CN114522649B - 一种基于磁流体重构的声学微粒捕获及轨迹操控方法 - Google Patents

一种基于磁流体重构的声学微粒捕获及轨迹操控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于磁流体重构的声学微粒捕获及轨迹操控方法。腔室中注入磁流体，磁流体在磁场作用下形成表面微磁柱结构；通过精确控制磁场形状以及磁场强度，重构成具有不同几何形貌的表面微磁柱结构；在腔室中注入微粒悬浊液，并在腔室内激发超声波，此时在微磁柱结构周围产生声场局部约束力将附近的微粒捕获；通过改变磁场形状实现微粒的分布特征精确调整，通过改变磁场的位置以及强度改变表面微磁柱的几何形貌特征以及位置。本发明能实现微粒的非接触式精准捕获以及复杂轨迹传输，具有操作简便、可控性强、设备简单、精确度高，非接触等特点，可用于单个微粒以及多个微粒的同步捕获与操控。

Description

一种基于磁流体重构的声学微粒捕获及轨迹操控方法
技术领域
本发明涉及一种声学微粒捕获及操控方法，尤其是涉及了一种基于磁流体重构的声学微粒捕获及轨迹操控方法。
背景技术
精确操控微尺度的物体(例如生物细胞、聚合物微粒以及多细胞生物组织等)目前已经成为生物医学分析中的一项十分关键的技术，这项技术的发展将极大地促进包括细胞表征、药物精确递送以及细胞精确组装等多个重要领域。而当前聚焦于微米级尺度控制流体的微流体学促进了一系列生物医学等分析方法的诞生，并且实现了多种微粒的操作方法，其中包括磁镊、光镊、介电泳以及声镊等。其中磁镊的操作效率极大地受限于样品本身的电磁特性，它对于本身不具备强磁性的样品很难实现有效操控；而光镊是通过使用高功率的激光对细胞以及微粒进行捕获，但高强度的激光所产生的高热量会对生物细胞带来不可逆的损伤，从而损害其生物活性；而介电泳法则需要使用强电场，这也会在焦耳热的作用下影响生物样品的活性，从而造成不可逆的损伤；而声镊则是利用超声波和流体或粒子间的相互作用力对微粒进行微尺度操作，并且这种方法具有低功耗和良好的生物相容性等特点，但因其所施加的功率较低，其可控性弱于磁镊以及介电泳方法。
将微粒进行精准捕获以及控制微粒按照特定的轨迹进行运动，目前已成为微流控领域中的一项关键技术，近几年国内外许多研究人员通过声学等手段进行了研究，主要包括利用聚焦型声表面波换能器诱导的声流效应实现微粒的捕获以及细胞的富集；利用微流道内部的振荡微流实现微粒的捕获并将其应用于推进型机器人等，但无法解决在复杂环境内对微粒的有效捕获与精准操控，在未来的应用中，对各种微型物体实施广泛的复杂导航将需要提供简单、可控、非特异性和长期操作的新方法。
基于多物理场耦合下的微尺度物体操控是指通过利用电场、磁场以及声场等物理场的不同特性进行组合，这些物理场将会相互影响，从而利用这些物理场的不同特性有望实现目标微粒的精准捕获以及复杂轨迹操控而不影响微粒的生物活性。
发明内容
为了解决常规磁镊以及声镊对于微粒有效捕获以及复杂轨迹操控中所存在的问题，利用磁流体在磁场作用下可以实现自身几何形貌精确可调和声场可以激发声流效应这些特点，本发明提出了一种基于磁流体重构的声学微粒捕获及轨迹操控方法。
本发明注入到腔室中的磁流体在不同形状以及不同强度的磁场中将形成具有相应的排布特征和几何形貌的表面微磁柱阵列，而施加声场可以通过在腔室中输入超声波产生在微磁柱阵列周围激发声流效应从而产生局部声流约束力实现微粒的精确捕获，而通过对磁场按照复杂轨迹移动则可以实现所捕获微粒的复杂轨迹传输。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
步骤1：从腔室入口向腔室中注入磁流体，并将位于腔室下方的磁场开启，磁流体在磁场的磁力作用下聚集形成表面微磁柱结构的阵列；
步骤2：从腔室入口向腔室中注入含有微粒的悬浊液，使微粒进入腔室中，此时开启位于腔室两侧的压电陶瓷片，从而在腔室内部激发超声波，带动微粒在声学约束力的作用下绕表面微磁柱结构做旋转运动；一个表面微磁柱结构下仅有一个微粒绕其作旋转运动。
步骤3：通过改变磁场的几何形状，对捕获微粒的分布特征进行精准调控，实现微粒分布特征的精准可控；
步骤4：通过磁场的强度，调控磁流体所形成的表面微磁柱结构的几何形貌，进而改变所捕获微粒的分布形貌；
步骤5：按照预定义的轨迹移动布置于腔室底部的磁场，使腔室内部的微磁柱结构以及所捕获的微粒也按照磁场的运动轨迹进行精确移动，从而实现微粒的无接触复杂轨迹操控。
本发明通过加入磁流体来产生微磁柱结构对微粒进行捕获，再通过调整微磁柱结构的参数，控制微粒的运动和操控，实现了微粒的精确高效捕获与运动参数灵活调控的优势。
所述步骤2中，压电陶瓷片所激发的超声波在表面微磁柱结构周围产生声流效应，从而产生声学约束力将表面微磁柱结构周围的微粒进行捕获，并驱动微粒在声学约束力的作用下绕表面微磁柱结构做旋转运动。
所述步骤3具体为：改变磁场改变的几何形状，表面微磁柱结构的阵列形状调整为和磁场的几何形状相同，进而控制调整捕获的微粒的分布也和磁场的几何形状相同。
所述步骤4中，表面微磁柱结构的几何形貌包括半径、高度和阵列密度。
