CN209612920U - 基于声表面波的微纳米粒子高效反应微流控芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及微纳米材料领域，提供了一种基于声表面波的微纳米粒子高效反应微流控芯片，包含微流控通道层（1）和紧密结合在其下方的压电基底（2）；微流控通道层中具有位于其下部的中空的通道，通道具有主通道（3）、至少两个样品入口通道（4）以及至少一个样品出口通道（5），各样品入口通道与各样品出口通道之间通过主通道连通；在各样品入口通道两侧分别设置相互平行、相对放置且与对应的样品入口通道平行的至少一对聚焦叉指换能器组（6），且各聚焦叉指换能器组均设置在压电基底的上表面、微流控通道层的下方。本实用新型在芯片上使微纳米粒子之间的反应更高效更快速，实现将结合在一起和未结合的微纳米粒子高效高纯度的分离。

Description

基于声表面波的微纳米粒子高效反应微流控芯片

技术领域

本实用新型涉及微流控芯片、生物化学及微纳米材料领域，特别涉及一种基于声表面波的微纳米粒子高效反应微流控芯片。

背景技术

微流控芯片又被称作片上实验室，是指一种精确控制和操控微尺度流体的技术，微尺度流体意味着需要更少的样品，占用更少的体积，更快的反应时间，以及更精准更精确的控制。将通常在实验室大型仪器设备上完成的各种生物化学的实验过程在一枚微流控芯片上完成。声表面波应用于微流控芯片上各种粒子的驱动、检测和控制，相对于磁场、电场、机械力等控制方式具有高生物相容性、无侵入性、高灵敏度、泛用性强等优势。

生物化学实验中经常需要将各种微纳米粒子混合使其发生各种生物化学反应，如纳米材料，磁珠，细胞，荧光微球等微纳米粒子，进而实现如磁标记，荧光标记，以及各种材料之间相互结合的反应。从而对微纳米粒子实现相互之间组合及某一种或几种物质的检测等应用。传统的混合方式具有时间长，过程繁琐，混合效率不高等缺点，同时混合后也较难实现反应后各种粒子的分离。

实用新型内容

实用新型目的：针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种基于声表面波的微纳米粒子高效反应微流控芯片，可以在芯片上使微纳米粒子之间的反应更高效更快速，有效的提高微纳米粒子之间的反应效率，并实现将结合在一起的微纳米粒子和未结合的微纳米粒子高效高纯度的分离。

技术方案：本实用新型提供了一种基于声表面波的微纳米粒子高效反应微流控芯片，包含微流控通道层和紧密结合在其下方的压电基底；所述微流控通道层中具有位于其下部的中空的通道，所述通道具有主通道、至少两个样品入口通道以及至少一个样品出口通道，各所述样品入口通道与各所述样品出口通道之间通过所述主通道连通；在各所述样品入口通道两侧分别设置相互平行、相对放置且与对应的样品入口通道平行的至少一对聚焦叉指换能器组，且各所述聚焦叉指换能器组均设置在所述压电基底的上表面、所述微流控通道层的下方。

进一步地，所述样品出口通道至少为三个，所述主通道靠近各所述样品入口通道的一侧为反应区域，靠近各所述样品出口通道的一侧为分离区域，在所述主通道的分离区域两侧还设置一对相互平行且相对放置的分离叉指换能器组，所述分离叉指换能器组中的两个叉指换能器与所述主通道之间呈预设夹角。几种微纳米粒子样品在主通道中的反应区域反应后通过分离区域，在分离区域中受到倾斜的分离叉指换能器组形成的声表面波场的作用，可以将不同的微纳米粒子样品会受到不同大小的作用力，产生不同的偏转角度、并偏转不同的距离，之后未结合的几种微纳米粒子样品以及结合的样品分别经由不同的样品出口通道流出芯片，在芯片上不仅完成了高效率的混合，同时对混合后的不同微纳米粒子同时进行分离，可直接获得高纯度的结合后的微纳米粒子。分离叉指换能器组的设置使得本芯片不仅能够使粒子之间的反应更高效更快速，同时能够实现将结合在一起的粒子和未结合的粒子高效高纯度的分离。假如主通道的分离区域较长，则也可以相应地增加分离叉指换能器组的长度。

