CN114535091B

CN114535091B - 基于声人工结构的微粒分选方法

Info

Publication number: CN114535091B
Application number: CN202111536086.6A
Authority: CN
Inventors: 郑海荣; 黄来鑫; 李飞; 蔡飞燕; 孟龙; 牛丽丽; 周伟; 林争荣
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date: 2021-12-15
Filing date: 2021-12-15
Publication date: 2022-11-29
Anticipated expiration: 2041-12-15
Also published as: CN114535091A

Abstract

本申请公开了一种基于声人工结构的微粒分选方法、装置、设备及其存储介质，该方法包括：通过超声激励使得声人工结构发生共振；将待分离样品注入到流动室，利用共振强局域声场产生的声辐射力将辐射力大于阈值的待分离样品粒子捕获至声人工结构；收集从流动室中的流出的粒子，该粒子的辐射力小于阈值。本申请提供的上述方案，无需使用鞘流或其它方式聚焦样品，因此通道可以更宽，处理通量更高；相对于表面波器件，本方案使用的器件制作成本低。人工结构可以自由更换，灵活方便。

Description

基于声人工结构的微粒分选方法

技术领域

本发明涉及声操控、微流体技术领域，具体涉及一种基于声人工结构的微粒分选方法、装置、设备及其存储介质。

背景技术

从混合样品中分离特定颗粒或细胞对于许多研究是重要的，包括生物医学研究，化学分析和水处理等。微流控分选技术经过一定时间的发展，已经成为一种主流的解决方案。其显著优点是能够将声、电、磁、光和力等技术与微流体集成，具备高精度、小型化和易操控等特点。这些方法都依赖于物理场对粒子的力的作用，在流动情况下，不同粒子受到的力不同，产生了不同的运动轨迹，从而达到分离的目的。相比于其他物理场，声分选具备无接触，无标记和高度生物相容性的优点。声场中的微粒对会对声波产生散射效应，导致声传播介质与微粒产生动量交换，产生一种时间平均不为零的稳态力，称为声辐射力。声辐射力受到粒子尺寸、密度和压缩性等参数的影响，因此不同粒子受到的声辐射力通常是不同的，这为声分选提供了基础。现有的声分选主要包括体波分选和表面波分选。

体波通常依靠在矩形通道一侧贴上压电换能器，通过对侧壁面反射形成在腔内传播的驻波场。现有的体波分选装置，在矩形腔的底部贴上压电陶瓷片，因此竖直方向上形成驻波场，会给予粒子竖直方向的力。缓冲液从顶部进入，使腔内充满液体，待分离样品从矩形腔的底部流入，在声辐射力的作用下粒子的轨迹在竖直方向上产生差异，分别在不同的高度的出样口流出，达到分选的目的。由于是在垂直方向上分选，腔的宽度可以做的较大，因此具有高通量的特点。但由于体波涉及到整个腔体内部介质的振动，因此为了产生足够强的辐射力，往往需要较高的能量，这是体波的缺陷所在。

表面波器件主要由压电晶体和覆盖在晶体表面的金属叉指电极构成。当给电极施加交流电信号时，压电晶体会产生振动，形成在表面传播的声波。现有的方案中依赖表面波进行分选的芯片，使用了两对叉指电极，在叉指电极之间形成了驻波表面波，细长主通道扣置晶体表面，放置在在电极之间，摆放方向与表面波传输方向垂直。待分离样品从主通道入口流入，两侧汇入鞘流使样品汇集在中心线，流过表面波区域时，不同粒子轨迹发生偏移，流入不同通道完成分选。这种方法精度较高也便于观察，但由于是水平方向分选且需要鞘流聚焦，通道不能太高也不能太宽，因此在通量上存在限制。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种基于声人工结构的微粒分选方法、装置、设备及其存储介质。

第一方面，本申请实施例提供了一种基于声人工结构的微粒分选方法，该方法包括：通过超声激励使得声人工结构发生共振；将待分离样品注入到流动室，利用共振强局域声场产生的声辐射力将辐射力大于阈值的待分离样品粒子捕获至声人工结构；收集从流动室中的流出的粒子，该粒子的辐射力小于阈值。

