CN114177960B

CN114177960B - 基于超高频体声波谐振器的微液滴操纵方法以及装置

Info

Publication number: CN114177960B
Application number: CN202111538154.2A
Authority: CN
Inventors: 段学欣; 申晓天; 李铁川; 庞慰
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2021-12-15
Filing date: 2021-12-15
Publication date: 2023-04-28
Anticipated expiration: 2041-12-15
Also published as: CN114177960A

Abstract

本发明公开了一种基于超高频体声波谐振器的微液滴操纵方法以及装置。操纵方法包括：提供连续相流体以及分散在连续相流体中的微液滴；超高频体声波谐振器提供体声波以及引发流体涡旋以对微液滴进行操纵。操纵装置包括：微液滴生成模块、微流道、下游通道和超高频体声波谐振器。操纵包括内部物质混合、微液滴融合、微液滴切割、微液滴轨迹控制、内部粒子轨迹控制等等。本发明具有简单易行、功能多样、适用范围广泛等优点。

Description

基于超高频体声波谐振器的微液滴操纵方法以及装置

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，具体涉及一种基于超高频体声波谐振器的微液滴操纵方法以及装置。

背景技术

微流体操纵技术，是指操纵微液滴移动并进行物质混合以及后续生化反应。液滴微流控具有通量高、单分散、无交叉污染、试剂消耗少等特点，在生化反应中，将其作为微反应腔室具有独特的优势。在诸如芯片实验室、生物智能监测、生理快速化验等众多科学领域中，有着广泛的应用前景。

目前，对于微液滴内液体和固体操纵的方法分为被动式和主动式两大类。

被动式方法是通过特定的流道结构来完成对微液滴内多组分之间的混合，但是需要复杂的流道设计，对微液滴流速有要求，混合效率较低，对固体粒子无法施加精准控制。

主动式方法是通过施加外部物理场来对微液滴内容物进行控制，包括电学、磁学、热学等方式。电学方法利用电泳、电渗等效应实现流体或固体运动，进行微液滴内部混合，但对微液滴内容物的电学性质有要求，比较有局限性。磁学方法通过磁场使微液滴内的磁性粒子发生混动，实现微液滴的混合，另外可以对磁性粒子进行轨迹排布，但是对微液滴内固体粒子的导磁性有要求，混合效率较低，操作不方便，适用范围有限。热学方法是通过电热丝加热等方式在微液滴内部产生温度梯度，从而实现流体的运动，完成微液滴混合，但是加热的方式对微液滴内样品有破坏作用，生物兼容性较差，对固体粒子无法精准操纵。

因此，亟需一种通用性更好、通量更高、操控精度更高的微液滴操纵装置及操纵方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种通用性更好、通量更高的基于超高频体声波谐振器的微液滴操纵方法及装置。

本发明第一方面提出基于超高频体声波谐振器的微液滴操纵方法，包括：微液滴生成模块向微流道提供连续相流体以及分散在连续相流体中的微液滴；所述微流道中的超高频体声波谐振器提供体声波以及引发流体涡旋以对所述微液滴进行操纵然后流向下游通道。

可选地，单个所述微液滴内部包括至少两种液体物质，或者单个所述微液滴内部包括至少一种液体物质以及至少一种固体物质；并且所述操纵为微液滴内部物质混合。

可选地，相邻两个所述微液滴内部的物质不同，并且二者间距小于所述超高频体声波谐振器在流道延伸方向上的长度；并且所述操纵为微液滴融合。

可选地，所述分散相声阻抗为a1，所述微液滴的声阻抗为a2，(a1-a2)大于预设第一差值，或者(a1/a2)大于预设第一系数；声波在所述分散相与微液滴的界面处的反射率大于预设第一反射率；所述超高频体声波谐振器的功率大于预设第一功率；所述微液滴的流速低于预设第一流速；并且所述操纵为微液滴切割。

可选地，所述分散相声阻抗为a1，所述微液滴的声阻抗为a2，(a1-a2)大于预设第二差值，或者(a1/a2)大于预设第二系数；所述微液滴直径与所述超高频体声波谐振器的最长边长的比值小于预设第一比值；并且所述操纵为微液滴轨迹控制。

可选地，所述微液滴经过所述超高频体声波谐振器之后，还包括：流向所述多个下游支路中的一部分下游支路以实现微液滴筛分。

可选地，所述微液滴的内部具有粒子；所述分散相声阻抗为a1，所述微液滴的声阻抗为a2，(a1-a2)小于预设第三差值，或者(a1/a2)小于预设第三系数；并且所述操纵为内部粒子轨迹控制。