进一步地，所述预设夹角为0~90°。

优选地，所述样品入口通道为两个，分别为第一样品入口通道和第二样品入口通道，所述第一样品入口通道具有第一样品入口，所述第二样品入口通道具有第二样品入口；所述聚焦叉指换能器组为两对，分别为第一聚焦叉指换能器组和第二聚焦叉指换能器组，所述第一聚焦叉指换能器组中的两个叉指换能器分别位于所述第一样品入口通道的两侧，所述第二聚焦叉指换能器组中的两个叉指换能器分别位于所述第二样品入口通道的两侧。两个样品入口通道则适用于两种样品之间的反应，本实用新型中优选使用两种样品，在实际应用中，也可以使用两种以上样品进行反应，只需要相应地增加样品入口通道和聚焦叉指换能器即可。

优选地，所述样品出口通道为三个，分别为第一样品出口通道、第二样品出口通道和第三样品出口通道；所述第一样品出口通道具有第一样品出口，所述第二样品出口通道具有第二样品出口，所述第三样品出口通道具有第三样品出口。两种样品反应后会出现三种粒子：两种粒子结合后的粒子和两种未结合的粒子，三种粒子的分离则需要三个样品出口通道，如果是三种样品的分离则需要相应地增加样品出口通道即可。

优选地，所述压电基底由压电材料制成。

优选地，所述压电材料为铌酸锂晶体、石英晶体或锗酸铋晶体。

有益效果：本实用新型显著优点在于：

（1）不同的微纳米粒子样品进入不同的样品入口通道后在不同的样品入口通道中，受到聚焦叉指换能器组中两个叉指换能器的相对叉指电极产生的声表面波的影响聚焦于不同的样品入口通道的中央，在不同的样品入口通道中汇聚成很窄的一条线；汇聚的几种微纳米粒子样品在主通道中的反应区域内汇聚在一起，极大的提高了几种微纳米粒子样品中微纳米粒子相互反应效率，并缩短了反应时间。

（2）几种微纳米粒子样品在主通道中的反应区域反应后通过分离区域，在分离区域中受到倾斜的分离叉指换能器组的作用，不同的微纳米粒子样品会受到不同大小的作用力，产生不同的偏转角度，之后未结合的几种微纳米粒子样品以及结合的样品分别经由不同的样品出口通道流出芯片，在芯片上不仅完成了高效率的混合，同时对混合后的不同微纳米粒子同时进行分离，可直接获得高纯度的结合后的微纳米粒子。

（3）本实用新型所述微流控芯片使用声波作为汇聚和分离的作用方式，具有极其优秀的生物相容性，所以本芯片上可进行的反应不局限于各种微粒及微泡等物质，同时可进行细胞等生物微粒的高效反应和结合。

（4）可通过调节各个叉指换能器输入信号的频率和功率实现对多种不同粒子的聚集，进而使其高效的反应以及反应后的高纯度的分离，适用性广泛。

本实用新型基于声表面波的微纳米粒子高效反应微流控芯片，具体是指在微流控芯片中使用声表面波作为驱动方式控制微纳米粒子在芯片上的汇聚和分离，从而实现微纳米粒子在微流控芯片上的高效反应以及反应后的高纯度分离（先通过声波对微纳米粒子进行汇聚，从而使其高效发生反应，之后再通过声波对反应后的微纳米粒子进行分离，有效并高纯度的分离出反应结合后的粒子以及未发生反应的粒子）。它具有结构简单，泛用性强，生物相容性好等诸多优点，是一种能够使微纳米粒子高效反应结合，并高纯度获取结合后粒子的微流控芯片，在生物化学及纳米材料领域有着良好的应用前景。

本实用新型中声表面波应用于微流控芯片上各种粒子的驱动、检测和控制，相对于磁场、电场、机械力等控制方式具有高生物相容性、无侵入性、高灵敏度、泛用性强等优势。解决了传统的混合方式具有时间长，过程繁琐，混合效率不高，混合后较难实现反应后各种粒子的分离等缺点。

