CN203469541U

CN203469541U - 一种声表面波实现油相微流体与水相微流体分离的装置

Info

Publication number: CN203469541U
Application number: CN201320542965.4U
Authority: CN
Inventors: 章安良; 付相庭; 查燕
Original assignee: Ningbo University
Current assignee: Ningbo University
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2023-09-02

Abstract

本实用新型公开了一种声表面波实现油相微流体与水相微流体分离的装置，其包括压电基片、信号发生装置及隔离组件，压电基片的工作表面上设置有用于激发声表面波且与信号发生装置连接的第一叉指换能器，且位于第一叉指换能器激发的声表面波的声传输路径上设置有疏水层，隔离组件设置于疏水层上；第一叉指换能器激发的声表面波作用于置放于疏水层上的待分离的油相和水相混合微流体上，驱动混合微流体沿声传输路径运动，在混合微流体到达隔离组件后，在声表面波的作用下分离出油相微流体和水相微流体；优点是该装置不仅结构简单、体积小、易于集成，而且无需谐振腔，就能够实现油相微流体和水相微流体的完全分离，适用于开放式的微流分析系统。

Description

一种声表面波实现油相微流体与水相微流体分离的装置

技术领域

本实用新型涉及一种微流控芯片中油包封水微流体的两相微流体分离技术，尤其是涉及一种声表面波实现油相微流体与水相微流体分离的装置。

背景技术

微流技术是将一系列生化分析操作，如抽样、样品预处理、分离、反应、检测和数据分析等，集成于一个微流基片上，由于其极大地降低了微流分析成本，并缩短了微流分析时间，因而获得了快速发展。建立于微流技术上的微流分析系统，因具有灵活多样的器件结构、极小的微流体积和较小的系统尺寸，被广泛应用于DNA测序、蛋白质分析、单细胞分析、毒品检测和食物安全等领域。根据微流分析系统中微流体的工作形式来分，微流分析系统有两种类型，包括连续流形式和数字流形式。一般来说，工作于数字流形式的微流分析系统具有试剂体积更少、分析时间更短和分析精度更高等优势，因而获得了更为快速地发展。

在数字流形式的微流分析系统中，根据数字微流体的存在形式可分为两大类，一类是闭合微流通道中承载于不相溶油相微流体中的数字微流体；另一类是工作于基片表面上的开放式数字微流体。前者需要设计合适结构的微流通道，而微流通道制作工艺较为复杂，且对微流体操作需要连续流动的油相微流体，为使油相微流体在微流通道内输运，往往需要外加压力泵作为油相微流体的动力源，因而增加了微流分析的体积和分析成本。在闭合微流通道的微流分析系统中，每一个水相微流体都是一个微反应器，而油相微流体主要用来输运各水相微流体，同时用于界定水相微流体的边界，当水相微流体完成反应后，根据需要将水相微流体与油相微流体进行分离。后者只需将待分析的数字微流体置放于基片表面，直接在基片表面对待分析的数字微流体进行输运、混合、分析等微流操作，因而操作简单，微流器件尺寸较小，且无需体积较大的压力泵作为驱动源。然而，在开放式的微流分析系统中，尤其是在以压电材料作为基片的开放式的微流分析系统中，待分析的数字微流体的蒸发会直接影响微流分析的精度，为了减少待分析的数字微流体的蒸发，往往采用与之不相溶的油相数字微流体包封待分析的数字微流体完成样品前处理操作，如为了加速样品萃取速度，可采用声表面波等外力实现液滴-液滴微萃取操作，在完成微萃取操作后，需要将萃取后的有机溶剂和水相微流体进行分离。因此，在微流分析系统中往往需要实现从油相微流体中分离出被之包封的水相微流体的微流操作。

常见的油相微流体中分离出水相微流体的方法主要有重力沉降法、离心法、空气浮选法和纤维填充床融合法等。其中，离心法和空气浮选法分离油相微流体和水相微流体的效率较高，但是离心法需要产生足够的离心力，空气浮选法需要产生足够的气流速度，此外两者的设备体积较大；重力沉降法对于小的水相微流体的分离效果较低。因此，常采用纤维填充床融合法结合重力沉降法实现小体积水相微流体的分离，它采用纤维过滤材料俘获小体积的水相微流体，并使其融合成为较大体积的水相微流体，再采用重力沉降法与油相微流体分离。上述这些分离方法均需要外加动力源，因此难以应用于微流分析系统中。

