一种非接触式颗粒抖动装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种非接触式颗粒抖动装置及方法，所述装置包括至少两个超声换能器，微流控芯片以及激励电源，超声换能器与微流控芯片的侧边壁紧密贴合，且位于微流控芯片的通道的同一横截面处，超声换能器的主振动方向垂直于与微流控芯片通道的轴线，超声换能器与激励电源电信号连接。通过同时驱动粘贴于微流控芯片外壁的至少两个超声换能器，在微通道中产生体驻波声场，实现对粒子进行三维快速捕获。在此基础上，调整两个换能器的频率差值Δf，通过Δf控制粒子的抖动频率f和抖动振幅A，实现对单个颗粒或者颗粒团的精准定频抖动操控，所述的定频抖动具有频率输出精准稳定、可靠性好、便于调节等优点。便于调节等优点。便于调节等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种非接触式颗粒抖动装置及方法


[0001]本专利技术涉及微纳控制的
，更具体地，涉及一种非接触式颗粒抖动装置及方法。

技术介绍

[0002]随着生物医学及微纳制造等科学领域的快速发展，对微粒子的精准操控已成为科学研究的重要方向，对操控技术的要求也越来越高。除超声操控外，常见的微粒操控方式还有：光镊、磁泳、介电泳等，这些操控方式不仅对被控颗粒有物性要求，还可能对被控颗粒产生不可逆的损伤。利用超声操控方式温和以及非接触的特性，可实现对颗粒无污染、无破坏的精准操控；此外，超声操控对被控颗粒无物性要求，具有操控功能多样化、操控装置结构简单、易小型化便于携带和生产成本低等特点。
[0003]特别在组织工程领域，利用超声对细胞进行三维捕获和非接触式悬浮培养已经成为一种常见的技术方案。建立超声驻波场，可实现细胞悬浮液中游离态细胞的聚集；非接触式悬浮培养可提供温和的体外细胞组织生长和分化条件，同时也能提高细胞组织移植的存活率。此外，低强度周期性的超声刺激，既有利于细胞的分化，也有助于提高组织细胞活性。
[0004]目前，针对液体中微粒的抖动操控，其主要的技术手段是搭建一个薄片式的声操控腔室，并将一个超声换能器设于腔室正下方，通过调整超声换能器的驱动频率，首先实现腔室中粒子的捕获，然后在该频率附近来回调节频率，进行周期性恒定速率的扫频操作，以实现被控粒子周期的往复运动。这种粒子抖动操控方式的不足之处在于：定频抖动依赖于压电换能器驱动电信号的连续周期性变化，当需要不同频率、不同大小的抖动输出时，则要求电信号端的驱动频率连续可调、自动周期性往复、精准可控、输出稳定且持续，这必然对信号端产生较高的要求；此外，该技术并不能实现定频、定幅值的颗粒抖动。专利技术人的实验结果表明，两个频率相近但不同的驻波可以产生一个周期性的振荡力，可以反复扰动被捕获的颗粒并使其发生自发振荡。基于该实验结果，专利技术人设计一种非接触式快速三维捕获、精准定频抖动的装置和方法，引入了一种控制微流体环境中颗粒间相互作用的新机制，对创造仿生微环境和获得活性生物反应器等具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有的装置需要通过扫频操作来实现微粒抖动控制、无法实现定频、定幅值的颗粒抖动控制的不足，提供一种非接触式颗粒抖动装置及方法，通过驱动粘贴于微流控芯片外壁的超声换能器，在微通道中产生体驻波声场，实现对粒子进行三维快速捕获。在此基础上，调整两个换能器的频率差值Δf，通过Δf控制粒子的抖动频率f和抖动振幅A，实现对单个颗粒或者颗粒团的精准定量、定频抖动操控。
[0006]本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种非接触式颗粒抖动装置，包括至少两个超声换能器，微流控芯片以及激励电源，超声换能器与微流控芯片的侧边壁紧密贴合，且位于微流控芯片的通道的同一横截面
处，超声换能器的主振动方向垂直于与微流控芯片通道的轴线，超声换能器与激励电源电信号连接。
[0008]微流控芯片的特征主要是其容纳流体的有效结构(通道、反应室和其它某些功能部件)至少在一个纬度上为微米级尺度。由于微米级的结构，流体在其中显示和产生了与宏观尺度不同的特殊性能，因此发展出独特的分析产生的性能。本专利技术所述的微流控芯片主要是玻璃毛细管，其横截面为外方内圆(即通道的横截面为圆形)或者外圆内圆形状，当然，本专利技术所述的微流控芯片也可以是其他可以实现本技术方案的材质制成的。
[0009]本专利技术的工作原理如下：本专利技术所述的非接触式颗粒抖动装置，包括至少两个超声换能器和一个微流控芯片，两个超声换能器设置于微流控芯片的侧壁上，并且与微流控芯片的侧边壁紧密贴合。其中一个超声换能器用于产生辐射力并能够在三维层面上捕获颗粒，另一个用于使该颗粒振动。通过激励电源给予超声换能器施加一定频率的交变电信号时，超声换能器将以同样的频率振动产生声波，声波则通过微流控芯片的侧壁传递导入到微流控芯片内的通道中。所述通道中的入射声波和通道壁的反射声波相遇叠加形成超声驻波场，声场中的微粒子在声辐射力等的作用下聚集或抖动。两种声波之间的干扰为被捕获的颗粒创造了一个振动力场，并使其以与驱动相关的频率和振幅振荡。