可选地，所述微液滴经过所述超高频体声波谐振器之后，还包括：所述内部粒子流向所述多个下游支路中的一部分下游支路以实现内部粒子筛分。

可选地，所述微液滴在所述微流道中的流动方式为次序流动、并排流动或者交错流动。

可选地，单个所述微液滴能够覆盖部分所述超高频体声波谐振器，或者覆盖单个所述超高频体声波谐振器，或者同时覆盖多个所述超高频体声波谐振器。

可选地，所述超高频体声波谐振器的数量为多个，多个所述超高频体声波谐振器在所述微流道中的排列方式为次序排列、并排排列或者交错排列。

本发明第二方面提出基于超高频体声波谐振器的微液滴操纵装置，包括微液滴生成模块、微流道、下游通道和超高频体声波谐振器，其中：所述微液滴生成模块用于提供连续相流体以及分散在连续相流体中的微液滴；所述微流道的入口与所述微液滴生成模块相连；所述下游通道与所述微流道的出口相连；所述超高频体声波谐振器至少部分地位于所述微流道中，所述超高频体声波谐振器用于提供体声波以及引发流体涡旋以对所述微液滴进行操纵。

可选地，所述操纵包括：内部物质混合、微液滴融合、微液滴切割、微液滴轨迹控制或者内部粒子轨迹控制。

可选地，所述下游通道包括多个下游支路。

可选地，所述超高频体声波谐振器为三角形、锯齿形、多边形、橄榄形、椭圆形或者半圆形。

可选地，所述超高频体声波谐振器的工作频率为0.5至50GHz，或者，为1至5GHz。

综上所述，基于超高频体声波谐振器的微液滴操纵方法以及装置具有简单易行、操纵精细、通量高、生物兼容性好、热稳定性好、功能多样、适用范围广泛等优点。

附图说明

为了说明而非限制的目的，现在将根据本发明的优选实施例、特别是参考附图来描述本发明，其中：

图1为本发明实施方式的基于超高频体声波谐振器的微液滴操纵方法的流程图；

图2是微流道中微液滴的流动情况示意图；

图3是微液滴对超高频体声波谐振器的覆盖情况示意图；

图4是微流道中超高频体声波谐振器的分布情况示意图；

图5A和图5B是对微液滴进行内部物质混合的示意图；

图6是对微液滴进行微液滴融合的示意图；

图7是对微液滴进行微液滴切割的示意图；

图8A和图8B是对微液滴进行液滴轨迹控制的示意图；

图9A至图9C是对微液滴进行内部粒子轨迹控制的示意图；

图10为本发明实施方式的基于超高频体声波谐振器的微液滴操纵装置的结构框图。

具体实施方式

下面结合实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使公众更好地理解，先对基本的名词术语进行解释。

微液滴的体积微小，可以为飞升、皮升、纳升、微升量级的液滴。生成微液滴的方法，通常是将两种互不相溶的液体注入微流道中，用其中一种溶液(连续相)去切割、覆盖另一相溶液(分散相)，在流体剪切力和表面张力的作用下，形成一个一个独立的微液滴。根据连续相和分散相的不同，有不同形式的微液滴。如果连续相是油，分散相是水，就是油包水液滴；相反，如果连续相是水，分散相是油，就是水包油液滴。在生化实验中，通常使用的是油包水液滴。

本文所有实施例均涉及到微液滴这种非溶液体系，与现有技术(例如CN107979352A)的溶液体系明显不同，在科学研究的是独立的研究方向。微液滴体系的特点有：(1)微液滴作为一个微反应器，体积会更小。一方面，试剂消耗量会更少，实验花销和成本会更小；另一方面，研究对象精度更小，比如可以在微液滴里做单细胞或单分子的研究。(2)微液滴是单分散的，每个液滴之间是相互独立的微反应器，一方面，可以避免不同液滴之间的交叉污染；另一方面，每个液滴可以独立操控，单独操控，操控的灵活性更高。(3)微液滴通量高，微液滴产生时可以每秒钟形成几百几千个，每个液滴都是一个反应器，可以同时进行大量不同实验条件的平行实验。(4)微液滴中进行颗粒合成反应，可避免微流道堵塞的问题。在溶液体系中由于流道壁的粗糙、黏连、流速梯度分布的原因，合成的颗粒物容易挂在流道壁上而堵塞流道，但在微液滴中就可以避免这个问题，因为微液滴中的合成的颗粒物不会接触到流道壁。(5)微液滴中可进行带有腐蚀性、微毒性的反应。因为有油水界面的包裹和隔离，反应物不会对微流道进行破坏和腐蚀。

