(Norland Optical Adhesive，NOA)、聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)或者光刻胶等。应理解，本申请不对压电陶瓷换能器的形状进行具体限定，其可以为矩形、环形或者原片形等。

在本实施例中，声激励源140的功率上限为以不产生明显的声流扰动为上限。作为一种可能的实现方式，可以对声激励源的电压应作出限制，以不至产生明显的声流热效应；同时产生的声辐射力需能够克服声流。例如，声激励源的电压可以设置为5Vpp-80Vpp。

下面结合图1-图3对本申请另一实施例提供的用于捕获微纳米粒子的装置的具体工作原理进行详细说明：

如图1所示，在本实施例中，声激励源140采用压电陶瓷换能器，通过丙烯酸酯胶将压电陶瓷换能器粘贴在硅质衬底130上，衬底130呈矩形，压电陶瓷换能器的顶部和底部均涂有导电涂层。在该硅质衬底130的另外一面(与粘贴有压电陶瓷换能器的一面为相对面)通过反应离子刻蚀技术加工出微柱阵列120，在本实施例中，将微柱阵列120中微柱的高度设置为25μm、直径设置为10μm，微流道110开设有凹槽的一面被键合在硅质衬底130上，且使该凹槽覆盖微柱阵列120。在本实施例中，可以将该凹槽的腔截面设置为矩形，该凹槽的宽度与微柱阵列120区域保持一致、该凹槽的高度与为微柱阵列120的高度相同，为25μm。

在本实施例中，下面以目标粒子为直径是500nm的聚苯乙烯(Polystyrene，PS)粒子为例，来说明捕获该目标粒子的过程与原理：将含有直径为500nm的聚苯乙烯(Polystyrene，PS)粒子的样品从微流道110的进样口导入至微流道的同时，在压电陶瓷换能器(即本实施例中的声激励源140)上施加与其谐振频率一致的电压，一般的，压电陶瓷换能器的谐振频率在1kHz-20MHz范围内，此时会在硅质衬底130上激发出弹性波，该弹性波传递至与硅质衬底130接触的微柱阵列120中，并驱动微柱阵列120中的微柱产生振动，声波通过微柱阵列120中微柱的振动耦合进含有直径为500nm的聚苯乙烯粒子的样品中，此时聚苯乙烯粒子在微柱附近会收到指向微柱的声辐射力，并在该声辐射力的作用下向靠近微柱的方向迁移以使聚苯乙烯粒子被捕获。被捕获的聚苯乙烯粒子在声流的作用下围绕着微柱旋转，在本实施例中，所述声波可以为多种模式混杂的兰姆波。如图3所示，图中121即代表微柱阵列120中的一个微柱，指向微柱121的箭头122即表示指向微柱的声辐射力，围绕微柱121的虚线圈123表示声流。由图3可以看出，微柱阵列120中每个微柱都会产生相同的声辐射力122，以使流经微柱的目标粒子被捕获。

在本实施例中，由于微柱阵列120中微柱的直径远小于固体介质声波的波长，因此，可以将围绕微柱运动的声波视为衬底上的一个质点在运动，其运动轨迹的边界条件可以按照下述公式描述：

u_x＝ω·d_xe^-iωt

u_y＝iωd_ye^-iωt

在上式中，u_x，u_y分别为微柱周围声波在x方向、y方向上的速度，d_x，d_y分别为微柱周围声波在x方向、y方向上产生振动的振幅，ω为微柱振动的角频率，t为声波传输的时间，i为虚数单位。在上述边界条件下，利用微扰理论仿真求解N-S方程及连续性方程，可以得到微柱振动激发声场的声压p₁，流体的速度v_I以及声流速度v₂。此时目标粒子所受到的声辐射力可以按照下述公式描述：