[0010]进一步地，所述激励电源包括依次连接的信号发生器和功率放大器，所述信号发生器为双通道信号发生器，其两个输出端通过功率放大器和导线分别与两个超声换能器的电极连接。所述两个超声换能器由正弦信号驱动，该正弦信号由所述双通道信号发生器产生，并经由双通道功率放大器进行放大，然后将信号通过导线分别传递到超声换能器上。
[0011]进一步地，所述激励电源还包括用于监测信号波形的示波器，示波器与功率放大器串联，用于监测经功率放大器放大之后的信号波形。
[0012]进一步地，所述非接触式颗粒抖动装置还包括成像设备，成像设备设于微流控芯片的外壁上。将微流控芯片通道的轴向作为z方向，两个超声换能器的主振动方向分别为x和y方向。所述成像设备可以是CCD相机，其具有强大的自扫描功能，图像清晰度好，可以随时捕捉图像。成像设备设于微流控芯片的外壁上，并且，在成像设备和微流控芯片的外壁中间还设有两个横截面为直角三角形棱镜，所述直角三角形棱镜的其中一个锐角角度为67.5
°
，该角所在的直角边与微流控芯片横截面的对角线平行。通过所述直角三角形棱镜的折射，成像设备可以同时拍摄x
‑
z平面和y
‑
z平面的图像，并且不产生畸变。作为其中一种优选方案，微流控芯片置于一个开有凹槽的芯片支架上，凹槽底部设有用于放置超声换能器的空间，两个超声换能器放置后彼此之间形成的夹角为90
°
，且超声换能器与芯片支架的表面呈45
°
。所述微流控芯片置于两个超声换能器上，且微流控芯片的相邻两个侧面与超声换能器紧贴。此时微流控芯片横截面的对角线与芯片支架的表面平行。所述直角三角形棱镜的短直角边与芯片支架的表面紧贴，且所述67.5
°
角与微流控芯片的棱抵接。
[0013]进一步地，超声换能器的数量为两个，分别设于微流控芯片相邻的两个侧壁上。所述两个超声换能器与微流控芯片之间的粘连介质可以使用AB胶，并且用银导电漆将所述超声换能器与微流控芯片外壁相粘一面的电极导入超声换能器侧壁。
[0014]进一步地，两个超声换能器均为薄片式压电陶瓷换能器，这种类型的换能器比较常见，并且所述超声换能器的大小、厚度尺寸相同，理论上具有相同的谐振频率。两个超声换能器的形状优选为方形，其宽度与微流控芯片外壁的宽度相同，以确保超声换能器在胶
粘于微流控芯片相邻两个外侧壁是，彼此之间不会发生干涉。
[0015]进一步地，每一个超声换能器能够单独地在微流控芯片的通道中建立立体驻波声场，且都能实现颗粒的聚集。
[0016]本专利技术还包括一种非接触式颗粒抖动方法，包括以下步骤：
[0017]步骤S1、搭建基于超声换能器的非接触式操控装置，将至少两个所述超声换能器设于微流控芯片侧边壁并紧贴，并将各个超声换能器分别与本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非接触式颗粒抖动装置，其特征在于，包括两个超声换能器(1)，微流控芯片(2)以及激励电源，超声换能器(1)与微流控芯片(2)的侧边壁紧密贴合，且位于微流控芯片(2)的通道的同一横截面处，超声换能器(1)的主振动方向垂直于与微流控芯片(2)通道的轴线，超声换能器(1)与激励电源电信号连接。2.根据权利要求1所述的非接触式颗粒抖动装置，其特征在于，所述激励电源包括依次连接的信号发生器(3)和功率放大器(4)，所述信号发生器(3)为双通道信号发生器(3)，其两个输出端通过功率放大器(4)和导线分别与两个超声换能器(1)的电极连接。3.根据权利要求2所述的非接触式颗粒抖动装置，其特征在于，所述激励电源还包括用于监测信号波形的示波器(5)，示波器(5)串联于功率放大器(4)和超声换能器(1)之间。4.根据权利要求3所述的非接触式颗粒抖动装置，其特征在于，还包括成像设备(6)，成像设备(6)设于微流控芯片(2)的外壁上。5.根据权利要求4所述的非接触式颗粒抖动装置，其特征在于，成像设备(6)包括CCD相机，以及设于CCD相机与微流控芯片(2)之间的棱镜(8)。6.根据权利要求2所述的非接触式颗粒抖动装置，其特征在于，两个超声换能器(1)通过胶粘连接在微流控芯片(2)的相邻侧壁。7.根据权利要求6所述的非接触式颗粒抖动装置，其特征在于，两个超声换能器(1)均为压电陶瓷换能器。8.根据权利要求6所述的非接触式颗粒抖动装置，其特征在于，每一个超声换能器(1)能够单独地在微流控芯片(2)的通道中建立立体驻波声场，且都能实现颗粒的聚集。9.一种非接触式颗粒抖动方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、搭建基于超声换能器(1)的非接触式操控装置，将至少两个所述超声换...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷君君，程峰，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：