操纵微液滴可以细分为内部物质混合、微液滴融合、微液滴切割、微液滴轨迹控制、内部粒子轨迹控制等多种情况，具体阐述如下。

(1)微液滴内部物质混合具体可以细分为“液-液混合”和“液-固混合”。“液-液混合”是指液滴内原本覆盖至少两种液体，设法对至少两种液体进行充分的混合，使液滴内部达到一个液体均匀的状态。“液-固”混合是指液滴内除了液体外还覆盖了固体颗粒，若单靠自由扩散运动固液混合过程是很漫长的，需要借助技术促进物质交换，让固体颗粒和液体之间更加充分的、快速的接触和混合。

(2)微液滴融合是指将两个位置相邻的、物质不同的微液滴合并成一个总微液滴。融合使得液滴体积变大，同时也伴随着物质混合。

(3)微液滴切割是指将一个微液滴分割成两个子微液滴。若原先的微液滴中含有固体粒子，则切割后的两个子微液滴各自包含的固体粒子浓度通常不同。也就是说，切割使得微液滴体积变小，同时也可以伴随着物质分离。

(4)微液滴轨迹控制是指：微液滴原本是按照预设运动轨迹完成从上游向下游的运动，现在控制微液滴的运动方向发生偏转，若再配合上下游的分支流道则可以实现微液滴切换流道或微液滴筛分操作。

(5)微液滴内部粒子轨迹控制是指：液滴内部粒子原本是随机分布在液滴中任意位置，控制粒子聚集在液滴内的特定局部位置或者按照特定轨迹排布。控制力度一般的情况下，内部粒子始终都在液滴内部没有出去，仅在微液滴流经谐振器时内部粒子发生富集，待微液滴流过超高频体声波谐振器之后，粒子又会重新随机分散到液滴中。控制力度较强的情况下，微液滴流经谐振器时内部粒子发生富集，微液滴离开谐振器时内部粒子依然受到控制从而从微液滴中脱出，继而可以将内部粒子导入下游的指定分支通道，实现粒子筛分。

超高频体声波谐振器通常频率大于1GHz。它在输入信号的激励下，产生超高频振动，发射体声波，体声波在流体中传播引发流体的定向运动，形成流体涡旋。超高频体声波谐振器与表面声波谐振器相比，能够达到更高的谐振频率，从而能够有效地形成提供声场以及形成流体涡旋，进而更好地对微液滴进行操纵。

本发明实施方式的基于超高频体声波谐振器的微液滴操纵方法，如图1所示，主要包括如下步骤A和步骤B。

步骤A：微液滴生成模块向微流道提供连续相流体以及分散在连续相流体中的微液滴。

其中，微液滴由两相或多相互不相容的溶液，通过乳化作用产生。如果是油包水液滴，连续相可以选含氟的油、植物油、矿物油等，分散相可以选水、水溶液等；如果是水包油液滴，连续相和分散相的选择就反过来。还可以向微液滴体系中添加表面活性剂，例如吐温、司班80、司班100等。表面活性剂通常是一些两亲性的分子，一端亲水，一端亲油，会聚集在微液滴的油水界面处，使得液滴更稳定，而不会发生自发的破裂或融合。微液滴的流速可选0-1000uL/min。对微液滴之间的间距无选择性。

步骤B：微流道中的超高频体声波谐振器提供体声波以及引发流体涡旋以对微液滴进行操纵然后流向下游通道。操纵至少具体包括五种情况，后文中分类进行说明。

微液滴在微流道中的流动方式可以灵活设置。如图2所示，微液滴在微流道中的流动方式可以为次序流动、并排流动或者交错流动。

微液滴与超高频体声波谐振器的覆盖关系可以灵活设置。微液滴可覆盖流道内谐振器面积的10％-100％。流道内有多个谐振器时，微液滴可同时覆盖多个谐振器，或依次流过覆盖每个谐振器。如图3所示，单个微液滴能够覆盖部分超高频体声波谐振器，或者覆盖单个超高频体声波谐振器，或者同时覆盖多个超高频体声波谐振器。

