一种基于沉降速度的声学分离微粒方法及系统

本发明属于微粒分离，具体涉及一种基于沉降速度的声学分离微粒方法及系统。

背景技术：

1、颗粒分离在化学过程、细胞自组装、微流控芯片和医学工程等领域都有重要作用。例如在医学领域，不同大小、不同种类的细胞指示着该生命体的健康状况及各项指标，在诊断中需要将它们分离出来查看它们的数量及形态以对疾病的情况进行判断。在工业生产领域，工厂生产的功能颗粒有良品有次品，工人们需要将次品分离出来以提高良品率及分析生产状况。最传统的颗粒分离方法为过筛法和离心法，但过筛法常常容易造成堵塞和颗粒的形变，而离心法除了容易造成颗粒的形变外，在粒径极小的情况下所需要的超高转速也形成了困难。人们探索了各种不同的颗粒分离方法，包括热学法、电磁法和声法。这些方法大多要求颗粒具有特殊的性质，如热、电和磁性。与其他方法相比，声学方法适用于多种材料的粒子，具有无接触性和高度的生物相容性等优点。

2、近年来，最常见的声学微粒分选方法是在微通道中利用表面声波进行分离。通常，由布置在微通道两侧的叉指电极形成表面声波，在微通道中的颗粒受到表面声波产生的声辐射力而发生偏移。由于声辐射力和颗粒的直径相关，不同尺寸的颗粒在流动过程中产生的偏移不同，进而流向了不同的出口，从而达到了分离的目的。然而，这种装置通常需要复杂的制备过程，叉指电极的工作频率范围很窄，其灵活性较差，并且，如果装置中的流速过快会大大减弱声辐射力的效果，因此在通量上也存在着限制。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于沉降速度的声学分离微粒方法及系统，用于解决现有的声表面波法采用的装置制备过程复杂、成本高的技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明公开了一种基于沉降速度的声学分离微粒系统，包括声波振动装置、用于放置微粒液体的液体腔室和用于传导振动的底板；所述声波振动装置和液体腔室均固定设置在底板的表面。

4、进一步地，所述声波振动装置的数量为一个或多个。

5、进一步地，所述声波振动装置为压电换能器。

6、进一步地，所述液体腔室的高度不低于液体腔室中放置的微粒液体中的微粒的直径。

7、进一步地，所述底板的材料为玻璃、硅、铁、铜或铝。

8、进一步地，所述液体腔室的材料为聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚氯乙烯。

9、进一步地，所述液体腔室中放置的微粒液体由微粒和溶液混合得到；所述溶液的种类为水、生理盐水、甲醛、乙醇、丙酮、四氯化碳、乙酸乙酯、苯、苯乙烯或二氟甲烷。

10、进一步地，所述微粒液体中的微粒的密度大于溶液的密度。

11、本发明还公开了采用上述系统进行微粒分离的方法，包括以下步骤：

12、首先将微粒液体放入液体腔室中，随后打开声波振动装置带动底板震动，底板震动产生的震动变形、声辐射力以及声波与微粒液体产生的声流效应实现液体腔室中微粒液体的微粒分离。

13、进一步地，当所述声波振动装置为压电换能器时，所述压电换能器的工作频率为10hz～10mhz。

14、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

15、本发明公开了一种基于沉降速度的声学分离微粒系统，通过在用于传导振动的底板上设置液体腔室和声波振动装置，通过声波振动装置带动底板震动，从而对液体腔室中的微粒液体作用，实现微粒液体中的微粒分离；该装置结构简易，制备过程简单，所需的原件成本低，能够实现产业化应用。

16、进一步地，本发明中的液体腔室可以做得更大，使分离效率更高，应用范围更广泛。

17、本发明还公开了采用上述系统进行微粒分离的方法，该系统在进行微粒分离时，通过底板的震动，会使得液体腔室中下沉较慢的颗粒聚集到波腹的位置，下沉较快的颗粒聚集到波节的位置，受重力、浮力和表面电荷的影响，下沉较快的颗粒在振动过程中会处于接近底板的区域，而下沉较慢的颗粒会处于距离底板一定高度的区域，底板的振动会产生三种效应：1)底板由于振动产生的变形；2)声波传导到液体中对颗粒产生的声辐射力；3)声波与液体耦合产生的声流效应。其中，振动变形和声辐射力会使颗粒往波节方向移动，声流效应会使颗粒往波腹方向移动；由于振动变形只会在颗粒与底板接触的时候发生作用，而声辐射力越接近底板才会效果越明显，所以对于沉得快的颗粒受这两种效应的影响更大，会聚集在波节位置。而声流效应由于边界层的存在，在距离底板一定高度的地方声流速度才最大，所以对于沉得慢的颗粒受声流效应的影响更大，会聚集在波腹位置；该方法相比于传统的过筛法和离心法，本发明不会造成堵塞或颗粒变形；相比于热学法、电磁法，本发明不需要考虑颗粒的热学性、电磁性等物理属性。

技术特征：

1.一种基于沉降速度的声学分离微粒系统，其特征在于，包括声波振动装置、用于放置微粒液体的液体腔室(2)和用于传导振动的底板(3)；所述声波振动装置和液体腔室(2)均固定设置在底板(3)的表面。

2.根据权利要求1所述的一种基于沉降速度的声学分离微粒系统，其特征在于，所述声波振动装置的数量为一个或多个。

3.根据权利要求1所述的一种基于沉降速度的声学分离微粒系统，其特征在于，所述声波振动装置为压电换能器(1)。

4.根据权利要求1所述的一种基于沉降速度的声学分离微粒系统，其特征在于，所述液体腔室(2)的高度不低于液体腔室(2)中放置的微粒液体中的微粒的直径。

5.根据权利要求1所述的一种基于沉降速度的声学分离微粒系统，其特征在于，所述底板(3)的材料为玻璃、硅、铁、铜或铝。

6.根据权利要求1所述的一种基于沉降速度的声学分离微粒系统，其特征在于，所述液体腔室(2)的材料为聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚氯乙烯。

7.根据权利要求1所述的一种基于沉降速度的声学分离微粒系统，其特征在于，所述液体腔室(2)中放置的微粒液体由微粒和溶液混合得到；所述溶液的种类为水、生理盐水、甲醛、乙醇、丙酮、四氯化碳、乙酸乙酯、苯、苯乙烯或二氟甲烷。

8.根据权利要求7所述的一种基于沉降速度的声学分离微粒系统，其特征在于，所述微粒液体中的微粒的密度大于溶液的密度。

9.采用权利要求1～8中任意一项所述的系统进行微粒分离的方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的一种微粒分离的方法，其特征在于，当所述声波振动装置为压电换能器(1)时，所述压电换能器(1)的工作频率为10hz～10mhz。

技术总结
本发明公开了一种基于沉降速度的声学分离微粒方法及系统，属于微粒分离技术领域。本发明的系统通过在用于传导振动的底板上设置液体腔室和声波振动装置，通过声波振动装置带动底板震动，从而对液体腔室中的微粒液体作用，实现微粒液体中的微粒分离；该装置结构简易，制备过程简单，所需的原件成本低，能够实现产业化应用。同时本发明中的液体腔室可以做得更大，使分离效率更高，应用范围更广泛。

技术研发人员：赵雄,郝南京
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16