1.本发明属于微流控分选技术领域，特别涉及一种基于声
表面波的无鞘流
粒子分选微流控
芯片。
背景技术：
2.在过去的二十年间，微流控已经成为化学、生物和医学领域中的一个重要平台。适应半导体工业的微细加工技术，产生了一类新的微分析设备，被称为“微全分析系统”(
µ
tas)或“片上实验室”(lab-on-a-chip，loc)，在微传感器研究领域，特别是在芯片上发挥着主导作用。loc是一种在单个芯片上集成多个实验室功能的设备，只需要毫米级的长度或厘米级的面积，就能获得高通量分析和样品自动处理。这种微流控芯片技术与化学和生物医学中使用的传统实验室技术相比，其优势在于：系统小型化、自动化、低成本、减少试剂和样品消耗、快速的周转时间和精确的微环境控制。故可取代传统的化学和生物医学实验室的各种功能，例如混合、反应、分选、检测以及合成等。因此，微流控芯片也被称为是二十一世纪最为伟大的发现之一。
3.其中，微流控芯片的分选功能已广泛应用于材料合成、化学、生物学、诊断学、学和药物开发等领域。自从loc被引入以来，已经开发了几种微流控分选技术来实现微粒或细胞与其原始样品的分选或分离用来提高效率和准确性。根据分选原理的不同，微流控芯片的分选技术可分为主动分选技术和被动分选技术两类。主动分选技术主要包括磁分选技术、光分选技术、介电泳分选技术、声分选技术等，分选原理是微流道中不同性质的粒子受到能量场(如磁场、电场、声场等)的作用而逐渐分离，从而实现分选。被动分选技术主要包括微结构过滤、惯性分选、确定性横向偏移、仿生分选、亲和性分选、场流及水力分选等，分选原理是利用流道的几何形状、一些特殊的微结构使不同性质的粒子逐渐分离，实现对粒子的分选。
4.当前，基于声表面波的微流控粒子分选芯片具有制作简单、结构紧凑、易集成、无标记、良好的生物兼容性等优点，在药物合成与筛选、细胞分离、粒子分选和粒子操控等领域得到广泛的应用。基于saw的微流体芯片进行粒子分选时，使用声表面行波(tsaw)与声表面
驻波(ssaw)是两种常用的方法。而使用tsaw的方法由于其声能量具有单向性，对其作用效果的可控性不足，对于样品的分选能力较弱，因此使用ssaw进行分选成为微粒或细胞分选的主流。
5.使用声表面驻波进行粒子分选的微流控芯片，通常在粒子进入声场区前会采用鞘流聚焦的方法将粒子尽可能的汇聚在流道中心。然而，这种方法意味着需要多通道的注射泵，增加了成本，也提高了微流控系统的复杂度，降低了微流控系统的可控性。同时，分选效果与聚焦效果紧密相连，具体的说，混合粒子的聚焦带越窄，分选后的粒子纯度就越高，这就需要更快的鞘流流速或者更慢的样本流流速。而更快的鞘流流速会使主流道的流速增加，导致分选效果下降，故只能采用更慢的样本流流速，但会使得分选通量很低。
6.现有的基于声表面驻波的无鞘流分选技术通常会采用两对叉指换能器，一对叉指
换能器用来聚焦，另一对叉指换能器用来分选。但并未考虑这两组叉指换能器的相互间的影响；同时也需要两组不同的输入信号来激励这两组叉指换能器，使系统变得复杂；并且微流道的长度会显著增加，明显不利于微流控芯片的微小化、集成化。
技术实现要素：
7.为了克服上述现有技术的缺点，本发明提出了一种基于声表面波的无鞘流粒子分选微流控芯片。在一对叉指换能器激发的声表面驻波场中通过声辐射力和斯托克斯曳力的共同作用既能够实现粒子的聚焦又能够实现粒子的分选，无需借助鞘流进行聚焦，此外只需要一对叉指换能器，降低了微流控系统的复杂度；且空间往复式的流道结构与驻波场的匹配能够提高空间利用率，不会增加流道的长度，有利于微流控芯片的微小化、集成化。