当向位于腔室两侧的压电陶瓷片输入具有相同频率以及相位的高频交流电信号时，腔室内的微粒将围绕表面微磁柱结构做稳定的旋转运动，而通过调整高频交流电信号的频率以及设置相位差改变微粒的旋转方向以及旋转速度。
所述的压电陶瓷片材料为锆钛酸铅系压电陶瓷，用于在交流电信号的输入下通过逆压电效应产生超声波。
所述的微粒材料为无电磁特性的有机聚合物或者生物细胞。
本发明通过利用磁流体在磁场作用下可以实现自身几何形貌精确可调和声场可以激发声流效应这些特点，提出了一种基于磁流体重构的声学微粒捕获及轨迹操控方法。其中注入到腔室中的磁流体在不同形状的磁场中将会形成具有不同排布特征的表面微磁柱阵列，而改变磁场的强度则可以实现微磁柱结构的几何形貌精确调控。而施加声场可以通过在腔室中输入超声波而在微磁柱阵列周围激发声流效应产生超声约束力实现微粒的精确捕获，而通过对磁场按照复杂轨迹移动则可以实现所捕获微粒的复杂轨迹传输。
本发明方法可用于单个微粒以及多个微粒的同步捕获与操控。
本发明具有的有益效果是：
(1)本发明利用磁流体在磁场中受到磁力而会自动聚集成簇形成表面微磁柱阵列这一特性，实现了表面微结构阵列的精确可调。而声场的引入可以在微磁柱周围形成声流效应用于微粒的精准捕获而不影响其生物活性；
(2)本发明所用设备简单、操作简便，并且对微粒自身的电磁特性没有要求，从而可以实现对有机聚合物分子以及生物细胞等微粒的复杂轨迹操控；
(3)本发明具有易与其他微流控技术结合、能耗低的特点。
总述，本发明能实现多种微粒的非接触式精准有效捕获与复杂轨迹下的精确传输，具有操作简便、可控性强、设备简单、精确度高，非接触等特点。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图；
图2是中等强度磁场下微磁柱声学捕获微粒原理示意图；
图3是中等强度磁场下微磁柱声学捕获微粒原理俯视图；
图4是交叉状的特异型磁场下微磁柱声学捕获微粒示意图；
图5是之字形的特异型磁场下微磁柱声学捕获微粒示意图；
图6是高强度磁场下微磁柱声学捕获微粒原理示意图；
图7是低强度磁场下微磁柱声学捕获微粒原理示意图；
图8是沿特定复杂轨迹实现微粒传输示意图。
图中：1、腔室入口，2、磁流体，3、腔室，4、磁场，5、表面磁柱微结构，6、微粒，7、压电陶瓷片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。
如图1和图2所示，本发明具体实施采用的装置包括磁流体2、腔室3和压电陶瓷片7；腔室3一端开设腔室入口1，另一端开设腔室出口；腔室3下方布置有磁场4，腔室3内填充磁流体2和微粒6，磁流体2受磁场4控制产生表面磁柱微结构5，腔室3内在沿流通方向的两侧均设置有压电陶瓷片7。
具体实施的磁场4是由布置于腔室3底部的特定形状永磁体生成。
实施例实施过程包括以下步骤：
步骤1：如图1所示，从腔室入口1向腔室3中注入磁流体2，并将位于腔室3下方的磁场4开启，磁流体2在磁场4的磁力作用下聚集形成表面微磁柱结构5的阵列；
具体实施中的微磁柱结构5的上端为尖锐形状，呈圆锥形。
压电陶瓷片7材料采用锆钛酸铅系压电陶瓷，微粒6材料采用无电磁特性的有机聚合物或者生物细胞。
步骤2：如图2和图3所示，从腔室入口1向腔室3中注入含有微粒6的悬浊液，使微粒6进入腔室3中，此时开启位于腔室3两侧的压电陶瓷片7，从而在腔室3内部激发超声波，带动微粒6在声学约束力的作用下绕表面微磁柱结构5做旋转运动；一个表面微磁柱结构5下仅有一个微粒6绕其作旋转运动。
步骤3：通过改变布置于腔室3底部的磁场4的几何形状，对捕获微粒6的分布特征进行精准调控，实现微粒6分布特征的精准可控；
例如，如图4所示，将置于腔室3底部的磁场4改变为交叉型布置，表面微磁柱结构5也将以磁场4的几何形状生成交叉型的排列形式，从而使被捕获的微粒6呈交叉型阵列分布。
如图5所示，将置于腔室3底部的磁场4改变为之字形，表面微磁柱结构5也将以磁场4的几何形状生成之字形的排列形式，从而使被捕获的微粒6呈之字形阵列分布。
步骤4：通过改变布置于腔室3底部的磁场4的强度，精确调控磁流体2所形成的表面微磁柱结构5的几何形貌，进而改变所捕获微粒6的分布形貌；
如图6所示，当增大磁场4强度时，腔室3内的表面微磁柱结构5排布密集，单根表面微磁柱结构5的高度以及半径均增大，所捕获微粒6在表面微磁柱结构5上的旋转半径增大；
如图7所示，当减小磁场4强度时，腔室3内的表面微磁柱结构5排布稀疏，单根表面微磁柱结构5的高度以及半径均减小，所捕获微粒6在表面微磁柱结构5上的旋转半径减小。
步骤5：按照预定义的轨迹移动布置于腔室3底部的磁场，使腔室3内部的微磁柱结构5以及所捕获的微粒6也按照磁场的运动轨迹进行精确移动，从而实现微粒的无接触复杂轨迹操控。
另外，如图8所示，当向位于腔室3两侧的压电陶瓷片7输入具有相同频率以及相位的高频交流电信号时，腔室3内的微粒6将围绕表面微磁柱结构5做稳定的旋转运动，而通过调整高频交流电信号的频率以及设置相位差改变微粒6的旋转方向以及旋转速度。
由实施例可见，本发明实现了基于可重构磁流体的声学微粒捕获与复杂轨迹传输，操作简便，能耗低，适用范围广。

