一种基于多级声表面驻波的多粒径细胞分选装置及方法

本发明属于mems器件，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：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

6、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°。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、作为优选，所述的驻波生成单元的制备过程如下：

12、步骤一、清洗并烘干衬底。

13、步骤二、在衬底上旋涂光刻胶并进行前烘。

14、步骤三、对覆有掩模版衬底进行紫外光曝光后显影。

15、步骤四、通过电子束蒸发在衬底上生长一层金膜。

16、步骤五、将衬底在丙酮溶液中浸泡后超声清洗。

17、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：

18、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。

19、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。

20、本发明的有益效果为：

21、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。

22、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。

技术特征：

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：

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：

技术总结
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。

技术研发人员：轩伟鹏,姜英琦,陈津,黄汐威,叶博雅,曹臻,孙玲玲,金浩,董树荣,骆季奎
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12