CN116064234A - 一种基于多级声表面驻波的多粒径细胞分选装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多级声表面驻波的多粒径细胞分选装置及方法；该多粒径细胞分选装置，包括驻波生成单元和微流控管道单元。驻波生成单元包括衬底和叉指换能器；叉指换能器包括n个电极连接区和n‑1个叉指电极对；n≥3；n个电极连接区沿着分选区域的长度方向依次排列。任意两个相邻的电极连接区之间均设置有一个叉指电极对。叉指电极对中的两组叉指电极与对应的两个电极连接区分别电连接。n个叉指电极对的波长均不相同。本发明首先利用多级电极导致压电衬底表面震动发生形变产生声表面波，多级声波传播被耦合到液体中，可以准确地操纵液体和颗粒，形成对多种粒子的有效分选。

Description

一种基于多级声表面驻波的多粒径细胞分选装置及方法
技术领域
本发明属于MEMS器件技术领域，具体涉及一种基于多级声表面驻波的多粒径细胞分选装置。
背景技术
芯片实验室技术的快速发展，促使人们对微流体学的兴趣重新燃起。能够精确控制浸没在微型芯片实验室系统中的流体和颗粒是研究微流体学的关键要求之一。通过利用不同的方式将微流体系统对粒子进行操纵，对于操控的方式也多种多样，可用声学、电学、流体力学、光学等。基于表面声波(SAW)的颗粒分选方法由于其无标签和良好的生物相容性优势，已经显示出相当大的应用潜力，成为产业界和学术界的研究热门。
一般来说，基于声学流体的颗粒分离技术结合了声学流和声学辐射力(ARF)来不断地操纵各种尺寸范围的颗粒。以铌酸锂为衬底，在其表面上光刻一对叉指电极。叉指电极被施加上射频信号，铌酸锂的表面会产生表面声波(SAW)。SAW由行波和驻波(SSAW)两部分组成。通过衬底表面的振动，声能被耦合到液体中，可以准确地操纵液体和颗粒。SAW在微流体系统中的具有优势，因为它可以在更高的频率下工作，需要声反射最小的材料，并且需要更少的功率来提供相同的声学影响。微流控设备对于样品的制备越来越重要，它们对分离技术的操纵也得到了广泛的研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多级表面声波驻波对多粒径细胞分选的制备方法。
一种基于多级声表面驻波的多粒径细胞分选装置，包括驻波生成单元和微流控管道单元。驻波生成单元包括衬底和叉指换能器；两个叉指换能器对称设置在衬底上。两个叉指换能器之间形成分选区域。微流控管道单元包括管道基座。管道基座设置在衬底上，且位于两个叉指换能器之间。管道基座上开设有流通管道；流通管道相对于叉指换能器的分选区域分选区域倾斜设置。
所述的叉指换能器包括n个电极连接区和n-1个叉指电极对；n≥3；n个电极连接区沿着分选区域的长度方向依次排列。任意两个相邻的电极连接区之间均设置有一个叉指电极对。叉指电极对中的两组叉指电极与对应的两个电极连接区分别电连接。n个叉指电极对的波长均不相同。所述的流通管道具有三个输入口和n个输出口。工作过程中，位于中间的输入口输入混合液；位于两侧的输入口输入鞘流；n个输出口分别输出不同粒径的被分选物。
作为优选，n个电极连接区依次交替连接地线和信号源；工作过程中，连接信号源且同时连接相邻两个叉指电极对的电极连接区输入RF耦合信号；RF耦合信号由两个正弦波信号叠加得到；该两个正弦波信号的频率分别在对应的两个叉指电极对的工作带宽范围内。
作为优选，沿着流通管道的液体流动方向，n个叉指电极对的波长依次增大。
作为优选，流通管道的长度方向与叉指换能器的分选区域的长度方向的夹角为5°。