微流道中设置超高频体声波谐振器的方式可以灵活设置。微流道中的超高频体声波谐振器的数量为单个时，可以整个或者部分地设置在微流道中；微流道中的超高频体声波谐振器的数量为多个时，多个超高频体声波谐振器在微流道中的排列方式可以为次序排列、并排排列或者交错排列。如图4所示的七个示例分别是：①单个谐振器整体位于微流道内部；②多个谐振器并列排列在微流道内部；③多个谐振器次序排列在微流道内部；④多个谐振器交错排列在微流道内部；⑤单个谐振器设置在微流道侧壁，谐振器仅有局部位于微流道内部；⑥多个谐振器设置在微流道同一侧壁，各个谐振器仅有局部位于微流道内部；⑦多个谐振器设置在微流道两侧侧壁，各个谐振器仅有局部位于微流道内部。

超高频体声波谐振器可以为三角形、锯齿形、多边形、橄榄形、椭圆形或者半圆形等形状。超高频体声波谐振器的工作频率约为0.5至50GHz，优选为1至5GHz。

超高频体声波谐振器优选采用薄膜体声波谐振器或固体装配型谐振器。薄膜体声波谐振器包括压电部分和声波反射部分。压电部分从上至下的依次为顶电极、压电层(压电材料)和底电极。其中，顶电极和底电极的可选材料包括铝、钼、金等，压电材料可选氮化铝、氧化锌等。声波反射部分有两种可选方案，一种是采用声阻抗差别较大的两种材料交替堆叠而成，另一种是衬底层采用空腔结构。薄膜体声波谐振器的频率可选0.3GHz至10GHz。

(一)微液滴内部物质混合

当满足“单个微液滴内部包括至少两种液体物质，或者单个微液滴内部包括至少一种液体物质以及至少一种固体物质”的条件时，操纵的实现效果为微液滴内部物质混合。

图5A是对含有“固-液”两种物质的微液滴进行内部物质混合的示意图，图5B是对含有“液-液”两种物质的微液滴进行内部物质混合的示意图。微液滴与薄膜体声波谐振器的装配要点为：微液滴可覆盖流道内谐振器面积的10％-100％。流道内有多个谐振器时，微液滴可同时覆盖多个谐振器，或依次流过覆盖每个谐振器。

工作原理是：超高频体声波谐振器通过压电效应产生高频体声波，体声波在衬底反射层的作用下向微流道中的液体进行传播，体声波首先在微液滴与谐振器之间的连续相流体中进行传播和衰减，在微液滴的两相界面处发生反射和透射，透射进入微液滴的体声波继续传播和衰减，产生声流体效应，从而带动微液滴内的流体发生定向流动，实现微液滴内部液体与液体之间、液体与固体之间的快速充分混合。

有益效果至少包括如下方面：(1)混合速度快，混合效率高，混合时间短，混合距离短，液滴通量高。谐振器可在毫秒及亚毫秒的时间内，对微液滴完成充分混合；微液滴在经过谐振器时，在1-300微米的短距离内，即可完成充分混合的过程。因为混合时间短，混合距离短，因此液滴通量可以达到很高，在每秒1-5000个液滴的通量下完成充分混合。(2)对微液滴内部的液体和固体无选择性。相比于电学和磁学的方法，对液滴内部的物质物理性质有特殊要求，本发明利用体声波进行混合、粒子富集和轨迹控制，对液体和固体的物理性质无特殊要求，适用范围更广，适用场景更多。(3)生物兼容性好。相比于热学的方法，其需要对微液滴进行高温加热的处理，本发明利用体声波进行操控，无需对液滴进行加热，对生物样品更加友好；本发明利用的薄膜体声波谐振器以及微流道等材料，无生物毒性，整体装置的生物兼容性更高。(4)易于装配。本发明利用的薄膜体声波谐振器与微流道材料采用常规方法即可完成装配，操作简便。

实验例：

微流道的尺寸为宽度150μm，高度50μm。微液滴的连续相为含氟的油相，分散相为50％水和50％乙二醇，通过3:1μL/min的流速产生连续流微液滴。微液滴的四个面被微流道所束缚。微流道中配置一个薄膜体声波谐振器，谐振器全部面积都位于微流道中，微液滴可覆盖整个谐振器。对微液滴进行混合。当微液滴流经谐振器上方时谐振器可实现对微液滴内部的混合。谐振器功率施加400mW，即可实现充分混合(混合指数＞0.9)。