8.本发明的技术方案如下：一种基于声表面波的无鞘流粒子分选微流控芯片，包括压电基底、微流道系统和一对叉指换能器，其中微流道系统和一对叉指换能器均设在压电基底上；所述微流道系统包括入口区、聚焦区、过渡区、分选区和出口区，入口区设有混合粒子流入通道，聚焦区依次设有相互平行的一级聚焦流道、二级聚焦流道、三级聚焦流道和四级聚焦流道，过渡区依次设有第一过渡流道、第二过渡流道、第三过渡流道和第四过渡流道，分选区设有分选流道，且分选流道沿微流道系统的中心轴线布置，出口区设有第二粒子流出通道和两条第一粒子流出通道，其中，流经第一粒子流出通道的粒子直径大于流经第二粒子流出通道的粒子直径；所述一对叉指换能器对称布置于微流道系统两侧，平行于各级聚焦流道及分选流道；混合粒子流入通道的入口端外接混合粒子溶液进液接头，出口端连接一级聚焦流道；一级聚焦流道和二级聚焦流道通过第一过渡流道连接；二级聚焦流道和三级聚焦流道通过第二过渡流道连接；三级聚焦流道和四级聚焦流道通过第三过渡流道连接；四级聚焦流道和分选流道通过第四过渡流道连接；两条第一粒子流出通道和第二粒子流出通道的入口端分别与分选流道相连通，出口端分别外接第一粒子收集接头和第二粒子收集接头。
9.本发明的有益效果如下：(1)与传统的需要鞘流聚焦的声表面波微流控芯片相比，本发明无需鞘流，降低了微流控系统的复杂度，提高了微流控系统的可控性。
10.(2)与采用两组叉指换能器进行先聚焦后分选的无鞘流微流控芯片相比，本发明仅需一组叉指换能器，结构简单，可操纵性强。
11.(3)流道的空间往复式结构，能够提高空间利用率，有利于微流控芯片的微小化、集成化。
附图说明
12.图1是本发明基于声表面波的无鞘流粒子分选微流控芯片的左右二等角轴测示意图。
13.图2是本发明基于声表面波的无鞘流粒子分选微流控芯片的区域划分图。
14.图3是本发明基于声表面波的无鞘流粒子分选微流控芯片的pdms微流道结构示意图。
15.图4是本发明基于声表面波的无鞘流粒子分选微流控芯片的原理示意图。
16.图5是本发明基于声表面波的无鞘流粒子分选微流控芯片的分选过程粒子轨迹示意图：(a)为混合粒子流入通道4出口端的粒子轨迹；(b)为一级聚焦流道5出口端的粒子轨迹；(c)为四级聚焦流道11出口端的粒子轨迹；(d)为分选流道13出口端的粒子轨迹。
具体实施方式
17.本发明提出的一种基于声表面波的无鞘流粒子分选微流控芯片，能够在仅需一对叉指换能器、不增加流道的长度和复杂度下，通过空间往复式的流道结构与驻波场的匹配设计实现粒子的先聚焦后分选而无需借助鞘流，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
18.参照图1、图2和图3，一种基于声表面波的无鞘流粒子分选微流控芯片，包括压电基底1、微流道系统3和一对叉指换能器2，其中微流道系统3和一对叉指换能器2均设在压电基底1上。
19.所述的微流道系统3包括入口区、聚焦区、过渡区、分选区和出口区，入口区设有混合粒子流入通道4，聚焦区依次设有相互平行的一级聚焦流道5、二级聚焦流道7、三级聚焦流道9和四级聚焦流道11，过渡区依次设有第一过渡流道6、第二过渡流道8、第三过渡流道10和第四过渡流道12，分选区设有分选流道13，且分选流道13沿微流道系统3的中心轴线布置，出口区设有第二粒子流出通道15和两条第一粒子流出通道14，其中，流经第一粒子流出通道14的粒子直径大于流经第二粒子流出通道15的粒子直径；所述的一对叉指换能器2对称布置于微流道系统3两侧，平行于各级聚焦流道及分选流道13；混合粒子流入通道4的入口端外接混合粒子溶液进液接头，出口端连接一级聚焦流道5；一级聚焦流道5和二级聚焦流道7通过第一过渡流道6连接；二级聚焦流道7和三级聚焦流道9通过第二过渡流道8连接；三级聚焦流道9和四级聚焦流道11通过第三过渡流道10连接；四级聚焦流道11和分选流道13通过第四过渡流道12连接；两条第一粒子流出通道14和第二粒子流出通道15的入口端分别与分选流道13相连通，出口端分别外接第一粒子收集接头和第二粒子收集接头。