为实现微流分析系统中，油相微流体中水相微流体的分离，出现了PDMS微流通道中实现油相微流体中水相微流体的分离，通过PDMS微流通道中的T形结和微流体的流速，在PDMS微流通道中形成并流层，不相溶的油相微流体和水相微流体分别聚集于不同流层中，实现油相微流体和水相微流体的分离。但是，该方法只能应用于闭合微流通道的微流分析系统中，难以应用于开放式的微流分析系统中。为解决开放式的微流分析系统中油相微流体和水相微流体的分离，有人提出了采用声波在谐振腔中实现油相微流体和水相微流体的分离。如期刊《声学开放式杂志》2008年第1卷第1期66-71页（The Open Acoustics Journal, Vol. 1 (1), 2008：66-71）公开了《声增强谐振腔中的油-水分离》（《Enhanced Acoustic Separation of Oil-Water Emulsion in Resonant Cavities》），它是在容器腔内设置两个叉指换能器，并在容器腔内放置待分离的油相和水相微流体。当在两个叉指换能器上加电信号时，产生谐振波，在容器腔内形成驻波，俘获油相微流体在驻波的波节处，实现油相和水相微流体的分离。该方法可以有效地实现油相微流体聚集于驻波的波节处，达到油相微流体和水相微流体分离的目的，但该方法的缺点是不能完全实现油相微流体和水相微流体的分离，只能实现油相微流体聚集于谐振波的波节的几条线上，难以应用于微流分析系统中，有待改进。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种声表面波实现油相微流体与水相微流体分离的装置，其结构简单、体积小、易于集成，且能够实现油相微流体与水相微流体的完全分离，适用于开放式的微流分析系统。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种声表面波实现油相微流体与水相微流体分离的装置，其特征在于包括压电基片、用于产生RF电信号的信号发生装置及用于将油相微流体隔离出的隔离组件，所述的压电基片的上表面为工作表面，所述的压电基片的工作表面上设置有用于激发声表面波且与所述的信号发生装置连接的第一叉指换能器，所述的压电基片的工作表面上且位于所述的第一叉指换能器激发的声表面波的声传输路径上设置有用于置放待分离的油相和水相混合微流体及分离出的油相微流体和水相微流体的疏水层，所述的隔离组件设置于所述的疏水层上；所述的第一叉指换能器激发的声表面波作用于待分离的油相和水相混合微流体上，驱动待分离的油相和水相混合微流体沿声传输路径运动，在待分离的油相和水相混合微流体到达所述的隔离组件后，在所述的第一叉指换能器激发的声表面波的作用下分离出油相微流体和水相微流体。

所述的隔离组件由两块PDMS固定块和至少一根外表面包覆有疏水性薄膜的隔离条组成，两块所述的PDMS固定块对称位于所述的第一叉指换能器激发的声表面波的声传输路径的两侧并固定于所述的疏水层上，所述的隔离条的一端与其中一块所述的PDMS固定块连接，所述的隔离条的另一端与另一块所述的PDMS固定块连接，使所述的隔离条横跨于所述的第一叉指换能器激发的声表面波的声传输路径的正上方；在待分离的油相和水相混合微流体到达所述的隔离条后，在所述的第一叉指换能器激发的声表面波的作用下分离出油相微流体和水相微流体，且分离出的油相微流体穿过所述的隔离条，使分离出的水相微流体单独位于所述的隔离条朝向所述的第一叉指换能器的一侧，分离出的油相微流体单独位于所述的隔离条背面所述的第一叉指换能器的一侧。

所述的隔离条的根数为大于或等于两根，多根所述的隔离条沿垂直于所述的疏水层的方向排列成栏栅状，靠近所述的疏水层的一根所述的隔离条与所述的疏水层之间的间距为0.3～0.6mm，相邻两根所述的隔离条之间的间距为0.3～0.6mm。

所述的隔离条呈圆弧形状，所述的隔离条的凹面朝向所述的第一叉指换能器。

所述的信号发生装置由用于产生RF电信号的信号发生器及与所述的信号发生器连接的功率放大器组成，所述的功率放大器通过第一开关与所述的第一叉指换能器连接。

所述的压电基片的下表面上连接有PCB板，所述的PCB板上设置有第一引线脚，所述的第一叉指换能器包括两个第一汇流条，所述的第一汇流条通过导线与所述的第一引线脚相连接，所述的第一引线脚通过导线和所述的第一开关与所述的功率放大器相连接。

所述的压电基片的工作表面上设置有用于反射所述的第一叉指换能器激发的声表面波的第一反射栅。

所述的压电基片的工作表面上设置有用于激发声表面波且与所述的信号发生装置连接的第二叉指换能器，所述的第二叉指换能器激发的声表面波的声传输路径与所述的第一叉指换能器激发的声表面波的声传输路径相垂直，且所述的疏水层亦位于所述的第二叉指换能器激发的声表面波的声传输路径上，所述的第二叉指换能器激发的声表面波作用于分离出的油相微流体实现分离出的油相微流体的输运；