在上式中，F_rad为声辐射力，

为nabla算子，U(r)为Gor’kov势能，d_p为目标粒子的直径，f₁为单极散射因子

f₂为偶极散射因子

κ₀，κ_p为流体和粒子压缩性，ρ₀，ρ_p为流体和粒子的密度，p₁为微柱振动激发声场的声压，v_I为流体的速度，<...>表示在一个周期内的时间平均值。

基于本实施例提供的用于捕获微纳米粒子的装置，通过微柱的振动在流体中激发的局域声场可以产生更强的声辐射力，因而可以在较低频率下，实现对亚微米级别粒子的捕获。

当样品中含有直径不同的PS粒子时，本申请实施例提供的用于捕获微纳米粒子的装置还可以将其进行分离。参见图4，例如：样品中含有2μm(2000nm)的PS粒子510及200nm的PS粒子520时，将样品通过微流道的进样口导入微流道内，通过微柱的振动首先将直径较大的PS粒子捕获，即首先将2μm的PS粒子510捕获，直径较小的粒子，即200nm的PS粒子520沿着样品流动，从微流道的出样口导出，实现了依据尺寸对粒子的分离。该分离过程的原理是：粒子受到的声辐射力与粒子的体积成正比，随着粒子直径减小，其受到的声辐射力减小，当直径较小的粒子受到的声辐射力不足于抵抗流动对其的拖曳力时，直径较小的例子则由流体拖曳至导出。

本申请的另一实施例与上述实施例基本相同，不同之处在于将微柱阵列中直径为10μm的微柱替换为直径为5μm及10μm的微柱。应理解，本实施例对微柱阵列包括的微柱直径大小以及微柱直径种类不做限制。如图5所示，为用于捕获微纳米粒子的装置的结构图，其中为了展示不同直径的微柱，将微流道剖开。图中610表示直径为5μm的微柱，图中620表示直径为10μm的微柱。经实验验证，10μm的微柱的捕获极限介于200nm-500nm之间；5μm微柱捕捉极限小于112nm。如图6所示，在本实施例中，将含有2μm的PS粒子及200nm的PS粒子导入微流道后，首先利用10μm的微柱620将2μm的PS粒子全部捕获，样品中的200nm的PS粒子在经过10μm的微柱时无法被捕获，此时沿着流体的方向，继续流动，当经过5μm的微柱时，样品中的200nm的PS粒子被5μm的微柱610捕获。通过这样的设置，实现了多级粒子的分级捕获。应理解，在其他实施例中，面对更为复杂的样品溶液，可以设置更为复杂的微柱阵列。

本申请的另一实施例与上述实施例基本相同，不同之处在于将压电陶瓷换能器替换为叉指电极换能器。如图7所示为当声激励为叉指环能器时，该用于捕获微纳米粒子的装置中各部件的俯视图，其中略去了微流道110部分。在本实施例中，在铌酸锂材质的衬底130上加工出两个正交的叉指电极710，叉指电极的一侧设置有声能反射栅720。通过对叉指电极710施加电压，会在衬底130上激发出声波，在本实施例中，所述声波可以为瑞利波，该声波传递至微柱阵列120上，其运动轨迹可以近似为一椭圆轨迹，如图8所示。通过产生的声辐射力来实现目标粒子的捕获。

基于本申请实施例提供的技术方案，可以在低频率的声激励源的驱动下，实现亚微米级别粒子的捕获。

注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请的构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，均属于本申请的保护范畴。

Claims (6)

1.一种用于捕获微纳米粒子的装置，其特征在于，包括：

微流道、微柱阵列、衬底和声激励源；

所述微流道的一面设置有凹槽，所述凹槽内设置有所述微柱阵列；

所述衬底的一面与所述凹槽的一面键合形成所述微流道、且所述微柱阵列与所述衬底的所述一面键合；

所述声激励源所激发的声场范围覆盖所述微柱阵列；

所述声激励源的谐振频率为1kHz；

所述微柱阵列中微柱的高度与所述凹槽的槽深相同；

所述声激励源为叉指换能器，用于驱动所述微柱阵列产生振动；

所述叉指换能器的一侧设置有反射栅，所述反射栅的宽度与所述叉指换能器单个电极条的宽度相同，用于增强声波的方向性。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微流道包括：

进样口和出样口；

所述进样口用于注入含有目标粒子的样品；

所述出样口用于导出捕获结束后剩余的样品。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微柱阵列中微柱的直径根据目标粒子的尺寸设置；其中，所述微柱的直径小于固体介质声波的波长。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述微柱阵列包括：

第一微柱阵列和第二微柱阵列；

所述第一微柱阵列用于捕获第一尺寸的目标粒子；

所述第二微柱阵列用于捕获第二尺寸的目标粒子；

其中，所述第一微柱阵列中微柱的直径与所述第二微柱阵列中微柱的直径不同。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述声激励源设置于所述衬底的另一面。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述声激励源为压电陶瓷换能器，用于驱动所述微柱阵列产生振动。

Images