[发明专利]一种基于局域谐振腔的动态可调声镊装置及其使用方法

说明书

本发明涉及一种基于局域谐振腔的动态可调声镊装置，包括微流控芯片、衬底和压电陶瓷片，微流控芯片包括微流腔，微流腔固定在衬底的一面，压电陶瓷片固定在衬底的另一面；微流腔内部分为上下两层，上层为包含微粒的主通道，下层为封闭的气腔通道，下层与衬底相接。该装置的使用方法为：压电陶瓷片产生声体波，声体波通过衬底传播进微流腔的下层，引起气腔通道共振，从而将声体波传播到微流腔的上层主通道，产生声辐射力和声流效应；通过使用不同谐振频率驱动气腔通道，实现在不同位置观测微粒的运动情况。本发明的技术方案能解决气泡共振型微流控的微气泡无法产生均匀的气泡液面，易导致整个操控统可重复性较弱、无法保证超声操控的稳健性的问题。

技术领域

本发明涉及微流控芯片技术领域，具体涉及一种基于局域谐振腔的动态可调声镊装置及其使用方法。

背景技术

微流控作为一门能精确操纵微尺度流体的技术，能够精确操纵细胞等微粒，对人类疾病的预防、诊断和治疗具有极其重要的意义。近年来，研究人员将微流控技术与光学、磁学、电学和声学等技术相结合，进一步推动微流控芯片领域研究的发展。以声学方式驱动的微流控具有生物安全性高、易制备、低成本等优势。声微流控技术也被称为声镊技术，即使用声波对微流体中微纳米粒子对象进行精确操纵的技术。声镊方法所需要的输入功率比光镊方法要小得多，表明声镊方法对生物微粒的损伤更低。声波的穿透性较光波更强，所以声波可以穿过非透明介质实施对微粒的“隔山打牛”式操控。

现有的气泡共振型微流控主要采用在侧壁空气泡的共振，产生声辐射力和声流，从而对微粒子进行操控。其中，微粒子运动状态是声辐射力和声流场协同作用的结果。这两种力学效应随着微粒半径和声波频率的变化呈现主导作用的转变，从而影响微粒运动状态。当声流效应占主导时，微粒会跟随声流产生的涡旋进行轨道旋转运动；当声辐射力占主导时，微粒会被俘获于空气/水界面。然而当微流体进入流道内，尤其气压的作用，会在侧壁位置形成封闭的空气腔，但是由于结构和疏水性的差异，微气泡在成形时无法产生完全均匀一致的气泡液面，导致其实际驱动共振频率与理论共振频率存在较大差异。因此，该方法的操控工作频率会因为制备的温度、湿度以及液面成形情况发生较大的不稳定性，导致整个操控系统可重复性较弱，无法保证超声操控的稳健性。

声子晶体是一种弹性常数及密度周期分布的人工复合结构材料，能够有效实现声波的传播与控制。局域谐振型声子晶体通过选择谐振功能基元，可获得远低于布拉格散射的带隙频率，实现声波的亚波长调控。亚波长声子晶体能够以较低的频率实现长波长声波的传播与控制，长波长特性具有较高的容错性，将有助于提高声波传播的抗缺陷能力和稳健特性。当声波的入射激励频率与谐振功能基元的本征态共振频率接近时，声波将和谐振功能基元发生强烈的耦合作用，表现为亚波长声子晶体的局域谐振态。将声子晶体结构引入气泡共振型微流控，可以显著提高微流控的可操控性和鲁棒性，并有利于拓展其应用场景。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于局域谐振腔的动态可调声镊装置及其使用方法，能解决气泡共振型微流控的微气泡无法产生均匀的气泡液面，易导致其实际驱动共振频率与理论共振频率存在较大差异，导致整个操控统可重复性较弱、无法保证超声操控的稳健性的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种基于局域谐振腔的动态可调声镊装置，包括微流控芯片、衬底和压电陶瓷片，所述微流控芯片包括微流腔，所述微流腔固定在衬底的一面，压电陶瓷片固定在衬底的另一面；所述微流腔内部分为上下两层，上层为包含微粒的主通道，下层为封闭的气腔通道，且下层与所述衬底相接；压电陶瓷片通过衬底与微流腔相接。

进一步地方案为，所述微流腔是通过键合或粘接方式固定在衬底上的。

进一步地方案为，主通道为用于流通流体的微流体主通道，气腔通道为用于气体流通的赫姆霍兹腔气体通道；赫姆霍兹腔气体通道包括若干与微流体主通道分别相连的共振腔。