Claims (6)

1.一种基于磁流体重构的声学微粒捕获及轨迹操控方法，其特征在于：方法包括以下具体步骤：
步骤1：从腔室入口（1）向腔室（3）中注入磁流体（2），并将位于腔室（3）下方的磁场（4）开启，磁流体（2）在磁场（4）的磁力作用下聚集形成表面微磁柱结构（5）的阵列；
所述的表面微磁柱结构（5）的上端为尖锐形状，呈圆锥形；
步骤2：从腔室入口（1）向腔室（3）中注入含有微粒（6）的悬浊液，使微粒（6）进入腔室（3）中，此时开启位于腔室（3）两侧的压电陶瓷片（7），从而在腔室（3）内部激发超声波，带动微粒（6）在声学约束力的作用下绕表面微磁柱结构（5）做旋转运动；
所述步骤2中，压电陶瓷片（7）所激发的超声波在表面微磁柱结构（5）周围产生声流效应，从而产生声学约束力将表面微磁柱结构（5）周围的微粒（6）进行捕获，并驱动微粒（6）在声学约束力的作用下绕表面微磁柱结构（5）做旋转运动；
步骤3：通过改变磁场（4）的几何形状，对捕获微粒（6）的分布特征进行精准调控，实现微粒（6）分布特征的精准可控；
步骤4：通过磁场（4）的强度，调控磁流体（2）所形成的表面微磁柱结构（5）的几何形貌，进而改变所捕获微粒（6）的分布形貌；
步骤5：按照预定义的轨迹移动布置于腔室（3）底部的磁场，使腔室（3）内部的表面微磁柱结构（5）以及所捕获的微粒（6）也按照磁场的运动轨迹进行精确移动，从而实现微粒的无接触复杂轨迹操控。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁流体重构的声学微粒捕获及轨迹操控方法，其特征在于：所述步骤3具体为：改变磁场（4）改变的几何形状，表面微磁柱结构（5）的阵列形状调整为和磁场（4）的几何形状相同，进而控制调整捕获的微粒（6）的分布也和磁场（4）的几何形状相同。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁流体重构的声学微粒捕获及轨迹操控方法，其特征在于：所述步骤4中，表面微磁柱结构（5）的几何形貌包括半径、高度和阵列密度。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁流体重构的声学微粒捕获及轨迹操控方法，其特征在于：当向位于腔室（3）两侧的压电陶瓷片（7）输入具有相同频率以及相位的高频交流电信号时，腔室（3）内的微粒（6）将围绕表面微磁柱结构（5）做稳定的旋转运动，而通过调整高频交流电信号的频率以及设置相位差改变微粒（6）的旋转方向以及旋转速度。
5.根据权利要求1所述的一种基于磁流体重构的声学微粒捕获及轨迹操控方法，其特征在于：所述的压电陶瓷片（7）材料为锆钛酸铅系压电陶瓷。
6.根据权利要求1所述的一种基于磁流体重构的声学微粒捕获及轨迹操控方法，其特征在于：所述的微粒（6）材料为无电磁特性的有机聚合物或者生物细胞。
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