一种声表面波辅助实现微通道内微液滴分裂的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微流控芯片中的微通道内微液滴分裂技术，尤其是涉及一种声表面波辅助实现微通道内微液滴分裂的装置及方法。
【背景技术】
[0002]微流技术可将一系列诸如抽样、样品预处理、分离、反应、检测和数据分析集成于一块微流基片上，这极大地降低了微流分析成本，并缩短了微流分析时间，因而，以微流技术为核心的微流控芯片已广泛应用于DNA测序、蛋白质分析、单细胞分析、毒品检测和食物安全等领域。根据微流分析系统中的微流体存在的形式来分，微流体可分为连续流形式的连续微流体和离散微液滴形式的数字微液滴。一般来说，数字微液滴工作的微流分析系统具有试剂体积更小、分析时间更短、分析精度更高和通量更高等优势，因而，数字微液滴工作的微流分析系统应用更为广泛、应用潜力也更大。
[0003]在数字微液滴工作的微流分析系统中，往往需要对数字微液滴的体积、数字微液滴内样品或试剂溶液浓度进行调节，为此，需要对数字微液滴工作的微流分析系统中微通道内数字微液滴进行分裂的微流操作。典型的微通道内数字微液滴分裂的方法是采用“T型结”法，待分析的微通道内的数字微液滴在与之不相溶的载流体中，在外加压力作用下，载流体及微通道内的数字微液滴在微通道内输运，当数字微液滴经过“T型结”时，数字微液滴受到“T型结”和载流体的共同作用发生形变，当形变引起的剪切力大于数字微液滴的表面张力时，微通道内的数字微液滴发生分裂。“T型结”法的优点是分裂后的子液滴的尺寸可以由微通道输运的载流体的流速和“T型结”的尺寸进行灵活调节，其缺点是“T型结”微通道的空间尺寸较大，尤其是当微通道内的数字微液滴需进行数次级联分裂时，完成微通道内的数字微液滴分裂为所需体积的子液滴需要更大的基片面积，有待改进。
[0004]在微通道中设置孤立的立方体微障碍物是微通道内的数字微液滴分裂的另一种典型方式，通过软光刻工艺，在微通道内设计PDMS立方体微障碍物，在外加压力作用下，微通道内的载流体及数字微液滴沿微通道内输运，数字微液滴遇到微通道内的PDMS立方体微障碍物时，数字微液滴在剪切力下发生形变，而发生分裂。相对于“T型结”法，该方法的优点是其所采用的微通道的结构较为简单，器件尺寸小，分裂后的子液滴的体积可以由PDMS立方体微障碍物与微通道之间的距离进行调节，其缺点是分裂后的子液滴的尺寸往往难以较为精确控制，有待改进。
[0005]声表面波器件因具有工艺成熟、简单、强大的微流体操作能力等优点，为微流控芯片所重视，并已发展成为微流控芯片的一个重要分支。然而，压电微流控芯片主要集中于开放式微流操作及微流分析，压电基片上的数字微液滴蒸发现象较为严重，影响微流分析精度。虽然，采用油包数字微液滴可解决压电基片上数字微液滴蒸发问题，但是油包数字微液滴的产生增加了微流器件及微流分析时间。
[0006]已报道的基于声表面波微液滴分裂方法采用较大电信号电压加到聚焦叉指换能器(聚焦叉指换能器为加权的叉指换能器中的一种)上，激发较高强度的声表面波使得待分裂微液滴发生飞逸实现压电基片上微液滴的分裂，然而由于声表面波的强度较高，因而容易使得压电基片发生碎裂，从而导致该方法难以推广应用。
[0007]如期刊《微电子机械系统》2008年第17卷第I期147-156页(Journal ofmicroelectromechanical systems, Vol.17 (I), 2008:147-156)公开的《基于微液滴油包封微反应器》(《Droplet-Based Microreact1ns With Oil Encapsulat1n》)，其利用玻璃基片上的油相微液滴包封利用声表面波破裂出来的数字微液滴，实现油相微液滴内反应物的化学反应，该微反应器操作时将待反应的数字微液滴置放于PZT压电基片上，经功率放大器放大的RF电信号加载到PZT压电基片上的聚焦叉指换能器上激发强声波，使得声路径上的数字微液滴破裂并飞逸到PZT压电基片上方的玻璃基片上。该微反应器由于破裂位于PZT压电基片上的数字微液滴需要较高的电信号功率，因此易使常用于压电微流系统的铌酸锂基片发生碎裂，且聚焦叉指换能器设计较复杂，给压电微流系统应用带来了困难。