20.所述的微流道系统3中的每一级聚焦流道的长度等于叉指换能器2的孔径，宽度等于一对叉指换能器2在压电基底1上所激发的声表面波16波长的二分之一；分选流道13的长度等于叉指换能器2的孔径，宽度等于声表面波16的波长；分选流道13和每一级聚焦流道均为直流道，每一条过渡流道均为u型流道，且均布置在声场区外。
21.所述的微流道系统3中的每一级聚焦流道内部的驻波场声压节点分别与各自的流道中心线重合；分选流道13内部的驻波场声压节点对称分布在流道中心线两侧，距离流道中心线的距离为声表面波16波长的四分之一；一级聚焦流道5和二级聚焦流道7、二级聚焦流道7和分选流道13、分选流道13和四级聚焦流道11、四级聚焦流道11和三级聚焦流道9的间距均为声表面波16波长的二分之一。
22.所述的压电基底1为128
°
y-x linbo3基底。
23.所述的一对叉指换能器2为均匀换能器，电极材料采用铬过渡层和金导电层的双层结构。
24.所述的微流道系统3为pdms微流道系统，与128
°
y-x linbo3基底键合。
25.工作原理如图4所示，将一对叉指换能器2与信号发生器的输出通道相连，启动信
号发生器施加电信号，根据逆压电效应，叉指换能器2在128
°
y-x linbo3基底1上产生声表面波16，通过相长干涉在微流道内形成驻波声压场；通入混合粒子溶液，在流经声场区时，粒子在声辐射力与斯托克斯阻力的共同作用下而偏转：每一级聚焦流道内的驻波场声压节点位于流道中心线上，粒子在共四级聚焦流道内经声辐射力反复作用，最终会汇聚在流道的中心；分选流道13内的驻波场声压节点对称分布在流道中心线两侧，位于流道中心的混合粒子会向声压节点偏转，大粒子所受声辐射力大，最终能够偏转到声压节点，从两侧的第一粒子流出通道14流出，小粒子也会发生偏转，但所受声辐射力小且分选距离有限，故偏转距离较小，最终会从中间的第二粒子流出通道15流出。
26.分选过程中粒子的轨迹如图5所示，通入混合粒子溶液，混合粒子在一级聚焦流道5入口端随机分布在流道内各个位置，如图5中的(a)所示；进入聚焦区后，由于驻波场声压节点位于流道中心线上，故粒子会向流道中心汇聚，经一级聚焦流道5后，大粒子已经完全汇聚在流道中心，而小粒子由于所受声辐射力小，聚焦效果并不明显，如图5中的(b)所示；经四级聚焦流道11后，大小粒子均能汇聚到流道中心，完成聚焦，如图5中的(c)所示；进入分选区后，由于驻波场声压节点对称分布在流道中心线两侧，位于流道中心的大、小粒子所受声辐射力大小不同，大粒子最终能够偏转到声压节点，而小粒子偏转距离较小，最终达到分选的效果，如图5中的(d)所示。
27.综上可见，本发明通过空间往复式的微流道结构与驻波声压场的匹配设计，实现了粒子的无鞘分选，避免了鞘流的引入带来的低通量、剪切力等问题，降低了微流控系统的复杂度，提高了微流控系统的可控性。同时，相比于其它无鞘流装置，本发明仅需一组叉指换能器，也不会增加流道的长度和复杂度，结构简单，可操纵性强。最后，设计的空间往复式的流道结构，能够提高芯片的空间利用率，有利于器件的小型化。
28.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
技术特征：