作为优选，流通管道的三个输入口在连接流通管道的汇入点的宽度相等。
作为优选，在流通管道连接各输出口的分水岭处，用于输出粒径最小的被分选物的输出口的宽度大于其他输出口的宽度。
作为优选，叉指电极对数量n＝3；所述第一叉指电极对的波长为200μm；所述第二叉指电极对的波长为280μm。
作为优选，所述的流通管道的材质为PDMS；微流管道的高度为100μm，宽度为800μm。
作为优选，所述的驻波生成单元的制备过程如下：
步骤一、清洗并烘干衬底。
步骤二、在衬底上旋涂光刻胶并进行前烘。
步骤三、对覆有掩模版衬底进行紫外光曝光后显影。
步骤四、通过电子束蒸发在衬底上生长一层金膜。
步骤五、将衬底在丙酮溶液中浸泡后超声清洗。
该基于多级声表面驻波的多粒径细胞分选装置的分选方法如下：
步骤一、向叉指换能器中输入RF信号，使得每个叉指电极对均接收到在自身工作带宽内的正弦波信号。
步骤二、向位于中间的输入口输入混合液；向位于两侧的输入口输入鞘流；在混合液体经过叉指换能器中各个叉指电极对的过程中，被分选物按照粒径从大到小的顺序依次从混合流体中脱离；最终，不同粒径的被分选物从不同的输出口输出。
本发明的有益效果为：
1、本发明首先利用多级电极导致压电衬底表面震动发生形变产生声表面波，多级声波传播被耦合到液体中，可以准确地操纵液体和颗粒，形成对三种以上不同粒子的有效分选。这种多级分选方法的形成不同于传统微流控分选器件的结构，打破了传统的单级分选的方式，实现了三种以上不同粒径的被分选物的一次性分选。
2、本发明的结构紧凑，且能够快速、准确地分离样品中的分子，节省时间和费用；因此，本发明在降低生产成本的同时能够提升器件的分选效率。
附图说明
图1为本发明提供的多粒径细胞分选装置的整体结构示意图。
图2为本发明中叉指换能器的结构示意图。
图3为本发明中微流管道的剖面示意图。
图4为本发明中驻波生成单元的制备工艺流程示意图。
图5为本发明提供的多粒径细胞分选装置的调制信号图。
图6为本发明提供的多粒径细胞分选装置的驻波图。
图7为本发明提供的多粒径细胞分选装置的声压图。
图8为现有的单级声表面驻波分选结构在Comsol仿真下的混合粒子分离轨迹示意图。
图9为本发明提供的多粒径细胞分选装置的在Comsol仿真下的混合粒子分离轨迹示意图。
图10为本发明与现有的单级声表面驻波分选结构的被分选颗粒的横向位移总结对比图。
其中：1-衬底；2-叉指换能器；3-管道基座；4-第一收集出口；5-第二收集出口；6-第三收集出口；7-第一鞘流入口；8-混合样本入口；9-第二鞘流入口；10-微流管道；11-第一叉指电极对；12-第二叉指电极对。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步说明。
如图1所示，一种基于多级声表面驻波的多粒径细胞分选装置，包括驻波生成单元和微流控管道单元。驻波生成单元包括衬底1和叉指换能器2；微流控管道单元包括鞘流模块、收集模块和管道基座3。驻波生成单元与微流控管道单元通过叠加的方式组装在一起。微流控管道单元设置在驻波生成单元的上方。
管道基座3的材质为PDMS；管道基座3安装在衬底1上，且位于两个叉指换能器2之间。管道基座3上开设有流通管道10；流通管道10相对于叉指换能器倾斜设置；流通管道与叉指换能器的分选区域的长度方向的夹角为5°，并通过标记装置进行对准矫正；由此形成多级声表面驻波分选器件。