所述的压电基片的工作表面上设置有用于反射所述的第二叉指换能器激发的声表面波的第二反射栅。

所述的PCB板上还设置有第二引线脚，所述的第二叉指换能器包括两个第二汇流条，所述的第二汇流条通过导线与所述的第二引线脚相连接，所述的第二引线脚通过导线和第二开关与所述的功率放大器相连接。

所述的第一叉指换能器和所述的第二叉指换能器的中心工作频率相同。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：该装置包括压电基片、信号发生装置及隔离组件，在压电基片的工作表面上设置有第一叉指换能器和疏水层，并使疏水层位于第一叉指换能器激发的声表面波的声传输路径上，同时将隔离组件设置于疏水层上，这样工作时信号发生装置产生RF电信号，并加载到第一叉指换能器上，第一叉指换能器激发声表面波，且激发的声表面波作用于置放于疏水层上的待分离的油相和水相混合微流体上，驱动待分离的油相和水相混合微流体沿声传输路径运动，在待分离的油相和水相混合微流体到达隔离组件后，在第一叉指换能器激发的声表面波的作用下完全分离出油相微流体和水相微流体，该装置不仅结构简单、体积小、易于集成，而且无需谐振腔，就能够实现油相微流体和水相微流体的完全分离，适用于开放式的微流分析系统，且便于微流分析系统进行后续微流分析。

附图说明

图1为本实用新型的装置的结构示意图；

图2为图1中A部分的放大示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

本实用新型提出的一种声表面波实现油相微流体与水相微流体分离的装置，如图所示，其包括压电基片1、用于产生RF（Radio Frequency，射频）电信号的信号发生装置2及用于将油相微流体隔离出的隔离组件3，压电基片1的上表面为工作表面，压电基片1的工作表面上采用现有的微电子工艺光刻有用于激发声表面波且与信号发生装置2连接的第一叉指换能器11，压电基片1的工作表面上采用现有的微电子工艺还光刻有用于反射第一叉指换能器11激发的声表面波的第一反射栅12，压电基片1的工作表面上且位于第一叉指换能器11激发的声表面波的声传输路径上设置有用于置放待分离的油相和水相混合微流体91及分离出的油相微流体92和水相微流体93的疏水层13，隔离组件3设置于疏水层13上；工作时，信号发生装置2产生RF电信号，并加载到第一叉指换能器11上，第一叉指换能器11激发声表面波，且激发的声表面波作用于待分离的油相和水相混合微流体91上，驱动待分离的油相和水相混合微流体91沿声传输路径运动，在待分离的油相和水相混合微流体91到达隔离组件3后，在第一叉指换能器11激发的声表面波的作用下完全分离出油相微流体92和水相微流体93。

在此具体实施例中，隔离组件3由两块PDMS（polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷）固定块31和至少一根外表面包覆有疏水性薄膜的隔离条32组成，两块PDMS固定块31对称位于第一叉指换能器11激发的声表面波的声传输路径的两侧并固定于疏水层13上，隔离条32的一端与其中一块PDMS固定块连接，隔离条32的另一端与另一块PDMS固定块连接，使隔离条32横跨于第一叉指换能器11激发的声表面波的声传输路径的正上方；在待分离的油相和水相混合微流体91到达隔离条32后，在第一叉指换能器11激发的声表面波的作用下分离出油相微流体92和水相微流体93，且由于疏水层13和隔离条32的疏水性，水相微流体93成球形，而油相微流体92高度较低，在声表面波的作用下分离出的油相微流体92穿过隔离条32，而水相微流体93被隔离条32阻挡住，即分离出的水相微流体93单独位于隔离条32朝向第一叉指换能器11的一侧，分离出的油相微流体92单独位于隔离条32背面第一叉指换能器11的一侧。

在此，如果待分离的油相和水相混合微流体91的体积较大，则为有效阻挡分离出的水相微流体93通过隔离条，可设置多根隔离条32（大于或等于两根），多根隔离条32沿垂直于疏水层13的方向排列成栏栅状；可将靠近疏水层13的一根隔离条32与疏水层13之间的间距设计为0.3～0.6mm，相邻两根隔离条32之间的间距设计为0.3～0.6mm，实际设计过程中则可以根据待分离的油相和水相混合微流体91的体积大小确定靠近疏水层13的一根隔离条32与疏水层13之间的间距及相邻两根隔离条32之间的间距。