附图说明

图1是实施方式1中基于声表面波的微纳米粒子高效反应微流控芯片的俯视透视图；

图2是实施方式1中具有中空的通道的微流控通道层的俯视图；

图3是实施方式1中具有聚焦叉指换能器组的压电基底的俯视图；

图4是实施方式2中基于声表面波的微纳米粒子高效反应微流控芯片的俯视透视图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细的介绍。

实施方式1：

本实施方式提供了一种基于声表面波的微纳米粒子高效反应微流控芯片，结合图1至图3，该芯片包含微流控通道层1和压电基底2，压电基底2紧密结合在微流控通道层1的下表面，压电基底2由压电材料制成，压电材料优选使用铌酸锂晶体、石英晶体或锗酸铋晶体；微流控通道层1中具有中空的通道，该中空的通道位于微流控通道层1的下部，通道具有主通道3、两个样品入口通道4以及一个样品出口通道5；两个样品入口通道4分别为具有第一样品入口403的第一样品入口通道401和具有第二样品入口404的第二样品入口通道402；第一样品入口通道401和第二样品入口通道402与样品出口通道5之间通过主通道3连通；在第一样品入口通道401两侧设置相互平行、相对放置且与第一样品入口通道401平行的一对第一聚焦叉指换能器组601，在第二样品入口通道402两侧设置相互平行、相对放置且与第二样品入口通道402平行的一对第二聚焦叉指换能器组602；第一聚焦叉指换能器组601和第二聚焦叉指换能器组602设置在压电基底2的上表面、微流控通道层1的下方。

本实施方式中的基于声表面波的微纳米粒子高效反应微流控芯片在工作时，微纳米粒子样品1经第一样品入口403进入第一样品入口通道401后，在第一样品入口通道401中受到第一聚焦叉指换能器组601中两个叉指换能器的两个相对叉指电极产生的声表面波的影响，聚焦于第一样品入口通道401的中央，在第一样品入口通道401中汇聚成很窄的一条线；微纳米粒子样品2经第二样品入口404进入第二样品入口通道402后在第二样品入口通道402中后，受到第二聚焦叉指换能器组602中两个叉指换能器的两个相对叉指电极产生的声表面波的影响，聚焦于第二样品入口通道402的中央，汇聚成很窄的一条线，汇聚的两种微纳米粒子样品在主通道3中汇聚在一起，汇聚在一起的两种微纳米粒子在主通道3中反应后通过样品出口通道5流出芯片。

本实施方式中基于声表面波的微纳米粒子高效反应微流控芯片的一种典型制备工艺如下：

使用压电材料铌酸锂晶体、石英晶体或锗酸铋晶体等材料制备压电基底2。

在压电基底2上采用PECVD（等离子体增强化学气相沉积）、蒸镀、溅射等工艺形成铂、金或铜等金属薄膜，通过光刻及其后的金属刻蚀等方法形成聚焦叉指换能器组6。

在硅基底上通过光刻制备SU-8阳模，之后使用PDMS浇筑制备具有中空的通道的微流控通道层1。

通过对准将微流控通道层1与具有聚焦叉指换能器组6的压电基底2组合在一起进行建合，即完成基于声表面波的微纳米粒子高效反应微流控芯片的制备。

实施方式2：

本实施方式为实施方式1的进一步改进，主要改进之处在于，在实施方式1中，仅仅实现了通过聚焦叉指换能器组6与通道的结合使用，使得粒子之间的反应更高效更快速，但是反应后的产物——结合在一起的微纳米粒子和未结合的微纳米粒子的分离则需要在芯片外进行，分离工艺复杂，分离效率较低，分离纯度较低。而在本实施方式中，能够实现在芯片内就将结合在一起的微纳米粒子和未结合的微纳米粒子高效高纯度的分离。

