[发明专利]一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片和应用

说明书

本发明公开一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片和应用，属于微流控分析技术领域。针对现有技术中存在的微流控芯片在微粒子分离时，超声表面驻波作用区域的参数设计仅依据经验判断，粒子分离效率不高，浪费大量时间和成本的问题，本发明提供基于超声表面驻波微流控芯片分离微粒子的方法，确定微流控芯片微流腔内部通道截面积的尺寸，超声驻波作用区长度、叉指换能器倾斜角度、叉指换能器相位变化速率和叉指换能器的孔径尺寸，工作时液体流速和输入电压，进行粒子分离。微粒子分离时使用芯片设计主要涉及超声表面驻波作用区域，不限定其他区域和聚焦方法，降低粒子分离操作步骤和器件制备难度，提高粒子分离效率。

技术领域

本发明涉及微流控分析技术领域，更具体地说，涉及一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片和应用。

背景技术

近年来，超声微流控以其无接触、无标记和生物兼容性好的特征，引起广泛的关注。利用超声微流控芯片可以对微粒子或细胞等进行操纵、聚焦、排列和分离等。超声微流控芯片可分为基于超声体波和基于超声表面波两种类型。与基于体波的方法不同，基于超声表面波的方法不依赖于通道壁产生的共振，有着灵活的设计空间和很强的应用潜力。在表面波芯片中，驻波型芯片具有较高的声能量密度，应用广泛。

此类芯片的一个重要应用是进行微尺度粒子的分离、分选、提纯等。粒子分离型芯片工作时，两个相对放置、指条平行的叉指换能器分别发射超声表面波，在基底表面形成驻波场。该驻波在腔体覆盖的区域内泄漏进入腔内流体中，对流体内的粒子施加超声辐射力。由于不同粒子的性质差异(如尺寸、密度或声速差异等)，其在超声表面驻波作用下的受力情况也明显不同，最终使不同类型的粒子呈现不同的运动轨迹。由于腔内流体一般是连续流动的，不同类型粒子在腔体内因此形成不同的流动轨迹，最终可进入腔体下游的不同出口，实现分离。

为实现上述粒子分离过程，微流控芯片的微流腔需要包含入口区域、预聚焦区域、超声表面驻波作用区域、出口区域等。但目前大多数的已发表或公开的粒子分离微流控芯片中，在超声表面驻波作用区域的设计参数选择方面上缺乏理论指导，设计人员一般仅依据经验判断，然后通过多次制备芯片和实验测试，才能达成粒子分离的目的。这种经验判断、多次实验的方法，难以使粒子分离的效率达到最优，同时会浪费大量的时间和成本。因此，为推广基于超声表面驻波微流控技术的微粒子分离芯片，有必要一种科学的设计方法。

现有技术在微流控芯片微粒子分离应用上有多种设计，如使用无鞘流结构的芯片；液体以超声速进行涡旋的方式实现粒子分离；将流体通道划分为阶梯型结构；设置第一电极、第二电极、叉指电极和第三电极，并改变声学力和粘滞力的比例等方式。其中并未提出对腔体尺寸、液体流速和超声作用区进行任何特殊的原理设计，与本发明中的方法显著不同。

中国发明专利《基于声表面波的微纳米粒子微流控芯片》(申请号：CN201822216199.8)公开一种基于声表面驻波的粒子分离芯片，其中提出叉指换能器与主通道之间预设夹角q。但是该角度的设置具有随意性，并未根据超声辐射力、流体流速、粒子运动的动力学进行理论优化；此外，该发明中也未涉及对腔体尺寸、叉指换能器口径的优化。因此，该装置与本发明中提出的优化方案有显著不同。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的微流控芯片在微粒子分离时，超声表面驻波作用区域的参数设计仅依据经验判断，粒子分离效率不高，浪费大量时间和成本的问题，本发明提供一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片和应用，利用理论分析确定微流控芯片的制备参数，提高微流控芯片在粒子分离中分离效率。

2.技术方案

本发明提供一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片和应用，确定一种超声表面驻波微流控芯片，用于微粒子的分离，提高微流控芯片粒子分离效率，且参数设计符合明确的理论依据。