【发明内容】
[0008]本发明所要解决的技术问题是提供一种声表面波辅助实现微通道内微液滴分裂的装置及方法，该装置结构简单、器件体积小、易于集成，且该装置及方法只需较低的电信号功率就能实现数字微液滴的分裂，能够很好的避免压电基片发生碎裂。
[0009]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种声表面波辅助实现微通道内微液滴分裂的装置，包括压电基片和用于产生RF电信号的信号发生装置，所述的压电基片的上表面为工作表面，其特征在于:所述的压电基片的工作表面上设置有用于输运数字微液滴的微通道、分别与所述的信号发生装置连接且用于激发声表面波的分裂用不加权叉指换能器和不分裂用不加权叉指换能器，所述的微通道在长度方向上分为前部分和后部分，所述的分裂用不加权叉指换能器和所述的不分裂用不加权叉指换能器对称分布于所述的微通道的前部分的横向两侧，所述的微通道的后部分的前端内设置有宽度小于所述的微通道的宽度的阻流条，所述的阻流条的横向第一外侧面、外顶面、外底面对应与所述的微通道的后部分的前端横向第一内侧面、内顶面、内底面紧贴，所述的阻流条的横向第二外侧面与所述的微通道的后部分的前端横向第二内侧面之间的空间形成用于输运未分裂的数字微液滴的子通道，所述的子通道靠近所述的分裂用不加权叉指换能器所在位置的一侧，所述的阻流条内设置有用于分裂数字微液滴并输运分裂后的子液滴的若干个细通道；放置于所述的微通道的前部分内的数字微液滴在所述的分裂用不加权叉指换能器激发的声表面波和所述的微通道内输运的油相连续微流体的作用下向所述的阻流条输运，数字微液滴被所述的细通道分裂成子液滴，子液滴经所述的细通道后输运至所述的微通道的后部分的后端；放置于所述的微通道的前部分内的数字微液滴在所述的不分裂用不加权叉指换能器激发的声表面波和所述的微通道内输运的油相连续微流体的作用下向所述的子通道输运，数字微液滴经所述的子通道输运至所述的微通道的后部分的后端。
[0010]所述的微通道的壁厚为2毫米?4毫米；在此，将微通道的壁厚设计为2毫米?4毫米，既可以确保微通道的壁底面能够与压电基片的工作表面贴合，又能够减少微通道的壁侧面对声表面波的衰减。
[0011]所述的微通道的前部分的长度与所述的分裂用不加权叉指换能器和所述的不分裂用不加权叉指换能器的孔径一致；所述的阻流条的前端端面与所述的微通道的后部分的起始位置齐平；在此，将微通道的前部分的长度设计为与分裂用不加权叉指换能器和不分裂用不加权叉指换能器的孔径一致，是为了确保微通道的前部分完全位于分裂用不加权叉指换能器和不分裂用不加权叉指换能器激发的声表面波的声传输路径上；使阻流条的前端端面与微通道的后部分的起始位置齐平是为了使待分裂的数字微液滴在分裂后不受声表面波的影响。
[0012]所述的阻流条的宽度为所述的微通道的宽度的0.5?0.8倍，所述的阻流条的长度为5毫米?10毫米；所述的子通道的宽度为所述的微通道的宽度的0.2?0.5倍；在此限定阻流条的宽度是为了留出一定的空间，这样在不需要分裂数字微液滴时可通过留出的空间即子通道进行输运。
[0013]所述的阻流条内设置有两个所述的细通道，分别为直型细通道和斜型细通道，所述的直型细通道的入口和所述的斜型细通道的入口均位于所述的阻流条的前端端面上，所述的直型细通道的出口位于所述的阻流条的后端端面上，所述的斜型细通道的出口位于所述的阻流条的横向第二外侧面上；在阻流条内设置两个细通道时，可设置一个直型细通道和一个斜型细通道，直型细通道的出口位于阻流条的后端端面上，而斜型细通道的出口位于阻流条的横向第二外侧面上，也就是说两个细通道的出口位于不同的面上，这样可有效避免分裂后的子液滴融合，当然如果阻流条足够宽也可直接设置多个直型细通道，在具体设计时只需考虑能够避免分裂后的子液滴融合即可。
[0014]所述的压电基片的工作表面上还设置有用于减少加载于所述的分裂用不加权叉指换能器上的RF电信号的功率的第一反射栅、用于减少加载于所述的不分裂用不加权叉指换能器上的RF电信号的功率的第二反射栅。
[0015]所述的信号发生装置由用于产