一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片设计方法技术

本发明专利技术公开一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片设计方法，属于微流控分析技术领域。针对现有技术中存在的粒子分离微流控芯片中，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，本发明专利技术提供一种用于微粒子分离的微流控芯片设计方法，基于超声表面驻波微流控芯片中微粒子受力和运动的理论，先微粒子的分离参数和芯片的结构组成，确定芯片工作频率和液流参数，进一步确定叉指换能器及微流腔的设计参数，最后确定腔体设计和芯片工作参数，基于超声表面驻波微流控芯片的粒子分离技术，降低器件制备难度，提高粒子分离效率。

【技术实现步骤摘要】
一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片设计方法
本专利技术涉及微流控分析
，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设计方法。
技术介绍
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。对用于粒子分离的超声表面驻波微流控芯片，其结构一般包含压电基底，附着在基底上的叉指换能器，键合或粘接于基底上的微通道，以及用于驱动叉指换能器的电学驱动结构。其中，压电基底的材料可选用压电陶瓷(如锆钛酸铅)、压电晶体(如铌酸锂)或表面附着压电薄膜(如氧化锌)的任意固体材料(如石英玻璃)；微通道的材料可选用玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等；叉指换能器由一系列平行金属电极组成，可通过化学方法或物理方法制备，电学驱动结构则包括信号源和功率放大电路等。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。现有技术基于超声表面驻波微流控技术应用在微粒子分离方面有多种设计，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，与本专利技术中的方法显著不同。中国专利技术专利《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，该专利技术中也未涉及对腔体尺寸、叉指换能器口径的优化，与本专利技术中提出的优化方案有显著不同。
技术实现思路
1.要解决的技术问题针对现有技术中存在的粒子分离微流控芯片中，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，本专利技术提供一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片设计方法，利用理论分析和解析公式，优化微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片参数，降低器件制备难度，提高粒子分离效率。2.技术方案本专利技术通过在对微流控芯片和微粒子相关参数的设计计算，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。一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片设计方法，所述芯片设计包括如下步骤：步骤一、确定微粒子的分离参数和芯片的结构组成；根据需分离的微粒子半径ai(i为微粒子代号，i＝1,2)和目标分离纯度d确定微粒子的最小分离距离Δy；根据最小分离距离Δy和半径ai确定微流腔内截面的宽度W和高度H，微流腔通道截面积S＝W*H；步骤二、确定芯片工作频率和液流参数；根据微粒子半径确定叉指换能器的驱动频率f以及超声表面波波长λs，λs＝cs/f，cs为芯片基底中超声表面波的传播速度；选择承载微粒子的流体并计算流体的粘滞层厚度δ；据微粒子分离通量P、通道截面积S和目标粒子的体积浓度n确定微通道中的液流速度vf；根据微粒子的尺寸、性质和叉指换能器的驱动频率确定承载粒子的流体，流体和粒子是生物兼容和化学兼容的；步骤三、确定叉指换能器及微流腔的设计参数；通过微流控芯片的电声转换系数ζ和典型驱动电压幅度V0确定微流腔内驻波升压幅值p0；计算微粒子参数Ψi，优化叉指换能器输入信号和相位差随时间变化的速率s以及叉指换能器指条方向与微流控通道的夹角θ，确定超声表面驻波作用区的长度L、叉指换能器的最小口径LIDT、叉指换能器与液流通道最短距离dIC和叉指换能器之间最小距离dII；基于公开可查的、或在同类器件上通过公知方法测量得到的超声微流控芯片电声转换系数ζ的典型值，典型驱动电压幅度V0结合外围驱动电路确认；步骤四、确定芯片工作参数；根据叉指换能器向流体中辐射声波的电声转换系数ζj(j为叉指换能器代号，j＝I,II)和微流腔内驻波升压幅值p0确定叉指换能器的输入电压峰值Vp,j，设置叉指换能器的输入电压Vj。超声表面驻波作用区域由叉指换能器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，最终使不同类型的粒子呈现不同的运动轨迹，最终可进入腔体下游的不同出口，实现分离。本专利技术所述芯片根据微粒子的分离参数确定芯片微流腔腔体尺寸和超声表面驻波作用区域参数，所述微粒子的分离参数包括微粒子的半径、密度、可压缩率和目标分离纯度，所述微流腔腔体尺寸包括微流腔内截面的宽度和高度，所述超声表面驻波作用区域参数包括超声表面驻波作用区长度、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。本专利技术主要对芯片超声表面驻波作用区域设计，对微流控芯片的压电基底、驱动电路等没有限制，降低器件制备难度。更进一步的，步骤一中最小分离距离的计算公式为Δy≥2×(a1+a2)×tan(πd/2)，微流腔内截面宽度计算公式为W≥2Δy，微流腔内截面高度计算公式为H≥5(a1+a2)。更进一步的，步骤二中流体的粘滞层厚度的计算公式为δ＝(η/πρ0f)1/2，η为流体的动力粘滞系数，ρ0为流体密度；液流速度计算公式为vf＝P/(n×S)。更进一步的，步骤三中微粒子参数Ψi＝Φiai2，其中Φi为微粒子i的声学对比因子，Φi＝f1i/3+Re(f2i)(2c02-cs2)/2cs2；f1i为微粒子i的声学单极子散射系数，f2i为微粒子i的声学偶极子散射系数，f1i＝(κpi-κ0)/κp，f2i＝2(ρpi-ρf)/(2ρpi+ρ0)，c0为流体中声速，ρpi为粒子的密度，ρ0为流体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片设计方法，其特征在于，所述芯片设计包括如下步骤：/n步骤一、确定微粒子的分离参数和芯片的结构组成；根据需分离的微粒子半径a

