CN115551627A - 用于在微滴中产生流的方法和用于实现该方法的设备 - Google Patents

Abstract

本发明特别涉及一种用于在流体微滴(3)中产生扰动的方法，所述流体微滴(3)的体积优选大于几十纳升，所述方法使用致动器设备(1)，所述致动器设备(1)包括：具有在空气中至少100的品质因数Q的高次谐波体声学谐振器HBAR(5)，并包括基本平坦并涂覆有电介质材料层(4)的支撑件(2)。所述HBAR谐振器(5)与能够产生高频波的可调制电子设备(12)相关联。所述方法设想在所述支撑件(2)上沉积流体微滴(3)，通过控制可调制电子设备(12)以100MHz至4GHz的所选择的的频率产生正弦电信号(S)，并通过HBAR谐振器(5)将具有所选择的频率的正弦电信号(S)转变为高频声波(OA)。

Description

用于在微滴中产生流的方法和用于实现该方法的设备

本发明涉及在液滴尺度上操纵和处理流体的领域，例如在微流控领域中操纵、混合和/或制备样品。

本发明更特别地涉及一种方法，所述方法使得可以在流体产品的微滴中产生流动，即所述方法使得可以在微滴中产生运动，以混合(或更普遍地扰动)其中包含的颗粒。

“微滴”、“液滴”或“小体积”滴是指体积为一微升或几微升的流体的滴。

“流体”一词指的是液体、乳液或胶体溶液。

本发明可以使在微滴内部加强化学和生物化学反应和/或产生微混合。

本发明特别适用于操纵无限量的流体，特别是在生物技术领域的实验室中，例如用于新一代测序(NGS)。

待操纵的流体能够是纯物质或物质的混合物。待操纵的流体也能够是必须在化学分析、医疗技术和生物技术领域进行有针对性的后续处理的包含悬浮微粒子的流体。

使用传统的微电子机械系统(MEMS)技术的小型化系统的出现是医疗设备、传感器或其他微电子设备发展的重要一步。

例如，一些应用使得有必要将少量的流体(1微升或几微升的量级)混合在一起，或者移动、混合在采样产品的微滴中包含的颗粒。

目前已知的做法是在实验室设备(例如芯片实验室类型)的微通道中平行地自动产生和操纵液滴。在微液滴内进行生化反应也是已知的做法。这些技术已经激发了用于从分子诊断至有机合成等大量应用的多用途平台的发展。

在已知的设备中，液滴作为小型化的反应场所，其精确控制化学计量条件。

这种方法使得能够控制操纵小体积的反应混合物，并且能够分离或快速混合复杂样品的分子，便于分析。

在非常高的流速(频率为100kHz至几百MHz)下产生液滴的可能性促进了以前由于使用传统实验台技术能够进行的反应数量受到实际限制而不可能进行的实验。

然而，当操纵小体积流体时遇到的一个问题是如何有效地将不同的流体混合在一起：由于封闭，微滴中的流动基本上受微滴的粘性应力和表面张力的支配。因此，在微流控设备(100μL或更少)中，液滴的混合可能非常有限。

在某些情况下，为了便于分析，在不大幅稀释样品的情况下，需要将小体积的试剂添加到样品的液滴中。在这种情况下，由于样品液滴中的流动太弱，很难混合样品和试剂。

因此，需要可以产生令人满意的混合物(即不再可能区分样品和试剂产品的混合物)的技术。

DE 196 11 270公开了一种装置(微混合器)，所述装置包括微注射泵和多个入口通道(待混合或待处理的流体体微滴被引入多个入口通道中)，以及所述装置的出口开口，混合流体微滴通过该出口开口被喷射出来。

US 2002/0009015还公开了一种设备，所述设备包括微通道，每个微通道中都能够放置待处理的微滴。放置在微滴附近的换能器使得可以产生声波，从而促进在包含在微通道中的液滴中流体的运动。

这样的设备不可以控制液滴内部的流动。

美国专利申请20120028293也公开了一种用于混合少量流体的设备，所述流体以滴的形式放置在压电衬底上，在所述压电衬底上，交错梳状电极以几MHz的频率提供电源。