两个叉指换能器2对称布置。两个叉指换能器2之间形成分选区域。叉指换能器2包括第一电极连接区(即PAD区域)、第二电极连接区、第三电极连接区、第一叉指电极对11和第二叉指电极对12。第一电极连接区、第二电极连接区、第三电极连接区依次间隔排列。第一叉指电极对11设置在第一电极连接区与第二电极连接区之间。第二叉指电极对12设置在第一电极连接区与第二电极连接区之间。第一叉指电极对11中的两组叉指电极与第一电极连接区、第二电极连接区分别电连接。第二叉指电极对12中的两组叉指电极与第二电极连接区、第三电极连接区分别电连接。
第一叉指电极对11的波长小于第二叉指电极对12的波长。流通管道的宽度大于第一叉指电极对11与第二叉指电极对12的波长之和。本实施例中，第一叉指电极对11的波长为200μm；第二叉指电极对12的波长为280μm；微流管道10的高度为100μm，宽度为800μm。
流通管道10的材质为PDMS，采用三输入三输出结构。流通管道10的三个输入口分别为第一鞘流入口7、混合样本入口8和第二鞘流入口9。混合样本入口8设置在第一鞘流入口7与第二鞘流入口9之间。混合样本入口8设置在第一鞘流入口7与第二鞘流入口9之间。第一鞘流入口7、混合样本入口8和第二鞘流入口9在汇入点的宽度之比为1:1:1。第一鞘流入口7和第二鞘流入口9均与鞘流模块连接。
流通管道10的三个输出口分别为第一收集出口4、第二收集出口5和第三收集出口6。第一收集出口4、第二收集出口5和第三收集出口6分别用于输出粒径依次增大的三种被分选物。在流通管道10连接第一收集出口4、第二收集出口5和第三收集出口6的分水岭处，第一收集出口4的宽度大于第二收集出口5和第三收集出口6的宽度；第一收集出口4、第二收集出口5和第三收集出口6均与收集模块连接。本实施例中，第一收集出口4的宽度为微流管道10宽度的二分之一。第二收集出口5的宽度为微流管道10宽度的四分之一。第二收集出口5的宽度为微流管道10宽度的四分之一。第一收集出口4、第二收集出口5和第三收集出口6的排列方向与流通管道10的输出端相对于输入端的倾斜方向相反。
通过雷诺数可以计算出管道内的流体为层流，混合样本的流线会被束缚在两个鞘流之间，这样能够有效地减小液体与壁的粘连对样本流轨迹的影响，所以在没有外界力干扰的情况下，样本溶液到第三收集出口6最小的侧向位移距离大于200μm，所有的样本都从相应的出口流出，提升分离的纯度。
在叉指换能器2上包含两种不同工作频率的叉指电极对(即第一叉指电极对11和第二叉指电极对12)，在叉指换能器2的三个电极连接区上添加两种频率的RF信号，具体为第一电极连接区和第三电极连接区接地；第二电极连接区输入RF耦合信号；RF耦合信号由第一正弦波信号与第二正弦波信号叠加而成。第一正弦波信号的频率在第一叉指电极对11的工作带宽范围内；第二正弦波信号的频率在第二叉指电极对12的工作带宽范围内。
工作过程中，一对叉指换能器2由逆压电效应激励出表面弹性波。一对叉指换能器(IDT)激励出的弹性波反向传播叠加形成驻波场。多对叉指换能器(IDT)就会产生多级驻波，多级驻波场中的声波能量通过瑞利角折射进入到液体，并在粒子的表面形成散射，进而形成声波辐射力。声辐射力的大小与粒子的半径的三次方成正比，粒子的半径越大，受到的声波辐射力越大。在相同时间内半径大的粒子所受到的侧向位移力大于半径小的粒子，所以半径大的粒子的侧向位移大于小的粒子。在不同波长的叉指换能器中侧向位移也会有所不同，多级的叉指换能器能够实现多种粒子的高效分选，多级可以不限于两级，可以继续延伸来增加分类。
在微流管道10中，如果粒子的声波对比因子大于0，粒子沿着驻波场的波节线移动。如果粒子的声波对比因子小于0，粒子沿着波腹线移动。只要驻波场足够大，粒子能够获取足够的侧向偏移距离，且不同粒径的粒子侧向偏移距离不同。