在其中一个实施例中，所述通过超声激励声人工结构发生共振，包括：通过信号发生器、功率放大器以及超声换能器产生声波；利用产生的声波激发声人工结构发生共振声场。

在其中一个实施例中，所述利用共振强局域声场产生的声辐射力将辐射力大于阈值的待分离样品粒子捕获至声人工结构，包括：利用入射流对颗粒的拖拽力、人工结构声场对颗粒的声辐射力以及人工结构声场的声流对颗粒的拖拽力对待分离样品粒子进行分离；将辐射力大于阈值的待分离样品粒子捕获至声人工结构。

在其中一个实施例中，所述流动室的顶盖为透明吸声材料。

第二方面，本申请实施例还提供了一种基于声人工结构的微粒分选装置，该装置包括：共振单元，用于通过超声激励使得声人工结构发生共振；分离单元，用于将待分离样品注入到流动室，利用共振强局域声场产生的声辐射力将辐射力大于阈值的待分离样品粒子捕获至声人工结构；收集单元，用于收集从流动室中的流出的粒子，该粒子的辐射力小于阈值。

在其中一个实施例中，所述流动室的顶盖为透明吸声材料。

第三方面，本申请实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如本申请实施例描述中任一所述的方法。

第四方面，本申请实施例还提供了一种计算机设备一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序用于：所述计算机程序被处理器执行时实现如本申请实施例描述中任一所述的方法。

本发明的有益效果：

本发明提供的基于声人工结构的微粒分选方法，无需使用鞘流或其它方式聚焦样品，因此通道可以更宽，处理通量更高；相对于表面波器件，本方案使用的器件制作成本低。人工结构可以自由更换，灵活方便。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出了本申请实施例提供的基于声人工结构的微粒分选方法的流程示意图；

图2示出了根据本申请一个实施例的基于声人工结构的微粒分选装置200的示例性结构框图；

图3示出了适于用来实现本申请实施例的终端设备的计算机系统的结构示意图；

图4示出了本申请实施例提供的分选系统示意图；

图5示出了本申请实施例提供的分选流程示意图；

图6示出了本申请实施例提供的人工结构的透射谱示意图；

图7为大肠杆菌受到的声辐射力分布示意图；

图8为大小不同的粒子的运动轨迹示意图；

图9为不同流速下粒子A和粒子B的捕获效率与入射声压的关系示意图；

图10为级联式分选示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

请参考图1，图1示出了本申请实施例提供的基于声人工结构的微粒分选方法的流程示意图。

如图1所示，该方法包括：

步骤110，通过超声激励使得声人工结构发生共振；

步骤120，将待分离样品注入到流动室，利用共振强局域声场产生的声辐射力将辐射力大于阈值的待分离样品粒子捕获至声人工结构；

步骤130，收集从流动室中的流出的粒子，该粒子的辐射力小于阈值。

采用上述技术方案，无需使用鞘流或其它方式聚焦样品，因此通道可以更宽，处理通量更高；相对于表面波器件，本方案使用的器件制作成本低。人工结构可以自由更换，灵活方便。

在一些实施例中，本申请中的通过超声激励声人工结构发生共振，包括：通过信号发生器、功率放大器以及超声换能器产生声波；利用产生的声波激发声人工结构发生共振声场。

在一些实施例中，本申请中的利用共振强局域声场产生的声辐射力将辐射力大于阈值的待分离样品粒子捕获至声人工结构，包括：利用入射流对颗粒的拖拽力、人工结构声场对颗粒的声辐射力以及人工结构声场的声流对颗粒的拖拽力对待分离样品粒子进行分离；将辐射力大于阈值的待分离样品粒子捕获至声人工结构。

在一些实施例中，本申请中的流动室的顶盖为透明吸声材料。

综上所述，参考图4，图4为本发明的分选系统，包括超声激励模块、样品递送与收集模块和分选模块。超声激励模块包括信号发生器、功率放大器和超声换能器，换能器产生的声波用来激发声人工结构产生共振声场；样品递送与收集模块包括注射泵和收集装置，注射泵和流动室、收集装置之间用软管连接，注射泵向流动室注入样品后，经过声辐射力的作用，分离后的样品一部分留在声人工结构的表面，一部分进入收集装置；分选模块包括声人工结构和流动室，是分选发生的区域，过程如图5所示。

图5为分选过程的示意图，声人工结构中的t为板厚，a为结构的周期，w为栅格的宽度，h为栅格的高度。材料为不锈钢，参数为t＝50μm，h＝50μm，w＝50μm，a＝300μm。图6为上述尺寸人工结构的透射谱，其共振频率为4MHz。