具体地说，在本实施方式中，在实施方式1的基础上，如图4，基于声表面波的微纳米粒子高效反应微流控芯片的样品出口通道5为三个，分别为具有第一样品出口504的第一样品出口通道501、具有第二样品出口505的第二样品出口通道502以及具有第三样品出口506的第三样品出口通道503；主通道3靠近第一样品入口通道401和第二样品入口通道402的一侧为反应区域301，靠近第一样品出口通道501、第二样品出口通道502和第三样品出口通道503的一侧为分离区域302，在主通道3的分离区域302两侧还设置一对相互平行且相对放置的分离叉指换能器组7，该分离叉指换能器组7中的两个叉指换能器分别位于主通道3的分离区域302两侧，且两个叉指换能器均与主通道3之间呈0~90°夹角设置。

汇聚到主通道3内的两种微纳米粒子在主通道3的反应区域301内反应后进入分离区域302，在分离区域302中受到分离叉指换能器组7中两个叉指换能器的两个相对叉指电极产生的声表面波的作用，结合在一起和未结合的三种不同的微纳米粒子会受到声表面波的不同大小的作用力，产生不同的偏转角度，之后未结合的微纳米粒子样品1和未结合的微纳米粒子样品2以及结合的微纳米粒子样品分别经由第一样品出口通道501的第一样品出口504、第二样品出口通道502的第二样品出口505和第三样品出口通道503的第三样品出口506流出芯片。假如主通道3的分离区域较长，则也可以相应地增加分离叉指换能器组7的长度。

除此之外，本实施方式与实施方式1完全相同，此处不做赘述。

上述实施方式只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于声表面波的微纳米粒子高效反应微流控芯片，其特征在于：包含微流控通道层（1）和紧密结合在其下方的压电基底（2）；所述微流控通道层（1）中具有位于其下部的中空的通道，所述通道具有主通道（3）、至少两个样品入口通道（4）以及至少一个样品出口通道（5），各所述样品入口通道（4）与各所述样品出口通道（5）之间通过所述主通道（3）连通；在各所述样品入口通道（4）两侧分别设置相互平行、相对放置且与对应的样品入口通道（4）平行的至少一对聚焦叉指换能器组（6），且各所述聚焦叉指换能器组（6）均设置在所述压电基底（2）的上表面、所述微流控通道层（1）的下方。

2.根据权利要求1所述的基于声表面波的微纳米粒子高效反应微流控芯片，其特征在于：所述样品出口通道（5）至少为三个，所述主通道（3）靠近各所述样品入口通道（4）的一侧为反应区域（301），靠近各所述样品出口通道（5）的一侧为分离区域（302），在所述主通道（3）的分离区域（302）两侧还设置一对相互平行且相对放置的分离叉指换能器组（7），所述分离叉指换能器组（7）中的两个叉指换能器与所述主通道（3）之间呈预设夹角θ。

3.根据权利要求2所述的基于声表面波的微纳米粒子高效反应微流控芯片，其特征在于：所述预设夹角θ为0~90°。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于声表面波的微纳米粒子高效反应微流控芯片，其特征在于：所述样品入口通道（4）为两个，分别为第一样品入口通道（401）和第二样品入口通道（402），所述第一样品入口通道（401）具有第一样品入口（403），所述第二样品入口通道（402）具有第二样品入口（404）；

所述聚焦叉指换能器组（6）为两对，分别为第一聚焦叉指换能器组（601）和第二聚焦叉指换能器组（602），所述第一聚焦叉指换能器组（601）中的两个叉指换能器分别位于所述第一样品入口通道（401）的两侧，所述第二聚焦叉指换能器组（602）中的两个叉指换能器分别位于所述第二样品入口通道（402）的两侧。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的基于声表面波的微纳米粒子高效反应微流控芯片，其特征在于：所述样品出口通道（5）为三个，分别为第一样品出口通道（501）、第二样品出口通道（502）和第三样品出口通道（503）；所述第一样品出口通道（501）具有第一样品出口（504），所述第二样品出口通道（502）具有第二样品出口（505），所述第三样品出口通道（503）具有第三样品出口（506）。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的基于声表面波的微纳米粒子高效反应微流控芯片，其特征在于：所述压电基底（2）由压电材料制成。

7.根据权利要求6所述的基于声表面波的微纳米粒子高效反应微流控芯片，其特征在于：所述压电材料为铌酸锂晶体、石英晶体或锗酸铋晶体。