一种对微纳米颗粒进行富集、分选的装置和方法

阅读：评论：0

1.本发明涉及声学技术领域，具体来说，涉及一种对微纳米颗粒进行富集、分选的装置和方法。

背景技术：

2.微纳米颗粒的多功能操控在生物医学和生化应用中不可缺少的工具，其中包括药物递送、细胞操作、用于诊断的样品富集、组织工程和催化反应。粒子操纵的传统技术包括磁性、光电、等离子体、电动和流体动力学。在具体应用中，这些方法虽然各有优势，但也存在一些不足。例如，操纵磁场和电场镊子需要具有电磁物理特性的粒子；光学和等离子镊子提供高精度，但它们通常仅限于操纵相对较少的粒子。流体动力镊子使用流体流动来捕获、聚焦和分类微通道内的颗粒，但它们的可控性较差，并且操纵颗粒的能力有限。声操控技术由于其良好的生物相容性，在生物和生物医学研究领域中被广泛研究，比如生物微纳米颗粒的浓缩富集、分选分析。
3.专利公开号为cn103864173a的中国发明公开了一种在多个位置上聚集微纳米颗粒的方法和装置，该发明采用一个长方形腔体，超声励振器，声透过/吸收板，超声励振器振动，在腔室中产生行波声场，从而在水体中产生声学流涡流，分散在流体中的微纳米颗粒会随着涡流流动，聚集到涡流中心位置。
4.上述发明存在以下不足：腔室中多点对称声涡流场是在较为理想的状态下激发的，需要声波的波长与腔室的尺寸匹配才能激发出涡流场，然后声涡流场聚集流场中的微纳米形成粒子团，然而，当纳米粒子团的直径大于2um时，纳米粒子团的运动由初级声辐射力主导，使得微纳米粒子团远离涡流中心而重新分散开，造成微纳米颗粒无法有效聚集，此外，通过激发固体腔室结构谐振方式激发的流场模式较为单一，无法通过改变外加声场来实现对流体中的微纳米颗粒进行多模式操控，此发明只有简单富集微粒的功能，这种方法的控制能力较弱，并无法对微粒进行分选的操作。因此，亟需一种对微纳米颗粒进行富集、分选的装置和方法来解决上述问题。