由于以前的研究主要是在无入射流条件下，在微腔或者水槽内的静止流体环境中，仅利用声人工结构产生的声辐射力实现对颗粒的捕获、分选、输运等操控。本专利中采用的流动室，有出口和入口，入射流从入口由微流体泵泵入，并从出口流出。通过综合考虑入射流对颗粒的拖拽力，人工结构声场对颗粒的声辐射力和人工结构声场的声流对颗粒的拖拽力的合力作用，调控三种作用力的相对大小，从而实现对不同大小颗粒的高通量分选。另外，本专利中的流动室的顶盖为透明吸声材料如PDMS，可以有效吸收入射波，防止边界反射对人工结构声场的影响。

使用数值方法计算了粒子在流动室内受到的入射流和声流叠加后的流场产生的流动曳力和声辐射力，忽略了重力和浮力。首先计算了水中的一阶声场。声场的控制方程为

其中ρ₀和ρ₁为水的密度和一阶摄动量，p₁和u₁分别为一阶声压和速度，η和μ为水的体积粘度和剪切粘度。k_th为水的热传导系数，T为温度。

本文计算的声人工结构的共振频率为f＝4Mhz，水中的波长为

其中c₀为水的声速设为1500m/s。分选的粒子直径通常远远小于该波长，对声场的散射作用很小，因此我们使用了Gorkov的理论计算了半径为r的粒子在声场中受到的声辐射力F_R

其中ω＝2πf为波的角频率。<·>为时间平均算子。ρ_p和c_p为粒子的密度和纵波波速。半径为r＝1.15μm，ρ_p＝1160kg/m^3，c_p＝1600m/s的大肠杆菌受到的声辐射力分布如图7所示。从公式可以看出，半径较大的粒子所受辐射力较大。

由于流速很低，腔室的尺寸很小，雷诺数很小，所以使用如下方程计算腔道内的流动，不可压缩假设下，忽略惯性项后的控制方程为

其中，u_f为流场速度，p为流场压力，F为体积力。入口和出口均设为充分发展的速度边界条件，速度大小设为u₀，上壁面设为无滑移边界。

声场会进一步引发液体的稳态流动，称为声流。对于尺寸较小的粒子，已有多项工作表明声流而非辐射力会主导粒子的运动。为了考虑这种影响，本文由一阶声场计算了二阶的声流效应，在流场中添加了体积力项

在流场中，球形粒子受到的流动曳力F_D为

F_D＝6πμr(u_f-u_p)

其中u_p为粒子运动速度。粒子的运动由牛顿第二定律描述

其中m_p为粒子的质量。

图8为u₀＝5mm/s，p₀＝50kPa条件下半径为1.15μm和5.75μm的两种粒子在流动室内的运动轨迹，所有粒子均匀地从左侧入口进入。可以看出大的粒子全部被捕获，而小的粒子大部分流出了通道，只有少量被捕获。因此从原理上来说分选是可行的。

定义e₁和e₂分别为流出的粒子中小粒子所占的比例和捕获至声人工结构表面的粒子中大粒子所占的比例。最理想的情况是e₁和e₂均为1，此时达到完全的分离，但由于层流的影响，不同粒子的初始速度和位置都不同，这是难以达到的。进一步计算了不同流速和不同入射电压下的分选效率，研究了流速和入射声压对效率的影响，结果如图9所示。可以看出，随着入射声压的增加，大粒子被捕获的数量逐渐增加，当全部被捕获时，e1达到了1，在u0＝5mm/s和u0＝10mm/s的条件下，此时e2接近于0.8，分选的效果较好。

另外，将具有不同共振频率的声子晶体板组合，可以对多种粒子进行级联式分选，如图10所示。此器件也可以用来分选细胞和微泡或者含泡细菌，原理是两者的声学对比因子差距较大，所受辐射力差距很大。

进一步地，参考图2，图2示出了根据本申请一个实施例的基于声人工结构的微粒分选装置200的示例性结构框图。

如图2所示，该装置包括：

共振单元210，用于通过超声激励使得声人工结构发生共振；

分离单元220，用于将待分离样品注入到流动室，利用共振强局域声场产生的声辐射力将辐射力大于阈值的待分离样品粒子捕获至声人工结构；

收集单元230，用于收集从流动室中的流出的粒子，该粒子的辐射力小于阈值。

应当理解，装置200中记载的诸单元或模块与参考图1描述的方法中的各个步骤相对应。由此，上文针对方法描述的操作和特征同样适用于装置200及其中包含的单元，在此不再赘述。装置200可以预先实现在电子设备的浏览器或其他安全应用中，也可以通过下载等方式而加载到电子设备的浏览器或其安全应用中。装置200中的相应单元可以与电子设备中的单元相互配合以实现本申请实施例的方案。