1.一种基于声表面波的无鞘流粒子分选微流控芯片，其特征在于：包括压电基底(1)、微流道系统(3)和一对叉指换能器(2)，其中微流道系统(3)和一对叉指换能器(2)均设在压电基底(1)上；所述微流道系统(3)包括入口区、聚焦区、过渡区、分选区和出口区，入口区设有混合粒子流入通道(4)，聚焦区依次设有相互平行的一级聚焦流道(5)、二级聚焦流道(7)、三级聚焦流道(9)和四级聚焦流道(11)，过渡区依次设有第一过渡流道(6)、第二过渡流道(8)、第三过渡流道(10)和第四过渡流道(12)，分选区设有分选流道(13)，且分选流道(13)沿微流道系统(3)的中心轴线布置，出口区设有第二粒子流出通道(15)和两条第一粒子流出通道(14)，其中，流经第一粒子流出通道(14)的粒子直径大于流经第二粒子流出通道(15)的粒子直径；所述一对叉指换能器(2)对称布置于微流道系统(3)两侧，平行于各级聚焦流道及分选流道(13)；混合粒子流入通道(4)的入口端外接混合粒子溶液进液接头，出口端连接一级聚焦流道(5)；一级聚焦流道(5)和二级聚焦流道(7)通过第一过渡流道(6)连接；二级聚焦流道(7)和三级聚焦流道(9)通过第二过渡流道(8)连接；三级聚焦流道(9)和四级聚焦流道(11)通过第三过渡流道(10)连接；四级聚焦流道(11)和分选流道(13)通过第四过渡流道(12)连接；两条第一粒子流出通道(14)和第二粒子流出通道(15)的入口端分别与分选流道(13)相连通，出口端分别外接第一粒子收集接头和第二粒子收集接头。2.根据权利1要求所述的一种基于声表面波的无鞘流粒子分选微流控芯片，其特征在于：所述微流道系统(3)中的每一级聚焦流道的长度等于叉指换能器(2)的孔径，宽度等于叉指换能器(2)在压电基底(1)上所激发的声表面波(16)波长的二分之一；分选流道(13)的长度等于叉指换能器(2)的孔径，宽度等于声表面波(16)的波长；分选流道(13)和每一级聚焦流道均为直流道，每一条过渡流道均为u型流道，且均布置在声场区外。3.根据权利1要求所述的一种基于声表面波的无鞘流粒子分选微流控芯片，其特征在于：所述的微流道系统(3)中的每一级聚焦流道内部的驻波场声压节点分别与各自的流道中心线重合；分选流道(13)内部的驻波场声压节点对称分布在流道中心线两侧，距离流道中心线的距离为声表面波(16)波长的四分之一；一级聚焦流道(5)和二级聚焦流道(7)、二级聚焦流道(7)和分选流道(13)、分选流道(13)和四级聚焦流道(11)、四级聚焦流道(11)和三级聚焦流道(9)的间距均为声表面波(16)波长的二分之一。4.根据权利1要求所述的一种基于声表面波的无鞘流粒子分选微流控芯片，其特征在于：所述压电基底(1)为128
°
y-x linbo3基底。5.根据权利1要求所述的一种基于声表面波的无鞘流粒子分选微流控芯片，其特征在于：所述一对叉指换能器(2)为均匀换能器，电极材料采用铬过渡层和金导电层的双层结构。6.根据权利1要求所述的一种基于声表面波的无鞘流粒子分选微流控芯片，其特征在于：所述微流道系统(3)为pdms(聚二甲基硅氧烷)微流道系统，与128
°
y-x linbo3基底键合。
技术总结
本发明公开了一种基于声表面波的无鞘流粒子分选微流控芯片，包括压电基底、叉指换能器和微流道系统，其中叉指换能器和微流道系统设在压电基底上。微流道系统包括入口区、聚焦区、过渡区、分选区和出口区。其中在入口区注入混合粒子溶液；聚焦区将入口处随机分布的粒子汇聚在微流道中心；在过渡区实现粒子的180
技术研发人员：
何勇 程金皓 方中 焦俊杰 王传婷 郭磊 何源 潘绪超 张猛
受保护的技术使用者：
南京理工大学
技术研发日：
2022.08.19
技术公布日：
2022/11/25
