本发明专利技术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。本发明专利技术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。控的稳健性的问题。控的稳健性的问题。
【技术实现步骤摘要】
一种基于局域谐振腔的动态可调声镊装置及其使用方法
[0001]本专利技术涉及微流控芯片
，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。
技术介绍
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
技术实现思路
[0005]本专利技术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。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用了以下技术方案：
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]进一步地方案为，主通道一侧连通设有至少两个的流体入口通道，主通道的另一侧连通设有至少两个的流体出口通道。流体入口通道设有两个，包括第一入口通道和第二入口通道，所述第一入口通道的入口处设有第一流体入口，第二入口通道的入口处设有第二流体入口，所述第一流体入口包含微粒样品，第二流体入口包含不含微粒的缓冲液。
[0011]同时本专利技术还提供一种基于局域谐振腔的动态可调声镊装置的使用方法，包括以下步骤：
[0012]将声镊装置水平放置在光学显微镜载物台，使用压片夹将声镊装置固定，调节载物台旋钮使得声镊装置的微流控芯片通道进入显微镜视野；调节显微镜粗准焦螺旋和细准焦螺旋，聚焦于声镊装置的微流控芯片通道；
[0013]使用一台微量注射泵缓慢将缓冲液从第二流体入口注入微流控芯片中，待微流体充满微流控芯片主通道；然后使用另外一台微量注射泵缓慢将含有微粒样品从第一流体入口注入微流控芯片中；
[0014]将信号发生器信号输出端与压电陶瓷片的导线相连接，在信号发生器中设定输出信号为正弦信号，并设定相应的电压和频率参数；压电陶瓷在电信号刺激下产生高频振动，引起微流控芯片内通道内微流体和气体通道界面处的液面振动，连接高速相机可在显微镜下观测振动液面的幅值；
[0015]通过计算声辐射力和声流的相对大小，可以预判断微流运动的状态，其中声辐射力主要吸引微粒朝向振动液面处运动，而声流则会引起声旋涡引导微粒做旋转运动。微粒运动状态受到声辐射力和声流的共同作用，当声辐射力占主导地位时，微粒被俘获至液面处；而当声流起主导作用时，微粒会随着声流做旋转运动。
[0016]通过使用不同的频率驱动微流体谐振，如使用第一、第二、第三阶谐振频率可以操控微粒在不同位置处的运动。
[0017]其中，微粒在微流体中受到的声辐射力为F
R
，计算公式为：
[0018][0019]式中，ρ
f
为微流体密度，R
a
为振动液面的半径，R
p
为微粒的半径，d为微粒距离液面的距离，ω为声波的角频率，ε为振动液面的幅值；
[0020]φ(ρ)为相对密度系数，计算公式如下：
[0021]φ(ρ)＝3(ρ
p
‑
ρ
f
)/(2ρ
p
+ρ
f
)
[0022]式中，ρ
p
和ρ
f
分别为微粒和微流体的密度；
[0023]振荡的液面在微流体中形成声流，声流的速度大小表达式为：
[0024]其中，微粒在微流体中受到声流引起的粘滞力F
As
，其计算公式如下：
[0025]F
As
＝6πμR
p
u
[0026]式中，μ为流体的动力粘度系数。
[0027]其中，声辐射力和声流引起的粘滞力比值计算公式如下：
[0028]F
R
/F
As
≈ρ
f
μ
‑1φ(ρ)R
p2
ω
[0029]式中，ρ
f
、μ和φ(ρ)均为微流体或微粒物理参数，对于确定的微粒样品为恒定值；因此声辐射力和声流引起的粘滞力比值仅与微粒直径以及声波的操控频率相关。换言之，针对不同直径的微粒样品，改变微粒的运动状态，仅需要调节其声波的输入频率即可。
[0030]上述技术方案中提供的基于局域谐振腔的动态可调声镊装置，结构简单，易操作且成本较低；采用赫姆霍兹共振腔替代本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于局域谐振腔的动态可调声镊装置，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的基于局域谐振腔的动态可调声镊装置，其特征在于：所述微流腔是通过键合或粘接方式固定在衬底上的。3.根据权利要求1所述的基于局域谐振腔的动态可调声镊装置，其特征在于：所述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。4.根据权利要求3所述的基于局域谐振腔的动态可调声镊装置，其特征在于：所述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。5.根据权利要求1所述的基于局域谐振腔的动态可调声镊装置，其特征在于：主通道一侧连通设有至少两个的流体入口通道，主通道的另一侧连通设有至少两个的流体出口通道。6.根据权利要求5所述的基于局域谐振腔的动态可调声镊装置，其特征在于：流体入口通道设有两个，包括第一入口通道和第二入口通道，所述第一入口通道的入口处设有第一流体入口，第二入口通道的入口处设有第二流体入口，所述第一流体入口包含微粒样品，第二流体入口包含不含微粒的缓冲液。7.一种如权利要求1～6任一项所述的基于局域谐振腔的动态可调声镊装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：将声镊装置水平放置在光学显微镜载物台并固定，调节载物台旋钮使得声镊装置的微流控芯片通道进入显微镜视野；调节显微镜粗准焦螺旋和细准焦螺旋，聚焦于声镊装置的微流控芯片通道；使用注射泵将不含微粒的缓冲液从第二流体入口注入微流控芯片中，待缓冲液充满微流体主通道；然后将含有微粒样品的缓冲液从第一流体入口注入微流控芯片中；将信号发生器信号输出端与压电陶瓷片的导线相连接，压电陶瓷片在电信号刺激下产生振动，引起微流控芯片主通道内微流体和...
【专利技术属性】
技术研发人员：代洪庆，戴宁，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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