发明人还采用不同参数条件进行系列对比实验，发现微液滴的流速越小、粘度越小，谐振器功率越大，物质混合效果越好。

(二)微液滴融合

当“相邻两个微液滴内部的物质不同，并且二者间距小于超高频体声波谐振器在流道延伸方向上的长度”的情况下，操纵的实现效果为微液滴融合。

图6是对微液滴进行微液滴融合的示意图。微液滴与薄膜体声波谐振器的装配要点为：微液滴可覆盖流道内谐振器面积的10％-100％。在进行融合操作时，谐振器对于相邻两个或多个液滴组合的位置，谐振器可以位于液滴组合的紧邻上游，可以位于液滴组合的液滴相邻界面处，可以位于液滴组合的紧邻下游，均可对液滴组合完成融合操作。

工作原理是为：薄膜体声波谐振器通过压电效应产生高频体声波，体声波在衬底反射层的作用下向微流道中的液体进行传播，会在连续相即油相中引发声流体效应，引起油相的定向运动，油相的流动会改变微液滴表面活性剂的分布和局部浓度，当相邻液滴靠近时，会发生微液滴的融合。

有益效果至少：(1)融合通量高。相邻的微液滴组合在经过谐振器时，可以在亚毫秒时间内完成融合，液滴的融合通量较高。(2)生物兼容性好。对于电学的方法，其需要对微液滴组合施加电压和电场，对于热学方法，其需要对微液滴进行加热，而本发明利用体声波进行操控，无需对液滴进行加电和加热操作，对生物样品更加友好；本发明利用的薄膜体声波谐振器以及微流道等材料，无生物毒性，整体装置的生物兼容性更高。(3)易于装配。本发明利用的薄膜体声波谐振器与微流道材料采用常规方法即可完成装配，操作简便。

实验例：

微流道的尺寸的宽度150μm，高度50μm。微液滴的连续相为含氟的油相，分散相为水，通过3:1μL/min的流速产生连续流微液滴，微液滴的四个面被微流道所束缚。微流道中配置一个薄膜体声波谐振器，谐振器全部面积都位于微流道中，微液滴可覆盖整个谐振器。为了实现相邻的两个液滴融合，将谐振器设置在液滴相邻界面处即可。

发明人还采用不同参数条件进行系列对比实验，发现相邻微液滴的间距越小，表面活性剂含量越少，微液滴流速越小，谐振器功率越高，融合效果越好。

(三)微液滴切割

当“分散相声阻抗为a1，微液滴的声阻抗为a2，(a1-a2)大于预设第一差值，或者(a1/a2)大于预设第一系数；声波在分散相与微液滴的界面处的反射率大于预设第一反射率；超高频体声波谐振器的功率大于预设第一功率；微液滴的流速低于预设第一流速”的情况下，操纵的实现效果为微液滴切割。需要说明的是，“预设第一差值、预设第一系数、预设第一反射率、预设第一功率、预设第一流速”这些术语的本质都是某种阈值，具体数值大小需要根据具体实施条件来具体确定。

图7是对微液滴进行微液滴切割的示意图。微液滴与薄膜体声波谐振器的装配要点为：微液滴可覆盖流道内谐振器面积的10％-100％。在进行切割操作时，可根据液滴经过谐振器的位置，再实现不同比例的液滴切割。

工作原理是：薄膜体声波谐振器产生的体声波在油相中引发声流体效应。当微液滴经过谐振器上方时，由于油相和水相的声阻抗差别较大，体声波在油水界面处会产生作用力，导致油水界面发生形变，当形变到一定程度时，由于表面张力的作用，液滴会从中间某位置分离为两个子液滴。

有益效果至少包括：(1)切割通量高。微液滴在经过谐振器时，可以在毫秒时间内完成切割，液滴的切割通量较高。(2)液滴切割比例原位动态可调。通过控制液滴经过谐振器的位置、谐振器施加功率等参数，可以实现在液滴不同位置进行切割，从而实现切割比例的原位动态调整。(3)生物兼容性好。对于电学的方法，其需要对微液滴组合施加电压和电场，对于热学方法，其需要对微液滴进行加热，而本发明利用体声波进行操控，无需对液滴进行加电和加热操作，对生物样品更加友好；本发明利用的薄膜体声波谐振器以及微流道等材料，无生物毒性，整体装置的生物兼容性更高。(4)易于装配。本发明利用的薄膜体声波谐振器与微流道材料采用常规方法即可完成装配，操作简便。