技术实现要素：

5.针对相关技术中的问题，本发明提出一种对微纳米颗粒进行富集、分选的装置和方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
6.本发明的技术方案是这样实现的：
7.一种对微纳米颗粒进行富集、分选的装置，包括盖板、控制器和设置于所述盖板顶部的超声励振器，所述盖板的底部覆盖有连接片，所述连接片的底部键合有芯片，所述芯片的顶部设置有等距离分布的微孔，所述芯片的底部设置有底板，所述盖板、所述连接片、所述芯片的四侧外壁均设置有侧板，所述超声励振器的顶部设置有连接导线，所述超声励振器通过所述连接导线与所述控制器形成电性连接，所述控制器的一侧外壁设置有开关，所述控制器的顶部设置有调节旋钮。
8.进一步地，所述超声励振器为压电陶瓷片，所述超声励振器的底部涂抹有超声波耦合剂，所述超声励振器通过超声波耦合剂与所述芯片耦合在一起。
9.进一步地，所述芯片和所述底板由ito玻璃制成，所述芯片顶部开设的等距离所述微孔通过紫外光刻工艺制造。
10.进一步地，所述侧板与所述连接片均由聚二甲基硅氧烷材料制成。
11.进一步地，所述控制器的底部内壁固定连接有控制电路板，所述控制电路板的顶部分别设置有传感器驱动模块和插座，所述连接导线，所述连接导线的一端设置有插头，所述插头与所述插座相配合，所述控制器的顶部开设有通槽，所述插头从所述通槽的内部穿过。
12.进一步地，所述控制器的顶部外壁开设有弧形槽，所述弧形槽的与所述通槽相连通。
13.进一步地，所述芯片的内部填充有作为流场的声学流动媒介，所述声学流动媒介为水。
14.进一步地，等距离分布在所述芯片顶部外壁的所述微孔内部捕捉有气泡，所述微孔的直径为15um、深度为5um。
15.一种对微纳米颗粒进行富集、分选的方法，其采用上述实施例所述的一种对微纳米颗粒进行富集、分选的装置，包括以下步骤：
16.s1：工作人员首先打开控制器一侧外壁的开关，此时控制器内部的传感器驱动模块使超声励振器工作，超声励振器产生的超声波辐照在芯片腔室内部的流动媒介中，通过超声空化效应会产生气泡；
17.s2：s1中产生中的气泡在其谐振频率相同的超声波激励下，发生气泡共振诱导的高速声流场，声流场产生的拖拽力fd把流体中的微纳米颗粒带到气泡附近，气泡附近微纳米颗粒的浓度变高，微纳米颗粒之间的距离也变小，次级声辐射力fsec变大，使得微纳米颗粒聚集；
18.s3：当工作人员施加的声场与气泡谐振频率不同，声波激发气泡振动，不仅可以控制流体中的微纳米颗粒聚集，由于该振荡模式下激发的是围绕气泡的涡流场，声流场产生的拖拽力fd还可以控制粒子围绕气泡旋转。
19.本发明的有益效果：
20.1、本发明提供的一种对微纳米颗粒进行富集、分选的装置和方法，本装置操控能力增强，与固体结构界面相比，气泡界面自由度高，超声激发气泡阵列振动产生固体结构振动不具备的多模式声流场，微结构和气泡结合，使得气泡能在声场中指定位置振荡，不容易受声场和流场的影响而随意移动，提高流体中微粒的可操控性，可对微孔结构进行程序化设计，在指定位置进行微纳米颗粒的操控。
21.2、本发明提供的一种对微纳米颗粒进行富集、分选的装置和方法，本装置灵敏度增强，由于气泡对超声非常敏感，使用很低的声功率就能驱动气泡振荡形成声场操控流体中的微粒；
22.同时本装置具备微粒分选的能力，在含有微纳米颗粒的微流通道中布置该结构，可通过改变外加声场的频率，对半径1um以下的微粒进行筛选，这对于从血液中分离出诸如细胞外囊泡(ev)等其他一些小分子具有较大应用价值，且本装置具备小型化，集成化的能
力。
23.3、本发明提供的一种对微纳米颗粒进行富集、分选的装置和方法，当微纳米颗粒的直径小于2um,初级声辐射力失去对此类微纳米微粒的控制，其在声场中的运动有声流产生的斯托克斯拽力主导，本发明通过使用微孔微阵列芯片结构捕获微气泡结构，形成气泡阵列，相比固体结构界面，气泡界面具有更高的自由度和声敏感性，在微通流体道中，可使用不同频率的超声激发气泡产生不同的振动模式来操控微纳米颗粒聚集，旋转，产生声流和次级声辐射力，对直径2um以下的微粒进行筛选。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明的整体结构示意图。
26.图2为本发明的盖板、侧板、连接片爆炸结构示意图。