然而，这种设备具有两个局限性：所述设备的工作频率限制在100MHz以下，并且要求用压电衬底进行加工，必须使用昂贵的设备在所述压电衬底上制作金属电极。

美国专利申请20090206171也公开了一种用于浓缩、再悬浮和混合少量流体的设备，所述流体以滴的形式放置在压电衬底上，在所述压电衬底上，交错梳状电极以10至1000MHz的频率供电。

此外，这类文件中所描述的设备不令人满意，因为它们要么过于复杂，难以实现，要么不允许轻易地取回所处理的微滴。

本发明涉及一种克服上述缺点的方法，并为此涉及一种用于在流体微滴中产生扰动的方法，所述流体微滴的体积优选大于几十纳升，所述方法实现使用声波的致动设备，所述致动设备包括支撑件和谐振器，所述流体微滴在支撑件上沉积并从支撑件中去除，所述谐振器适于将施加在其终端的正弦波电信号转换为声波。

根据本发明，所述方法值得注意的是，所述致动设备的谐振器被实现为高次谐波体声学谐振器(HBAR)类型，所述HBAR具有在空气中至少100的品质因数Q并包含所述支撑件，所述支撑件基本上是平坦的，并涂覆有电介质材料层，所述谐振器与适于产生所述高频波的可调制电子设备相关联，并且所述方法包含以下步骤：

-在所述支撑件上沉积流体微滴，

-通过控制电子设备产生正弦波电信号，所述产生的正弦波电信号具有使用可调制电子设备所选择的频率，所述频率为100MHz至4GHz，

-使用所述谐振器将具有所述所选择的频率的正弦波信号转换为高频声波，所述高频波具有在微滴中产生给定扰动的自然谐振。

以这种方式进行，根据本发明所述的方法使得可以产生能够被选择的特定流。事实上，所述HBAR使用户能够从一组频率中选择频率，这与目前解决方案中实现的谐振器不同：因此，根据本发明所述的解决方案可以为正在处理的各种流体选择适当的流，因为每个频率都会产生特定的流。

此外，由于微滴与根据本发明所述的方法所实现的设备的支撑件只具有少量接触，因此可以相当容易地取回被处理的微滴：由于HBAR的表面处理层的存在，流体微滴与支撑件之间只有轻微的粘合，且微滴在处理后能够简单地被去除。

根据本发明所述的方法还能够包含单独或组合使用的以下特征：

-所述HBAR的品质因数Q优选在空气中约为至少1000，

-所述致动设备能够被封装在所述电介质材料层中，

-所述电介质材料层能够是疏水的：“疏水”是指材料排斥包含水的流体的特性，因为所述材料没有能力与水分子形成氢键。材料的疏水性相对于包含水的流体由特征接触角来限定。在疏水材料的表面接触点处，在所述材料材料表面与液滴表面的正切之间测量的角度大于90°(例如，用Kruss DSA100测角器测量)。

所述支撑件的疏水性使得在产生扰动后，通过毛细管作用可以很容易地取回流体微滴。

所述支撑件的疏水性也使得可以减少待处理的微滴与所述支撑件之间的接触面积，这限制了微滴在接收高频声波时的温度升高和蒸发。因此，待处理的微滴的支撑件的疏水性使根据本发明所述的方法的实现变得持久。

-所述电介质材料层能够包含聚对二甲苯，

-所述电介质材料层的厚度能够约为100nm至40μm、优选为2.5μm至10μm，

-在支撑件上沉积微滴之前，通过测量通过改变正弦波信号的频率得到的所述致动设备在空气中的品质因数Q并保留使得能够在空气中得到最高品质因数Q的频率，能够选择由可调制电子设备产生的正弦波电信号的频率，

