[发明专利]一种可控微尺度气泡芯片及声流控颗粒分离方法及系统

说明书

本发明公开一种可控微尺度气泡芯片及声流控颗粒分离方法及系统，通过芯片结构设计可获得稳定的可控微尺度气泡。该声流控颗粒分离方法，在可控微尺度气泡芯片的基础上通过控制气泡的尺寸稳定，从而控制气液交界面附近的液体流动稳定，进而对目标颗粒进行富集，通入缓冲液实现颗粒分离。该声流控颗粒分离系统，在可控微尺度气泡芯片的基础上，利用基于视觉的气压控制系统对气泡尺寸进行实时调整，使得气泡在颗粒分离过程中自动保持在稳定的尺寸。本发明分离方法极大减少了参数调整的复杂性，同一芯片的分离实验仅通过调整气泡尺寸，即可实现稳定、可重复的颗粒分离实验。

技术领域

本发明涉及微流控、声学及自动化领域，具体是一种可控微尺度气泡芯片及声流控颗粒分离方法及系统。

背景技术

微流控技术或微流体技术(Microfluidics)是在微米尺度下对微量流体进行操作处理的科学和技术体系。在微流控芯片上施加振动使气泡的气液交界面发生振动，实现对气液交界面附近液体流动的控制，在微流体液体混液、微小颗粒分离等微尺度操作方面具有广阔前景。

向液体中的气泡施加声场，当施加的声场频率与气泡共振频率满足一定关系时，气泡产生振动，并带动气液交界面附近的液体按某一规律循环运动，即声场涡流。颗粒在随涡流运动过程中，受到曳力F_d与辐射力F_r，其中曳力是使颗粒跟随涡流运动的力，辐射力是将颗粒拉向气泡的力，两力共同作用于颗粒，进而形成颗粒涡流，公式如下所示：

F_d＝-6πηR_Pυ_P (1)

式中：η——液体系数；R_P是颗粒半径(m)；

υ_P——颗粒与涡流中液体相对运动速度(m/s)。

式中:R_P——颗粒半径(m)；

ρ_o——流体密度(kg/m³)；

ρ_p——颗粒密度(kg/m³)；

R_o——气泡半径(m)；

r——与气泡间距离(m)；

ω——角频率(rad/s)；

ω_o——固有角频率(rad/s)；

β_tot——总阻尼常数；

P_A——声压幅度(kPa)。

过去的分离实验过程中，通入颗粒混合溶液时，不同尺寸颗粒被同时富集于声场涡流之中，因受力不同，不同尺寸颗粒的运动轨迹不同，如图1所示。此时通入缓冲液，小颗粒因尺寸较小，涡流对其施加的力较小，故会被缓冲液冲出，仅留下涡流中的大颗粒，实现分离。气泡随机生成及气泡尺寸不可控的问题，使富集过程具有不稳定、不可控的特性，分离效果及分离实验的重复性受到很大影响。

2018年Tony Jun Huang团队对基于气泡的声涡流进行总结，声场中气泡尺寸不可控且在实验再现方面具有一定限制。目前常用的声学颗粒分离方法是基于不可控气泡的声流控颗粒分离，导致无法实现重复性高且稳定的颗粒分离。

发明内容