在此，将隔离条32设计成圆弧形状，且使隔离条32的凹面朝向第一叉指换能器11，这样当待分离的油相和水相混合微流体91运动至隔离条32后不会在隔离条32的长度方向（即两个PDMS固定块31连线方向）上运动。

在此具体实施例中，压电基片1可采用机电耦合系数稍大的压电基片，基本可取机电耦合系数大于5.5%的压电基片，如128⁰-YX LiNbO₃压电基片，因为在相同的RF电信号下，设置于具有较大机电耦合系数的压电基片1上的叉指换能器11能够产生幅度较大的声表面波，这样易于驱动待分离的油相和水相混合微流体91沿第一叉指换能器11激发的声表面波的声传播方向快速运动，以快速完成油相微流体92和水相微流体93的分离。

在此具体实施例中，为改变分离出的油相微流体92的运动方向，可在压电基片1的工作表面上采用现有的微电子工艺光刻出用于激发声表面波且与信号发生装置2连接的第二叉指换能器14，并在压电基片1的工作表面上采用现有的微电子工艺光刻出用于反射第二叉指换能器14激发的声表面波的第二反射栅15，第二叉指换能器14激发的声表面波的声传输路径与第一叉指换能器11激发的声表面波的声传输路径相垂直，且疏水层13亦位于第二叉指换能器14激发的声表面波的声传输路径上，第二叉指换能器14激发的声表面波作用于分离出的油相微流体92实现分离出的油相微流体92的输运。在此，可要求第一叉指换能器11和第二叉指换能器14的中心工作频率相同；在实际制备该装置时，可根据实际情况在压电基片1的工作表面上设置多个叉指换能器，且所有叉指换能器具有相同的尺寸，这样通过不同的叉指换能器就能实现分离出的油相微流体92与水相微流体93的输运。

在此具体实施例中，信号发生装置2由用于产生RF电信号的信号发生器21及与信号发生器21连接的功率放大器22组成，功率放大器22通过第一开关K1与第一叉指换能器11连接，功率放大器22通过第二开关K2与第二叉指换能器14连接，压电基片1的下表面上连接有PCB板4，PCB板4上设置有第一引线脚41和第二引线脚42，第一叉指换能器11包括两个第一汇流条111，第一汇流条111通过细导线经压焊或导电银胶等方式与第一引线脚41相连接，第一引线脚41通过导线和第一开关K1与功率放大器22相连接，第二叉指换能器14包括两个第二汇流条141，第二汇流条141通过细导线经压焊或导电银胶等方式与第二引线脚42相连接，第二引线脚42通过导线和第二开关K2与功率放大器22相连接。工作时，先关闭第一开关K1，打开第二开关K2，信号发生器21输出RF电信号，该RF电信号经功率放大器22放大后再加载到第一叉指换能器11上，第一叉指换能器11在RF电信号的作用下激发声表面波；在分离出油相微流体92后，打开第一开关K1，关闭第二开关K2，这样信号发生器21输出的RF电信号经功率放大器22放大后加载到第二叉指换能器14上，第二叉指换能器14在RF电信号的作用下激发声表面波。在此，信号发生器21和功率放大器22均采用现有技术。在此，PCB板4也可由其它现有的可以固定导线的基板替代。

在此具体实施例中，疏水层13为在声传输路径上涂覆一层Teflon AF 1600疏水材料，再经160℃恒温箱烘干1小时形成。疏水层13的厚度应设计的适中，这是因为如果疏水层13太厚，则衰减声表面波太大，如果疏水层13太薄，则压电基片1的表面疏水性不够好，会导致分离出的水相微流体93无法成球形而通过隔离条32，因此可将该疏水层13的厚度控制在1～3μm范围内。

在此具体实施例中，PDMS固定块31主要由体积比为（5～12）：1的道康宁184的单体和固化剂混合制备而成。在制备过程中，为能够使PDMS固定块31的底部能够较好地紧贴粘在疏水层13上，可适当提高单体和固化剂的体积比比例，从而使得制成的PDMS固定块31具有比较好的柔软性，能够提高PDMS固定块31粘贴于疏水层13上的固定力。如果在制备PDMS固定块31时选取的单体和固化剂的体积比例较小，则可在制成的PDMS固定块31的底部再涂上一层由具有较高体积比例的单体和固化剂混合而成的PDMS聚合物，并经过80℃恒温箱固化1小时，这样，PDMS固定块31的底部即可比较牢固地与疏水层13粘合。