-所选择的频率能够为400MHz至1GHz，

-所述微滴能够具有至少约为1μL的体积。

本发明还涉及一种用于实现上述方法的致动设备，所述致动设备包括支撑件和谐振器，所述流体微滴能够在支撑件上沉积并从支撑件中去除，所述谐振器适于将施加在其终端的正弦波电信号转换为声波，所述谐振器被设计为与适于产生所述高频波的可调制电子设备相关联。所述致动设备值得注意的是，所述谐振器属于高次谐波体声学谐振器(HBAR)类型并且具有在空气中至少100的品质因数Q，而且所述谐振器包含所述支撑件，所述支撑件基本平坦并涂覆有电介质材料层。

所述致动设备还能够包含单独或组合使用的以下特征：

-所述HBAR能够具有在空气中的优选至少约为1000的品质因数Q，

-所述设备能够被封装在所述电介质材料层中，

-所述电介质材料层能够是疏水的，

-所述电介质材料层能够包含聚对二甲苯，

-所述电介质材料层具有约为100nm至40μm、优选为2.5μm至10μm的厚度。

本发明将根据实施例更清楚地理解，该实施例现在将参照附图呈现，其中：

图1是根据本发明所述的设备的图解表示，使根据本发明所述的方法能够实现，

图2示出了根据本发明所述的设备的一部分，以透视图示出，因此示出根据本发明所述的设备的第一配置，

图3示出了图2中所示的设备的一部分，所示设备的一部分部分与以透视图示出的根据本发明所述的设备的另一部分相关联，因此示出根据本发明所述的设备的第二配置，

图4是示出使用根据本发明所述的方法在252MHz下得到的第一形式的扰动的示例的照片，

图5是示出使用根据本发明所述的方法在144MHz下得到的第二形式的扰动的示例的照片，

图6是示出使用根据本发明所述的方法在425MHz下得到的扰动形式的另一个示例的照片，

图7是示出反射系数S11(dB)随沉积在根据本发明所述的第二配置的致动设备的支撑件表面上的微滴的体积的变化的图表，所述支撑件被涂覆有聚对二甲苯层，

图8是示出当支撑件上没有微滴并且当10μL或60μL微滴位于所述设备的支撑件上时，根据本发明所述的第二配置的设备得到的品质因数在不同频率下的图表，和

图9是说明HBAR的反射系数S11和透射系数S12的测量值的双曲线图表，所述双曲线图表将具有聚对二甲苯RP和不具有聚对二甲苯R0作为频率的函数。

图1示出根据本发明所述的设备，所述设备能够实现根据本发明所述的方法。

首先，将参照图1和图2描述根据本发明所述的设备。

然后，将参考根据本发明所述的方法和参考图3至图8得到的结果。

图1示出可以在流体微滴中产生扰动的致动设备1。

在所描述的示例中，所述微滴的体积从10μL至60μL变化：因此该方法所适用的微滴的体积大于几十纳升。

所述致动设备使得可以通过产生声波在流体微滴中产生扰动。

所述致动设备1包含支撑件2，微滴3被所述支撑件2上沉积。

支撑件2基本上是平坦的，以便于用微吸管(微吸管未示出)沉积和去除微滴或与微流控系统共集成。事实上，在平坦的支撑件上沉积和取回微滴比在凹陷或具有侧壁的支撑件上沉积和取回微滴更容易。

所述支撑件2包含疏水电介质材料层4：这样，沉积在支撑件上的微滴没有在支撑件上面扩散，并在扰动后能够被去除。在所述微滴3和支撑件之间的接触也随之减少。

更具体地说，所述电介质材料层4包含聚对二甲苯(poly-para-xylylene)，更普遍被称作parylene。

聚对二甲苯是聚合物，在其前体蒸发和转化之后，使用真空沉积技术，以薄膜的形式沉积在支撑件上。

聚对二甲苯具有光学透明和电绝缘的优点。它还具有特定的特征，即它通过化学沉积的方式沉积并与MEMS制造技术兼容。

在此，聚对二甲苯被用于封装耦合模式HBAR类型的微电子系统，这可以使得所述微电子系统被绝缘和密封，并保护所述微电子系统免受霉菌和可能对其性能产生不利影响的其他自然降解。

聚对二甲苯还可以保护致动设备(将在下文中描述)包含的谐振器免受反应体积的影响，或者相反。最后，所述谐振器确保了声波的传输，所述声波是产生微滴中扰动(或流动)的源。