27.图3为本发明的控制器整体结构示意图。
28.图4为本发明的控制器内部结构示意图。
29.图5为本发明的微气泡阵列芯片结构示意图。
30.图6为本发明的微孔和气泡结构示意图。
31.图7为本发明微孔阵列中气泡振荡激发的声流场结构示意图。
32.图8为本发明气泡振荡激发的环形声流场示意图。
33.图中：
34.1、盖板；2、超声励振器；3、侧板；4、开关；5、调节旋钮；6、控制器；7、插头；8、连接导线；9、连接片；10、芯片；11、微孔；12、通槽；13、弧形槽；14、插座；15、传感器驱动模块；16、控制电路板；17、气泡；18、底板。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.请参阅图1-图8，一种对微纳米颗粒进行富集、分选的装置，包括盖板1、控制器6和设置于盖板1顶部的超声励振器2，盖板1的底部覆盖有连接片9，连接片9的底部键合有芯片10，芯片10的顶部设置有等距离分布的微孔11，芯片10的底部设置有底板18，盖板1、连接片9、芯片10的四侧外壁均设置有侧板3，超声励振器2的顶部设置有连接导线8，超声励振器2通过连接导线8与控制器6形成电性连接，控制器6的一侧外壁设置有开关4，控制器6的顶部设置有调节旋钮5。
37.超声励振器2为压电陶瓷片，超声励振器2的底部涂抹有超声波耦合剂，超声励振器2通过超声波耦合剂与芯片10耦合在一起，芯片10和所述底板18由ito玻璃制成，芯片10
顶部开设的等距离微孔11通过紫外光刻工艺制造，侧板3与连接片9均由聚二甲基硅氧烷材料制成。
38.控制器6的底部内壁固定连接有控制电路板16，控制电路板16的顶部分别设置有传感器驱动模块15和插座14，连接导线8，连接导线8的一端设置有插头7，插头7与插座14相配合，控制器6的顶部开设有通槽12，插头7从通槽12的内部穿过。
39.控制器6的顶部外壁开设有弧形槽13，弧形槽13的与通槽12相连通。
40.芯片10的内部填充有作为流场的声学流动媒介，声学流动媒介为水，等距离分布在芯片10顶部外壁的微孔11内部捕捉有气泡17，微孔11的直径为15um、深度为5um。
41.一种对微纳米颗粒进行富集、分选的方法，其采用上述实施例所述的一种对微纳米颗粒进行富集、分选的装置，包括以下步骤：
42.第一步：工作人员首先打开控制器6一侧外壁的开关4，此时控制器6内部的传感器驱动模块15使超声励振器2工作，超声励振器2产生的超声波辐照在芯片10腔室内部的流动媒介中，通过超声空化效应会产生气泡17；
43.第二步：第一步中产生中的气泡17在其谐振频率相同的超声波激励下，发生气泡17共振诱导的高速声流场，声流场产生的拖拽力fd把流体中的微纳米颗粒带到气泡17附近，气泡17附近微纳米颗粒的浓度变高，微纳米颗粒之间的距离也变小，次级声辐射力f
sec
变大，使得微纳米颗粒聚集；
44.第三步：当工作人员施加的声场与气泡17谐振频率不同，声波激发气泡17振动，不仅可以控制流体中的微纳米颗粒聚集，由于该振荡模式下激发的是围绕气泡17的涡流场，声流场产生的拖拽力fd还可以控制粒子围绕气泡17旋转。
45.综上所述，借助于本发明的上述技术方案，工作人员首先打开控制器6一侧外壁的开关4，此时控制器6内部的传感器驱动模块15使超声励振器2工作，超声励振器2产生的超声波辐照在芯片10腔室内部的流动媒介中，通过超声空化效应会产生气泡17，产生中的气泡17在其谐振频率相同的超声波激励下，发生气泡17共振诱导的高速声流场，声流场产生的拖拽力fd把流体中的微纳米颗粒带到气泡17附近，气泡17附近微纳米颗粒的浓度变高，微纳米颗粒之间的距离也变小，次级声辐射力f
sec
变大，使得微纳米颗粒聚集，当工作人员施加的声场与气泡17谐振频率不同，声波激发气泡17振动，不仅可以控制流体中的微纳米颗粒聚集，由于该振荡模式下激发的是围绕气泡17的涡流场，声流场产生的拖拽力fd还可以控制粒子围绕气泡17旋转，在微流通道中设置微孔11阵列结构，声场激发微孔11阵列中的气泡17振动，通过公式可知公式中，最大流体拖拽力f
dmax
与次级声辐射力f
sec
的比值与粒子的半径rs和角频率w有关，当最大流体拖拽力f
dmax
与次级声辐射力f
sec
相等时，得到角频率w与临界半径rc半径的函数关系，可以通过调节角频率大小来筛选不同粒径的微纳米颗粒，从而通过外流场带走未被捕获的微粒。