实验例：

微流道的尺寸的宽度150μm，高度50μm。微液滴的连续相为含氟的油相，分散相为水，通过3:1μL/min的流速产生连续流微液滴，微液滴的四个面被微流道所束缚。微流道中配置一个薄膜体声波谐振器，微液滴可覆盖整个或部分谐振器。连续相声阻抗约为8.96*10⁵N·s/m³，分散相声阻抗约为1.48*10⁶N·s/m³，连续相和分散性的声阻抗相差较大。当微液滴流经谐振器上方时，给谐振器施加功率，在声流体的作用下谐振器上方的油水界面发生形变，当形变达到一定程度时，在声辐射力、表面张力和流体拖拽力的作用下，原始液滴被分割成两个子液滴。发明人还采用不同参数条件进行系列对比实验，发现谐振器功率越大，连续相和分散相声阻抗差别越大，微液滴流速越小，液滴切割效果越好。

(四)微液滴轨迹控制

当“分散相声阻抗为a1，微液滴的声阻抗为a2，(a1-a2)大于预设第二差值，或者(a1/a2)大于预设第二系数；微液滴直径与超高频体声波谐振器的最长边长的比值小于预设第一比值”的情况下，操纵的实现效果为微液滴轨迹控制。需要说明的是，“预设第二差值、预设第二系数、预设第一比值”这些术语的本质都是某种阈值，具体数值大小需要根据具体实施条件来具体确定。

图8A和图8B是对微液滴进行内部粒子轨迹控制的示意图。图8A所示的实施例中微流道中具有隔板(浅灰色矩形所示)，微液滴原本在上层通道中流动，途径谐振器时会沿着谐振器的边缘运动，通过谐振器的偏转改变流向后流入下层通道中。图8B所示的实施例中，下游通道具有分支，液滴可以通过谐振器的偏转改变流向后进入特定的下游流道中，实现微液滴筛分。

微液滴与薄膜体声波谐振器的装配要点为：微流道可覆盖全部谐振器，或者只覆盖谐振器的部分面积，微流道内可同时放置一个或多个谐振器，多个谐振器的排列可依次排列或交错排列。结合多个支路的下游通道还可以进一步实现微液滴的筛选分流。

工作原理：超高频体声波谐振器产生体声波并在连续相中传播和衰减，由于分散相和连续相声阻抗差异较大，会在连续相中引发流体流动，微液滴进入流体涡旋中，会随着流体涡旋的前进方向而改变自身的流向，达到控制微液滴轨迹的目的。

有益效果：

有益效果至少包括：(1)轨迹控制可控性好。上游的微液滴在流经谐振器边缘时，进入谐振器产生的流体涡旋中，在声流体的作用下沿着谐振器的边缘向下游移动。因此可通过设计谐振器的边缘形状来调控微液滴的运动轨迹。(2)筛选通量高。薄膜体声波谐振器引发声流体效应的时间在亚毫秒级别，可以快速捕获和偏转液滴，实现筛分，所以筛选通量较高。(3)可进行无标记筛选。区别于其他筛选法方式，本发明提出的筛选方法可以不对微液滴进行荧光标记，通过微液滴的尺寸或密度差异即可完成筛选。也可以进行荧光标记，配合上游荧光检测进行筛选。(4)生物兼容性好。对于电学的方法，其需要对微液滴施加电场，而本发明利用体声波进行操控，无需对液滴进行加电操作，对生物样品更加友好；本发明利用的薄膜体声波谐振器以及微流道等材料，无生物毒性，整体装置的生物兼容性更高。(5)易于装配。本发明利用的薄膜体声波谐振器与微流道材料采用常规方法即可完成装配，操作简便。

实施例：

微流道的尺寸的宽度150μm，高度50μm。微液滴的连续相为含氟的油相，分散相为水，通过3:1μL/min的流速产生连续流微液滴，微液滴的四个面被微流道所束缚。微液滴的直径要小于谐振器边长的长度。连续相声阻抗约为8.96*10⁵N·s/m³，分散相声阻抗约为1.48*10⁶N·s/m³。微流道中配置一个薄膜体声波谐振器，微液滴可覆盖整个或部分谐振器。