下面参考图3，其示出了适于用来实现本申请实施例的终端设备或服务器的计算机系统300的结构示意图。

如图3所示，计算机系统300包括中央处理单元(CPU)301，其可以根据存储在只读存储器(ROM)302中的程序或者从存储部分308加载到随机访问存储器(RAM)303中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 303中，还存储有系统300操作所需的各种程序和数据。CPU 301、ROM 302以及RAM 303通过总线304彼此相连。输入/输出(I/O)接口305也连接至总线304。

以下部件连接至I/O接口305：包括键盘、鼠标等的输入部分306；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分307；包括硬盘等的存储部分308；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分309。通信部分309经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器310也根据需要连接至I/O接口305。可拆卸介质311，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器310上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分308。

特别地，根据本公开的实施例，上文参考图1描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种基于声人工结构的微粒分选方法，其包括有形地包含在机器可读介质上的计算机程序，所述计算机程序包含用于执行图1的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分309从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质311被安装。

附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，前述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

描述于本申请实施例中所涉及到的单元或模块可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。所描述的单元或模块也可以设置在处理器中，例如，可以描述为：一种处理器包括第一子区域生成单元、第二子区域生成单元以及显示区域生成单元。其中，这些单元或模块的名称在某种情况下并不构成对该单元或模块本身的限定，例如，显示区域生成单元还可以被描述为“用于根据第一子区域和第二子区域生成文本的显示区域的单元”。

作为另一方面，本申请还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是上述实施例中前述装置中所包含的计算机可读存储介质；也可以是单独存在，未装配入设备中的计算机可读存储介质。计算机可读存储介质存储有一个或者一个以上程序，前述程序被一个或者一个以上的处理器用来执行描述于本申请的应用于透明窗口信封的文本生成方法。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离前述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims

1.一种基于声人工结构的微粒分选方法，其特征在于，该方法包括：

通过超声激励使得声人工结构发生共振；

将待分离样品注入到流动室，利用共振强局域声场产生的声辐射力将辐射力大于阈值的待分离样品粒子捕获至声人工结构；

收集从流动室中的流出的粒子，该粒子的辐射力小于阈值;

所述通过超声激励声人工结构发生共振，包括：

通过信号发生器、功率放大器以及超声换能器产生声波；

利用产生的声波激发声人工结构发生共振声场；

所述利用共振强局域声场产生的声辐射力将辐射力大于阈值的待分离样品粒子捕获至声人工结构，包括：

利用入射流对颗粒的拖拽力、人工结构声场对颗粒的声辐射力以及人工结构声场的声流对颗粒的拖拽力对待分离样品粒子进行分离；

将辐射力大于阈值的待分离样品粒子捕获至声人工结构。

2.根据权利要求1所述的基于声人工结构的微粒分选方法，其特征在于，所述流动室的顶盖为透明吸声材料。

3.一种基于声人工结构的微粒分选方法的装置，采用如权利要求1所述的方法进行微粒分选，其特征在于，该装置包括：

共振单元，用于通过超声激励使得声人工结构发生共振；

分离单元，用于将待分离样品注入到流动室，利用共振强局域声场产生的声辐射力将辐射力大于阈值的待分离样品粒子捕获至声人工结构；

收集单元，用于收集从流动室中的流出的粒子，该粒子的辐射力小于阈值。

4.根据权利要求3所述的基于声人工结构的微粒分选装置，其特征在于，所述通过超声激励声人工结构发生共振，包括：

通过信号发生器、功率放大器以及超声换能器产生声波；

利用产生的声波激发声人工结构发生共振声场。

5.根据权利要求4所述的基于声人工结构的微粒分选装置，其特征在于，所述利用共振强局域声场产生的声辐射力将辐射力大于阈值的待分离样品粒子捕获至声人工结构，包括：

将辐射力大于阈值的待分离样品粒子捕获至声人工结构。

6.根据权利要求5所述的基于声人工结构的微粒分选装置，其特征在于，所述流动室的顶盖为透明吸声材料。

7.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1－2中任一所述的方法。

8. 一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序用于：所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1－2中任一所述的方法。