因此，所述设备还包含确保产生声波的谐振器5。

更具体地说，所述谐振器5是高次谐波体声学谐振器(HBAR)类型的谐振器：该谐振器能够将施加在其终端51和52的正弦波电信号S转换为声波OA。

图2中更详细地说明了HBAR5的部分。该图2说明了根据本发明所述的设备的第一配置。所述谐振器的这部分包含在空气中至少1000的品质因数的压电换能器，并且所述压电换能器由以下元件组成：

压电材料(石英、LiNBO3、GaAs、LiTaO3等)或非压电材料(例如：硅、蓝宝石、玻璃等)的第一层6，

压电材料(LiNBO3、ZnO、ALN等)的第二层7，

形成单层8的两个导电层，所述单层8形成夹在层6和层7之间的电极，

两个电极9和位于在第二层7上的地线(双端口)，

以及印刷电路板(PCB)10。

所述电极9通过导电连接部11(或连接器)连接到所述印刷电路板(PCB)10。

位于PCB的顶部上的HBAR 5的所有元件约为2mm宽并且约为2mm长。

形成在其上能够放置流体微滴的支撑件2的有效面积相当于1mm²。它也能够更小。

所述有效面积的尺寸能够作为液体和/或微流控系统的体积的函数来确定。

所述电极的尺寸被确定使得适于50欧姆的电阻抗，且所述尺寸也取决于频带。

需要注意的是，所述电极面积越大，品质因数损失的风险就越大。

所述品质因数取决于表面状况和表面平行度。

然而，工作面积能够作为微滴的体积的函数来调整。

根据第一实施例，如图2所示，所述电极和地线通过导电连接部11连接到印刷电路板(PCB)10。根据本发明所述的设备的这一实施例使得可以使用一个端口(反射测量)和/或两个端口(传输测量)来操作。然后将微滴沉积在铝电极上(形成支撑件2)。

根据本发明所述的另一个设备的实施例，如图3所示，使得可以使用一个和/或两个端口操作：根据这一实施例，HBAR5的部分被翻转过来，以便(使用导电球53)固定在PCB10上，所述PCB具有两个端口54和55。

因此，该实施例使得可以使用一个和/或两个端口操作，这使得可以特别进行反射和/或传输测量。

更具体地说，所述端口54(或端口55)可以确定所述谐振器的反射系数，而所述端口54和55可以确定谐振器的传输系数。

具有这种类型的设备，位于压电层和衬底之间的电极8既能够在参考电位下使用，也可以在浮动电位下保持。

这种类型的设备的生产无疑更复杂(因为它需要额外的步骤)，但所述设备可以将品质因数增加十倍。

在这个实施例的第一配置的框架内，微滴被放置在由压电层7和疏水电介质材料层4构成的部分上。

在图3所示的第二配置的框架内，微滴被放置在由涂覆有电介质层4(疏水材料)的石英6构成的部分上，即在图3说明的组件的上部的顶部上。

实现两种配置的优点是，不管液体性质如何(例如：具有低和/或高电介质常数的液体)，都可以操作液体。

实现HBAR的优点是，可以在为100MHz至4GHz的几个频率内转换波，而不像只能在单一频率下工作的其他形式的换能器。

换句话说，通过使用HBAR5，可以选择接收到的波的频率并转换成声波，以便在微滴中产生扰动，其中，这种选择在其他换能器中是不可能的。

这种在高频率下操作的能力使声能得到最优的耗散。事实上，根据R.T.Beyer,Nonlinear Acoustics(Acoustical Society of America,New York,1997)，在纯水中产生的声波的耗散长度在100MHz时为4mm，在1GHz时为40微米。因此，在所述HBAR设备的频率范围内，这一衰减长度与水滴的常规尺寸相同或更小，使波和流体之间的能量传输最佳。