发明人还采用不同参数条件进行系列对比实验，发现谐振器功率越大，微液滴流速越小、连续相和分散相声阻抗差别越大、微液滴尺寸越小，对微液滴轨迹控制效果越好。

(五)微液滴内部粒子轨迹控制

当“微液滴的内部具有粒子；分散相声阻抗为a1，微液滴的声阻抗为a2，(a1-a2)小于预设第三差值，或者(a1/a2)小于预设第三系数”的情况下，操纵的实现效果为内部粒子轨迹控制。需要说明的是，“预设第三差值、预设第三系数”这些术语的本质都是某种阈值，具体数值大小需要根据具体实施条件来具体确定。

图9A至图9C是对微液滴进行内部粒子轨迹控制的示意图。图9A所示的实施例中，微液滴未经过谐振器富集时，液滴内粒子是随机分散排布的，经过谐振器时粒子被聚集在谐振器的上方和边缘处。图9B所示的实施例与图9A所示的实施例类似，但是由于谐振器是部分地设置在流道中，所以粒子主要被聚集在谐振器的边缘。可以理解，通过设置不同形状的谐振器，可以将粒子排布成不同的形状。图9C所示的实施例中，下游通道中具有多个支路，谐振器引导微液滴的粒子选择性地流向某一指定通路，以实现内部粒子筛分。该实施例中，要求谐振器对粒子有更强的控制，可以通过减缓微液滴流速、加大谐振器功率等手段来实现。

微液滴与薄膜体声波谐振器的装配要点为：微流道可覆盖全部谐振器，或者只覆盖谐振器的部分面积，微流道内可同时放置一个或多个谐振器，多个谐振器的排列可依次排列或交错排列。对微液滴内固体粒子的轨迹控制，以使得粒子浓缩富集到谐振器表面或者边缘。结合多个支路的下游通道还可以进一步实现微液滴内部粒子的筛选分流。

工作原理是：薄膜体声波谐振器产生的体声波在微液滴引发声流体效应，在声辐射力和流体拖拽力的共同作用下，固体粒子会被捕捉在谐振器表面附近，体现为固体粒子的浓缩和富集。固体粒子在声流体效应的作用下，局限在谐振器形状边缘运动，随着微液滴向下游运动，固体粒子也会沿着谐振器的边缘向下游运动，此时，通过设计和改变谐振器和微流道的装配位置或摆放位置，就可以实现对微液滴内部固体粒子的运动轨迹的控制。通过控制施加的功率、流道高度、微液滴流速等条件，可以实现不同程度的富集。当需要对微液滴进行荧光光学检测时，通过对微液滴内粒子的局部富集，可以达到提高微液滴荧光强度的目的，从而提高检测水平，实现更低的检测下限，对于低浓度或低表达的微液滴检测更为有利。对微液滴内粒子进行轨迹控制。在声流体的作用下，粒子被局限在谐振器边缘附近，随着液滴不断向下游运动，微液滴内的固体粒子会沿着谐振器的边缘向下游运动，通过设计谐振器的形状、调整谐振器与微流道的装配方式，即可控制微液滴内固体粒子沿不同轨迹进行运动。通过轨迹控制，结合微流道结构，可以实现液滴内固体粒子的分离，在化学催化反应中，可以控制反应的开始和结束；在生物实验中，可以实现样品和粒子的分离。

有益效果至少包括：(1)轨迹控制可控性好。(2)筛选通量高。薄膜体声波谐振器引发声流体效应的时间在亚毫秒级别，可以快速捕获和偏转液滴，实现筛分，所以筛选通量较高。(3)可进行无标记筛选。区别于其他筛选法方式，本发明提出的筛选方法可以不对微液滴进行荧光标记，通过微液滴的尺寸或密度差异即可完成筛选。也可以进行荧光标记，配合上游荧光检测进行筛选。(4)生物兼容性好。对于电学的方法，其需要对微液滴施加电场，而本发明利用体声波进行操控，无需对液滴进行加电操作，对生物样品更加友好；本发明利用的薄膜体声波谐振器以及微流道等材料，无生物毒性，整体装置的生物兼容性更高。(5)易于装配。本发明利用的薄膜体声波谐振器与微流道材料采用常规方法即可完成装配，操作简便。