46.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种对微纳米颗粒进行富集、分选的装置，包括盖板(1)、控制器(6)和设置于所述盖板(1)顶部的超声励振器(2)，其特征在于，所述盖板(1)的底部覆盖有连接片(9)，所述连接片(9)的底部键合有芯片(10)，所述芯片(10)的顶部设置有等距离分布的微孔(11)，所述芯片(10)的底部设置有底板(18)，所述盖板(1)、所述连接片(9)、所述芯片(10)的四侧外壁均设置有侧板(3)，所述超声励振器(2)的顶部设置有连接导线(8)，所述超声励振器(2)通过所述连接导线(8)与所述控制器(6)形成电性连接，所述控制器(6)的一侧外壁设置有开关(4)，所述控制器(6)的顶部设置有调节旋钮(5)。2.根据权利要求1所述的一种对微纳米颗粒进行富集、分选的装置，其特征在于，所述超声励振器(2)为压电陶瓷片，所述超声励振器(2)的底部涂抹有超声波耦合剂，所述超声励振器(2)通过超声波耦合剂与所述芯片(10)耦合在一起。3.根据权利要求1所述的一种对微纳米颗粒进行富集、分选的装置，其特征在于，所述芯片(10)和所述底板(18)由ito玻璃制成，所述芯片(10)顶部开设的等距离所述微孔(11)通过紫外光刻工艺制造。4.根据权利要求1所述的一种对微纳米颗粒进行富集、分选的装置，其特征在于，所述侧板(3)与所述连接片(9)均由聚二甲基硅氧烷材料制成。5.根据权利要求1所述的一种对微纳米颗粒进行富集、分选的装置，其特征在于，所述控制器(6)的底部内壁固定连接有控制电路板(16)，所述控制电路板(16)的顶部分别设置有传感器驱动模块(15)和插座(14)，所述连接导线(8)，所述连接导线(8)的一端设置有插头(7)，所述插头(7)与所述插座(14)相配合，所述控制器(6)的顶部开设有通槽(12)，所述插头(7)从所述通槽(12)的内部穿过。6.根据权利要求5所述的一种对微纳米颗粒进行富集、分选的装置，其特征在于，所述控制器(6)的顶部外壁开设有弧形槽(13)，所述弧形槽(13)的与所述通槽(12)相连通。7.根据权利要求1所述的一种对微纳米颗粒进行富集、分选的装置，其特征在于，所述芯片(10)的内部填充有作为流场的声学流动媒介，所述声学流动媒介为水。8.根据权利要求7所述的一种对微纳米颗粒进行富集、分选的装置，其特征在于，等距离分布在所述芯片(10)顶部外壁的所述微孔(11)内部捕捉有气泡(17)，所述微孔(11)的直径为15um、深度为5um。9.一种对微纳米颗粒进行富集、分选的方法，其采用权利要求8所述的一种对微纳米颗粒进行富集、分选的装置，其特征在于，包括以下步骤：s1：工作人员首先打开控制器(6)一侧外壁的开关(4)，此时控制器(6)内部的传感器驱动模块(15)使超声励振器(2)工作，超声励振器(2)产生的超声波辐照在芯片(10)腔室内部的流动媒介中，通过超声空化效应会产生气泡(17)；s2：s1中产生中的气泡(17)在其谐振频率相同的超声波激励下，发生气泡(17)共振诱导的高速声流场，声流场产生的拖拽力f
d
把流体中的微纳米颗粒带到气泡(17)附近，气泡(17)附近微纳米颗粒的浓度变高，微纳米颗粒之间的距离也变小，次级声辐射力f
sec
变大，使得微纳米颗粒聚集；s3：当工作人员施加的声场与气泡(17)谐振频率不同，声波激发气泡(17)振动，不仅可以控制流体中的微纳米颗粒聚集，由于该振荡模式下激发的是围绕气泡(17)的涡流场，声流场产生的拖拽力f
d
还可以控制粒子围绕气泡旋转。

技术总结

本发明公开了一种对微纳米颗粒进行富集、分选的装置和方法，包括盖板、控制器和设置于所述盖板顶部的超声励振器，所述盖板的底部覆盖有连接片，所述连接片的底部键合有芯片，所述芯片的顶部设置有等距离分布的微孔，所述芯片的底部设置有底板，所述盖板、所述连接片、所述芯片的四侧外壁均设置有侧板。本发明操控能力增强，与固体结构界面相比，气泡界面自由度高，超声激发气泡阵列振动产生固体结构振动不具备的多模式声流场，微结构和气泡结合，使得气泡能在声场中指定位置振荡，不容易受声场和流场的影响而随意移动，提高流体中微粒的可操控性，可对微孔结构进行程序化设计，在指定位置进行微纳米颗粒的操控。置进行微纳米颗粒的操控。置进行微纳米颗粒的操控。