如上所述，声波通过HBAR从通过可调制电子设备12传输到它的高频波发射。

传输设备在图1中被象征性地示出在所述设备的下部。

尽管在图2中没有示出(为了使图清晰)，但谐振器5完全被涂覆在聚对二甲苯层中，所述聚对二甲苯层的厚度能够为100nm至15μm。

优选地，聚对二甲苯层4的厚度为2.5μm至10μm。

所述聚对二甲苯层的厚度影响根据本发明所述的设备的品质因数值：因此品质因数是根据根据本发明生产的设备的预期性能确定的。

图9比较了在HBAR 5上是否存在聚对二甲苯层对HBAR的反射系数S11和传输系数S12的影响。

线R0用不具有聚对二甲苯层的HBAR 5得到，而线RP用具有聚对二甲苯涂覆的HBAR5得到。

在非常宽的频带内测量了多个谐振，这对应于HBAR5为100KHz至900MHz的频率范围内测量的反射和传输系数的值。

聚对二甲苯涂覆的HBAR 5(RP)的电信号比非聚对二甲苯涂覆的(R0)要弱。

根据本发明，可以看到以这种方式设计并涂覆有聚对二甲苯层的谐振器5具有在空气中至少500的品质因数(参见图8)：图中标有“0”的点表示在应用的频率范围为490至550MHz时，品质因数至少为1200。

优选地，所述HBAR具有在空气中为2000的品质因数。

因此，参照图8中的图表，所述聚对二甲苯涂覆的HBAR优选为510至540MHz的频率下实现(见用于标有“0”-谐振器的谐振器在空气中的品质因数超过2500，所述谐振器的品质因数是在支撑件上没有微滴的情况下测试的)。

根据本发明，现在将参考用于实现上述设备的方法。

正如已经解释的，所述方法的目的是在微滴中产生扰动，以确保微滴中的颗粒在不接触或不对微滴施加压力的情况下进行混合。

首先，应该确定为了产生扰动而选择的正弦波信号的频率。

为此，将被产生扰动的微滴的尺寸可能很重要：事实上，所述HBAR5的品质因数也根据所述微滴的尺寸而改变。

图7示出了与体积约为10μL的微滴M2相比不同，体积约为60μL的微滴M1使HBAR5的品质因数发生了变化。所述标签0表示测量时没有使用微滴。

因此，对于所述设备的实现，在用微滴实现之前，通过调制(改变)由可调制电子设备发送到HBAR5的高频波，在不同的频率下测试所述设备。在这些不同的频率下得到的品质因数被平行测量。

为实现该设备而保留(或选择)的频率是可以得到最佳品质因数(即最高品质因数)的频率。

用微吸管在支撑件2上沉积流体微滴。

因此，例如，流体微滴的体积对于M2为10μL，对于M1为60μL。

然后，控制可调制电子设备，使得所述可调制电子设备以所选择的频率产生正弦波电信号。

这个信号被传输到HBAR5，所述HBAR5将其转换为高频声波。然后，所述高频声波具有能够在微滴中产生扰动的谐振。

图4是在频率为252MHz(5dBm)时在60μL的微滴3中得到的扰动的照片：可以注意到，在微滴中，谐振导致不同形式的两个扰动面积13和14，大约在微滴3的中心。

通过使用可调制电子设备12改变所选择的频率，能够得到不同形式的扰动。

例如，图5是示出在60μL的微滴3中另一种形式的扰动的照片，所述照片通过将由电子设备12发射的所选择的频率改变到144MHz(5dBm)而得到：大约从微滴的中间平面向微滴3的内边缘开始，形成两个漩涡式扰动的示例15和16。

图6中的照片示出另一种形式的扰动：它在425MHz(5dBm)的频率下得到。在此，在整个60μL的微滴3中，已经形成了旋动的颗粒的大量螺纹17。

从上面的描述中可以理解，根据本发明所述的设备及其根据本发明所述的根据本方法的实现，使得可以在流体微滴中产生和组合几种类型的扰动，而无需一起操纵微滴。

然而，应该理解，下面给出的例子并不限制本发明：特别地，所述设备能够用不同体积的微滴实现，并且所述方法能够在与图中所示的频率范围不同的频率范围实现。

根据本发明所述的这种设备能够使流体与一种或更多种试剂进行最优混合，而不需要使用与液体的环境接触的外部混合器。此外，本发明促进了良好的导热性(使用石英/硅衬底)、低注入功率(约1mW至1W)和混合系统中最小化的温度梯度。