实验例：

微流道的尺寸的宽度150μm，高度50μm。微液滴的连续相为含氟的油相，分散相为含有500nm聚苯乙烯粒子的水相，通过3:1μL/min的流速产生连续流微液滴，微液滴的四个面被微流道所束缚。微流道中配置一个薄膜体声波谐振器，微液滴可覆盖整个或部分谐振器。上游的微液滴在流经谐振器时，给谐振器施加400mW功率，微液滴中的聚苯乙烯粒子会被捕捉和富集在谐振器的边缘处，固定不动，完成粒子的局部富集和浓缩。只有当整个微液滴都经过谐振器时，微液滴尾部的油水界面会将谐振器富集的粒子带走，粒子重新分散在微液滴中。

发明人还采用不同参数条件进行系列对比实验，发现谐振器功率越大、微液滴流速越小、粒子尺寸越大，对微液滴内部粒子富集效果越好。

本发明实施方式的基于超高频体声波谐振器的微液滴操纵装置，如图10所示，包括微液滴生成模块100、微流道200、下游通道300和超高频体声波谐振器400，其中：微液滴生成模块100用于提供连续相流体以及分散在连续相流体中的微液滴；微流道200的入口与微液滴生成模块100相连；下游通道300与微流道200的出口相连；超高频体声波谐振器400至少部分地位于微流道200中，超高频体声波谐振器400用于提供体声波以及引发流体涡旋以对微液滴进行操纵。

其中，微液滴生成模块100通常是由注射泵、流量传感器等组成。具体组成方式不限定。下游通道300包括多个下游支路，以便于在有需要的场景情况下实现筛分功能。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims

1.一种基于超高频体声波谐振器的微液滴操纵方法，其特征在于，包括：微液滴生成模块向微流道提供连续相流体以及分散在连续相流体中的微液滴；所述微流道中的超高频体声波谐振器提供体声波以及引发流体涡旋以对所述微液滴进行操纵然后流向下游通道，所述超高频体声波谐振器的工作频率为1至5GHz，其中：

满足如下条件时所述操纵为微液滴切割：分散相声阻抗为a1，所述微液滴的声阻抗为a2，(a1-a2)大于预设第一差值，或者(a1/a2)大于预设第一系数；声波在所述分散相与微液滴的界面处的反射率大于预设第一反射率；所述超高频体声波谐振器的功率大于预设第一功率；所述微液滴的流速低于预设第一流速；

满足如下条件时所述操纵为微液滴轨迹控制：所述分散相声阻抗为a1，所述微液滴的声阻抗为a2，(a1-a2)大于预设第二差值，或者(a1/a2)大于预设第二系数；所述微液滴直径与所述超高频体声波谐振器的最长边长的比值小于预设第一比值；

满足如下条件时所述操纵为内部粒子轨迹控制：所述微液滴的内部具有粒子；所述分散相声阻抗为a1，所述微液滴的声阻抗为a2，(a1-a2)小于预设第三差值，或者(a1/a2)小于预设第三系数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述下游通道包括多个下游支路，在所述操纵为微液滴轨迹控制的情况下，所述微液滴经过所述超高频体声波谐振器之后，还包括：

流向多个下游支路中的一部分下游支路以实现微液滴筛分。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述下游通道包括多个下游支路，在所述操纵为内部粒子轨迹控制的情况下，所述微液滴经过所述超高频体声波谐振器之后，还包括：

所述内部粒子流向多个下游支路中的一部分下游支路以实现内部粒子筛分。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述微液滴在所述微流道中的流动方式为次序流动、并排流动或者交错流动。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，单个所述微液滴能够覆盖部分所述超高频体声波谐振器，或者覆盖单个所述超高频体声波谐振器，或者同时覆盖多个所述超高频体声波谐振器。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述超高频体声波谐振器的数量为多个，多个所述超高频体声波谐振器在所述微流道中的排列方式为次序排列、并排排列或者交错排列。

7.一种基于超高频体声波谐振器的微液滴操纵装置，其特征在于，包括微液滴生成模块、微流道、下游通道和超高频体声波谐振器，所述超高频体声波谐振器的工作频率为1至5GHz，其中：

所述微液滴生成模块用于提供连续相流体以及分散在连续相流体中的微液滴；

所述微流道的入口与所述微液滴生成模块相连；

所述下游通道与所述微流道的出口相连；

所述超高频体声波谐振器至少部分地位于所述微流道中，所述超高频体声波谐振器用于提供体声波以及引发流体涡旋以对所述微液滴进行操纵，其中，

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述下游通道包括多个下游支路。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述超高频体声波谐振器为三角形、锯齿形、多边形、橄榄形、椭圆形或者半圆形。