工作过程中，利用FPGA进行射频信号的调制集成，用实时可编程的方式对施加的信号进行调制，电极接收到信号后会在衬底表面产生可时变的声表面波。
如图4所示，所述的驻波生成单元的制备过程如下：
(1)将铌酸锂(LiNbO3)晶体作为压电衬底，对衬底1使用丙酮溶液超声清洗，再对衬底1使用乙醇在超声机内反复清洗，用氮气烘干备用。
(2)取备用的衬底1使用3000rpm旋转涂胶机在压电衬底表面涂上一层厚度3μm光刻胶后，放置在热板上进行100℃的前烘2min。
(3)将掩模版覆在光刻胶上，使用光强为40mJ/cm2的紫外光曝光后去除掩模版放入显影液显影。
(4)通过电子束蒸发的方式在衬底1上方生长一层厚度为100nm的金膜。
(5)将镀完金膜后的衬底1倒置浸泡在丙酮溶液中10min后，超声清洗10min，取出衬底1用去离子水超声，形成叉指电极对。
多粒径细胞分选装置是一种精密的加工技术，需要在超净间的环境中进行，存在较大尘埃颗粒时会在制成的器件中产生缺陷，导致器件失效。
如图5所示，多粒径细胞分选装置包含多对叉指电极，需要同时进行激发所施加的调制信号，他不是单一的正弦波信号，是多种正弦波信号的组合信号。
如图6所示，多级声表面驻波是在图5施加的调制信号基础上，在铌酸锂衬底表面所产生的连续的驻波，图中凸起和凹陷处代表他们的表面位移情况。
如图7所示，多级声表面驻波耦合到流体通道内会产生声波，不同波长的器件耦合到通道内所产生的声波的波节点位移不同，图7对应设计的两种材料的在通道内所产生的声波波动情况，同时声压的大小会和所施加的信号幅值呈线性变化。
现有的单级声表面驻波分选装置在Comso1仿真下的粒子轨迹如图8所示，能够发现多种粒子混合未分离的情况，分选效率低下。
本实施例提供的多粒径细胞分选装置在Comso1仿真下的粒子轨迹如图9所示；对比图8和9可以看出，本实施例提供的多粒径细胞分选装置能够将三种或大于三种的混合粒子在出口处几乎全部分离，分选效率高。
现有的单级声表面驻波分选装置与本实施例提供的多粒径细胞分选装置的粒子横向位移总结对比图如图10所示，可以看出本实施例提供的多粒径细胞分选装置在各方面都优于现有的单级声表面驻波分选装置。
本实施例中，所述衬底具体采用128°Y切铌酸锂材料。
本实施例中，所述电极采用电子束热蒸发或磁控溅射等方法沉积，材料可以为钼、金、铂、铜、铝、银、钛、钨、镍中的一种或其任意组合，厚度为50-300nm；采用等离子刻蚀，Lift-off，湿法腐蚀等工艺形成图案，横向宽度为50-70μm。
本实施例中，所述金属pad层采用电子束热蒸发或磁控溅射等方法沉积，材料可以为钼、金、铂、铜、铝、银、钛、钨、镍中的一种或其任意组合，厚度为50-3000nm，并通过Lift-off的方式图案化。
本实施例中，所述聚二甲基硅氧烷(PDMS)为特制的PDMS液体与固化剂搅拌、抽真空以及烘干后制备而成。
本实施例中，所述空腔为通过光刻技术形成，空腔的截面可以为梯型、长方形和正方形的一种或其任意组合，空腔的深度为100-200μm，横向宽度为500-5000μm。