需要注意的是，所述设备能够以使其不是很笨重的尺寸生产：而已知的SAW类型的谐振器(工作频率为434MHz)能够在石英衬底上生产，占据约为6至10mm²的面积，根据本发明所述的设备的HBAR5在相同频率下只需要该面积的十分之一。

最后，如果观察到HBAR的品质因数较低，则可能增加信号的功率。然而，在这种实现情况下，存在温度上升(由功率增加引起)的风险，这会导致微滴随着时间蒸发。

Claims (15)

1.一种用于在流体微滴(3)中产生扰动的方法，所述流体微滴(3)的体积优选大于几十纳升，所述方法实现使用声波的致动设备(1)，所述致动设备(1)包括支撑件(2)和谐振器，所述流体微滴(3)在支撑件(2)上沉积并从所述支撑件(2)中去除，所述谐振器适于将施加在其终端的正弦波电信号转换成声波，所述方法的特征在于，

所述致动设备(1)的谐振器被实现为高次谐波体声学谐振器(HBAR)类型(5)，所述HBAR(5)具有在空气中至少100的品质因数Q并包含所述支撑件(2)，所述支撑件(2)基本平坦并涂覆有电介质材料层(4)，

所述HBAR(5)与适于产生高频波的可调制电子设备(12)相关联，

并且所述方法包含以下步骤：

-在所述支撑件(2)上沉积流体微滴(3)，

-通过控制可调制电子设备(12)产生正弦波电信号(S)，所述产生的正弦波电信号(S)具有使用可调制电子设备所选择的频率，所述频率为100MHz至4GHz，

-使用所述HBAR(5)将具有所述所选择的频率的正弦波电信号(S)转换为高频声波(OA)，所述高频声波(OA)具有在流体微滴(3)中产生给定扰动的自然谐振。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述HBAR(5)的品质因数Q在空气中约为至少1000。

3.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，所述致动设备(1)被封装在所述电介质材料层(4)中。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述电介质材料层(4)是疏水的。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电介质材料层(4)包含聚对二甲苯。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述电介质材料层(4)具有约为100nm至40μm、优选为2.5μm至10μm的厚度。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在支撑件(2)上沉积流体微滴(3)之前，通过测量通过改变正弦波电信号(S)的频率得到的所述致动设备(1)在空气中的品质因数Q并保留能够在空气中得到最高品质因数Q的频率，来选择由可调制电子设备(12)产生的正弦波电信号的频率。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述所选择的频率为400MHz至1GH。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述流体微滴(3)具有至少1μL的体积。

10.一种使用声波的致动设备(1)，用于实现根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述致动设备(1)包括支撑件(2)和谐振器，所述流体微滴(3)能够在支撑件(2)上沉积并从所述支撑件(2)中去除，所述谐振器适于将施加在其终端的正弦波电信号(S)转换为声波(OA)，所述谐振器被设计为与适于产生高频波的可调制电子设备(12)相关联，其特征在于，所述谐振器是高次谐波体声学谐振器(HBAR)类型(5)并且具有在空气中至少100的品质因数Q，并且所述HBAR(5)包含所述支撑件(2)，所述支撑件(2)基本平坦并涂覆有电介质材料层(4)。

11.根据权利要求10所述的致动设备，其特征在于，所述HBAR(5)具有在空气中约为1000的品质因数Q。

12.根据权利要求10或11所述的致动设备，其特征在于，所述致动设备(1)被封装在所述电介质材料层(4)中。

13.根据权利要求10、11或12所述的设备，其特征在于，所述电介质材料层(4)是疏水的。

14.根据权利要求10、11或12所述的设备，其特征在于，所述电介质材料层(4)包含聚对二甲苯。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的设备，其特征在于，所述电介质材料层(4)具有约为100nm至40μm、优选为2.5μm至10μm的厚度。

Images