在此具体实施例中，隔离条32的外表面包覆的疏水性薄膜为在隔离条32的外表面涂覆一层Teflon AF 1600疏水材料，再经160℃恒温箱烘干1小时形成。

Claims

1.一种声表面波实现油相微流体与水相微流体分离的装置，其特征在于包括压电基片、用于产生RF电信号的信号发生装置及用于将油相微流体隔离出的隔离组件，所述的压电基片的上表面为工作表面，所述的压电基片的工作表面上设置有用于激发声表面波且与所述的信号发生装置连接的第一叉指换能器，所述的压电基片的工作表面上且位于所述的第一叉指换能器激发的声表面波的声传输路径上设置有用于置放待分离的油相和水相混合微流体及分离出的油相微流体和水相微流体的疏水层，所述的隔离组件设置于所述的疏水层上；所述的第一叉指换能器激发的声表面波作用于待分离的油相和水相混合微流体上，驱动待分离的油相和水相混合微流体沿声传输路径运动，在待分离的油相和水相混合微流体到达所述的隔离组件后，在所述的第一叉指换能器激发的声表面波的作用下分离出油相微流体和水相微流体。

2.根据权利要求1所述的一种声表面波实现油相微流体与水相微流体分离的装置，其特征在于所述的隔离组件由两块PDMS固定块和至少一根外表面包覆有疏水性薄膜的隔离条组成，两块所述的PDMS固定块对称位于所述的第一叉指换能器激发的声表面波的声传输路径的两侧并固定于所述的疏水层上，所述的隔离条的一端与其中一块所述的PDMS固定块连接，所述的隔离条的另一端与另一块所述的PDMS固定块连接，使所述的隔离条横跨于所述的第一叉指换能器激发的声表面波的声传输路径的正上方；在待分离的油相和水相混合微流体到达所述的隔离条后，在所述的第一叉指换能器激发的声表面波的作用下分离出油相微流体和水相微流体，且分离出的油相微流体穿过所述的隔离条，使分离出的水相微流体单独位于所述的隔离条朝向所述的第一叉指换能器的一侧，分离出的油相微流体单独位于所述的隔离条背面所述的第一叉指换能器的一侧。

3.根据权利要求2所述的一种声表面波实现油相微流体与水相微流体分离的装置，其特征在于所述的隔离条的根数为大于或等于两根，多根所述的隔离条沿垂直于所述的疏水层的方向排列成栏栅状，靠近所述的疏水层的一根所述的隔离条与所述的疏水层之间的间距为0.3～0.6mm，相邻两根所述的隔离条之间的间距为0.3～0.6mm。

4.根据权利要求3所述的一种声表面波实现油相微流体与水相微流体分离的装置，其特征在于所述的隔离条呈圆弧形状，所述的隔离条的凹面朝向所述的第一叉指换能器。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种声表面波实现油相微流体与水相微流体分离的装置，其特征在于所述的信号发生装置由用于产生RF电信号的信号发生器及与所述的信号发生器连接的功率放大器组成，所述的功率放大器通过第一开关与所述的第一叉指换能器连接。

6.根据权利要求5所述的一种声表面波实现油相微流体与水相微流体分离的装置，其特征在于所述的压电基片的下表面上连接有PCB板，所述的PCB板上设置有第一引线脚，所述的第一叉指换能器包括两个第一汇流条，所述的第一汇流条通过导线与所述的第一引线脚相连接，所述的第一引线脚通过导线和所述的第一开关与所述的功率放大器相连接。

7.根据权利要求6所述的一种声表面波实现油相微流体与水相微流体分离的装置，其特征在于所述的压电基片的工作表面上设置有用于反射所述的第一叉指换能器激发的声表面波的第一反射栅。

8.根据权利要求7所述的一种声表面波实现油相微流体与水相微流体分离的装置，其特征在于所述的压电基片的工作表面上设置有用于激发声表面波且与所述的信号发生装置连接的第二叉指换能器，所述的第二叉指换能器激发的声表面波的声传输路径与所述的第一叉指换能器激发的声表面波的声传输路径相垂直，且所述的疏水层亦位于所述的第二叉指换能器激发的声表面波的声传输路径上，所述的第二叉指换能器激发的声表面波作用于分离出的油相微流体实现分离出的油相微流体的输运；

9.根据权利要求8所述的一种声表面波实现油相微流体与水相微流体分离的装置，其特征在于所述的PCB板上还设置有第二引线脚，所述的第二叉指换能器包括两个第二汇流条，所述的第二汇流条通过导线与所述的第二引线脚相连接，所述的第二引线脚通过导线和第二开关与所述的功率放大器相连接。

10.根据权利要求9所述的一种声表面波实现油相微流体与水相微流体分离的装置，其特征在于所述的第一叉指换能器和所述的第二叉指换能器的中心工作频率相同。