以上所述是本发明所提供的一种使用多级声表面波对于多种混合细胞分离的方法，结合附图对制作方法进行了介绍，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施方式，并不用于限制本发明，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于多级声表面驻波的多粒径细胞分选装置，包括驻波生成单元和微流控管道单元；驻波生成单元包括衬底(1)和叉指换能器(2)；两个叉指换能器(2)对称设置在衬底(1)上；两个叉指换能器(2)之间形成分选区域；微流控管道单元包括管道基座(3)；管道基座(3)设置在衬底(1)上，且位于两个叉指换能器(2)之间；管道基座(3)上开设有流通管道(10)；流通管道(10)相对于叉指换能器的分选区域分选区域倾斜设置；其特征在于：所述的叉指换能器(2)包括n个电极连接区和n-1个叉指电极对；n≥3；n个电极连接区沿着分选区域的长度方向依次排列；任意两个相邻的电极连接区之间均设置有一个叉指电极对；叉指电极对中的两组叉指电极与对应的两个电极连接区分别电连接；n个叉指电极对的波长均不相同；所述的流通管道(10)具有三个输入口和n个输出口；工作过程中，位于中间的输入口输入混合液；位于两侧的输入口输入鞘流；n个输出口分别输出不同粒径的被分选物。
2.根据权利要求1所述的一种基于多级声表面驻波的多粒径细胞分选装置，其特征在于：n个电极连接区依次交替连接地线和信号源；工作过程中，连接信号源且同时连接相邻两个叉指电极对的电极连接区输入RF耦合信号；RF耦合信号由两个正弦波信号叠加得到；该两个正弦波信号的频率分别在对应的两个叉指电极对的工作带宽范围内。
3.根据权利要求1所述的一种基于多级声表面驻波的多粒径细胞分选装置，其特征在于：沿着流通管道(10)的液体流动方向，n个叉指电极对的波长依次增大。
4.根据权利要求1所述的一种基于多级声表面驻波的多粒径细胞分选装置，其特征在于：流通管道的长度方向与叉指换能器的分选区域的长度方向的夹角为5°。
5.根据权利要求1所述的一种基于多级声表面驻波的多粒径细胞分选装置，其特征在于：流通管道(10)的三个输入口在连接流通管道(10)的汇入点的宽度相等。
6.根据权利要求1所述的一种基于多级声表面驻波的多粒径细胞分选装置，其特征在于：在流通管道(10)连接各输出口的分水岭处，用于输出粒径最小的被分选物的输出口的宽度大于其他输出口的宽度。
7.根据权利要求1所述的一种基于多级声表面驻波的多粒径细胞分选装置，其特征在于：叉指电极对数量n＝3；所述第一叉指电极对(11)的波长为200μm；所述第二叉指电极对(12)的波长为280μm。
8.根据权利要求1所述的一种基于多级声表面驻波的多粒径细胞分选装置，其特征在于：所述的流通管道(10)的材质为PDMS；微流管道(10)的高度为100μm，宽度为800μm。
9.根据权利要求1所述的一种基于多级声表面驻波的多粒径细胞分选装置，其特征在于：所述的驻波生成单元的制备过程如下：
步骤一、清洗并烘干衬底(1)；
步骤二、在衬底(1)上旋涂光刻胶并进行前烘；
步骤三、对覆有掩模版衬底(1)进行紫外光曝光后显影；
步骤四、通过电子束蒸发在衬底(1)上生长一层金膜；
步骤五、将衬底(1)在丙酮溶液中浸泡后超声清洗。
10.一种基于多级声表面驻波的多粒径细胞分选方法，其特征在于：使用如权利要求3所述的多粒径细胞分选装置；该多粒径细胞分选方法包括以下步骤：
步骤一、向叉指换能器(2)中输入RF信号，使得每个叉指电极对均接收到在自身工作带宽内的正弦波信号；
步骤二、向位于中间的输入口输入混合液；向位于两侧的输入口输入鞘流；在混合液体经过叉指换能器(2)中各个叉指电极对的过程中，被分选物按照粒径从大到小的顺序依次从混合流体中脱离；最终，不同粒径的被分选物从不同的输出口输出。
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