【技术特征摘要】
1.一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片设计方法，其特征在于，所述芯片设计包括如下步骤：
步骤一、确定微粒子的分离参数和芯片的结构组成；根据需分离的微粒子半径ai(i为微粒子代号，i＝1,2)和目标分离纯度d确定微粒子的最小分离距离Δy；根据最小分离距离Δy和半径ai确定微流腔内截面的宽度W和高度H，微流腔通道截面积S＝W*H；
步骤二、确定芯片工作频率和液流参数；根据微粒子半径确定叉指换能器的驱动频率f以及超声表面波波长λs，λs＝cs/f，cs为芯片基底中超声表面波的传播速度；选择承载微粒子的流体并计算流体的粘滞层厚度δ；据微粒子分离通量P、通道截面积S和目标粒子的体积浓度n确定微通道中的液流速度vf；
步骤三、确定叉指换能器及微流腔的设计参数；通过微流控芯片的电声转换系数ζ和典型驱动电压幅度V0确定微流腔内驻波升压幅值p0；计算微粒子参数Ψi，优化叉指换能器输入信号和相位差随时间变化的速率s以及叉指换能器指条方向与微流控通道的夹角θ，确定超声表面驻波作用区的长度L、叉指换能器的最小口径LIDT、叉指换能器与液流通道最短距离dIC和叉指换能器之间最小距离dII；
步骤四、确定芯片工作参数；根据叉指换能器向流体中辐射声波的电声转换系数ζj(j为叉指换能器代号，j＝I,II)和微流腔内驻波升压幅值p0确定叉指换能器的输入电压峰值Vp,j，设置叉指换能器的输入电压Vj。


2.根据权利要求1所述的一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片设计方法，其特征在于，步骤一中最小分离距离的计算公式为Δy≥2×(a1+a2)×tan(πd/2)，微流腔内截面宽度计算公式为W≥2Δy，微流腔内截面高度计算公式为H≥5(a1+a2)。


3.根据权利要求1所述的一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片设计方法，其特征在于，步骤二中流体的粘滞层厚度的计算公式为δ＝(η/πρ0f)1/2，η为流体的动力粘滞系数，ρ0为流体密度；液流速度计算公式为vf＝P/(n×S)。


4.根据权利要求1所述的一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片设计方法，其特征在于，步骤三中微粒子参数Ψi＝Φiai2，其中Φi为微粒子i的声学对比因子，Φi＝f1i/3+Re(f2i)(2c02-cs2)/2cs2；f1i为微粒子i的声学单极子散射系数，f2i为...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭霞生，刘子星，章东，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32