【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及粒子分选芯片，尤其涉及一种基于声流控技术的三维粒子分选芯片。
技术介绍
1、声流控分选技术是基于声波与流体以及流体中悬浮粒子的相互作用，实现对颗粒物和流体的驱动。声波是物体振动状态的传播形式，当振动频率在兆赫兹时产生的波称为超声波。由于超声波具有方向性好、能量大、穿透能力强等特点，而被广泛应用。当外加声场时，悬浮在流体中的粒子主要受声辐射力和斯托克斯阻力。声波在流体中传播会产生压力梯度，从而在声场中产生声辐射力(acoustic radiation force，arf)，声辐射力的大小与声音的波长、振幅及流体、粒子等物体的尺度、刚度、和密度、可压缩性等物理性质相关。因此，不同性质的粒子可以通过声流控分选技术得以分离。
2、传统的粒子(例如细胞、颗粒、纳米管等)分选通常在宏观尺度下进行，如离心分选、微膜过滤等。这些方法经过多年的发展与应用，得到的可靠的科学验证与市场认可。但是普遍存在系统复杂、操作繁琐、所需样本量大等缺点，在样品转移、容器更换及样本化学处理等环节极易造成目标粒子的损失。
3、与传统的粒子分选技术相比，基于微流控芯片的分选技术具有消耗样品量少、有较高的分辨率及灵敏度、易于集成及微型化等优点，且在微流控器件中可以连续地实现样品注入、粒子分选、目标粒子识别的整个过程，能够减少目标粒子的损失。
4、在众多技术中，声流控分选技术结合了无标记、非接触式和生物相容性等优点，适合于生物粒子的有效分选。其原理是通过在微流道周围施加声场，使得流体中的悬浮粒子受到声辐射力作用，粒子在声辐
5、根据声波在传声介质的表面或内部传播，可将声流控技术分为声表面波(surfaceacoustic wave，saw)分选技术和体声波(bulk acoustic wave，baw)分选技术。
6、体声波分选芯片能够实现粒子在竖直方向上的纵向分选，包含换能层、耦合层、匹配层、流体层和反射层，如图1所示的层状谐振器。其中，换能层用于产生声波，流体层包含流体介质和悬浮粒子，反射层用于反射声波、与入射波叠加形成驻波。一般的体声波分选芯片能够实现两种不同粒子的分选，将流体层进行分隔，可以实现多种粒子的分选，但由于一般流体层高度限制，最多仅能实现三种粒子的分选，难以进行器件的小型化集成，也难以对微米级粒子进行高精度分选。
7、声表面波法分选芯片能够实现粒子在水平方向上的横向分选，由压电基底、叉指换能器(interdigital transducer，idt)和微流道系统组成。叉指换能器在交变电信号下产生周期分布的电场，压电基底在逆压效应下变形、振动，产生声表面波，此波动沿着基底表面传播，进入中心腔底部，然后再以瑞利角折射或漏射进入流体，通过流体中的声辐射力和斯托克斯阻力实现对流体中粒子的操纵。声表面波分为声表面行波(traveling surfaceacoustic wave，tsaw)和声表面驻波(standing surface acoustic wave，ssaw)。目前应用更为广泛的是一种倾斜式的声表面驻波分选芯片。这种芯片通过设置与微流道成一定角度的叉指电极，使通道内压力节点和腹点与流体流动方向呈一定角度。在声场中流动的粒子会在声辐射力和斯托克斯阻力的作用下，穿过多对压力节点和腹点，相当于在重复的声场中移动，不同尺寸粒子的横向轨迹的差异被放大。声表面分选芯片能够通过多级声表面波分选设计来实现多种粒子分选，但这种多级分选要求每一级都设置对应的叉指电极，器件设计与制造更为复杂，难以实现多种粒子的高效分选。
8、综上所述，目前基于不同分选机理开展的体声波分选技术和声表面波分选技术研究，仅能实现单一的二维分选，在分选通量、纯度与精度等方面有一定限制。基于体声波的分选技术只能够实现粒子在竖直方向上的纵向分选，一般的体声波分选芯片能够实现两种不同粒子的分选，将流体层进行分隔，可以实现多种粒子的分选，但由于一般流体层高度限制，最多仅能实现三种粒子分选，难以进行器件的小型化集成，也难以对微米级粒子进行高精度分选。而声表面波分选仅能实现粒子在水平方向上的横向分选，对待分选样品的稀释程度要求较高，需要一定预处理过程，同时分选通量较低。
技术实现思路
1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于声流控技术的三维粒子分选芯片，实现纵向体声波分选和横向声表面波分选在同一器件上的高度集成，以体声波进行高通量初步分选，声表面波进行高精度二次分选，解决了目标声流控分选芯片分选机制单一、复杂生物样品分选时高通量和高精度无法同步实现的难题。
2、一种基于声流控技术的三维粒子分选芯片，包括：压电陶瓷、微流道系统、叉指电极和压电基底；所述微流道系统和叉指电极设置在所述压电基底上，所述压电陶瓷设置在所述微流道系统上；所述微流道系统上设置有粒子入口、鞘流入口和粒子出口，且由玻璃盖片、上层玻璃芯片、若干中间分隔片以及下层玻璃芯片堆叠封装形成，从所述粒子入口至所述粒子出口依次设置有体声波纵向分选区、鞘流聚集区、声表面波横向分选区和粒子分离区；所述体声波纵向分选区采用半波长层状谐振器模式对混合粒子进行纵向分选，所述声表面波横向分选区采用倾斜式声表面驻波对混合粒子进行横向分选；所述叉指电极设置有一对，分布在所述微流道系统的两侧，且与所述微流道系统呈15°角倾斜；压电基底采用128°y切向x方向传播的铌酸锂材料制成。
3、在其中一个实施例中，所述叉指电极采用均匀型叉指电极，用于激发特定波长的声表面波；所述叉指电极的图案为以电子束蒸镀方式在所述压电基底上沉积一层20nm铬薄膜和180nm银薄膜，并以超快激光定域去除银、铬双层金属薄膜得到。
4、在其中一个实施例中，所述微流道系统均采用钠钙玻璃材料，所述上层玻璃芯片和下层玻璃芯片采用超快激光切割，并通过紫外线照射使环氧树脂固化的方法在室温下对玻璃芯片进行无损键合的方式得到。
5、在其中一个实施例中，所述体声波纵向分选区将所述压电陶瓷作为换能器，用于产生声波，将所述玻璃盖片作为传输层，将声表面波器件铌酸锂基底作为反射层，用于反射声波，与入射波叠加形成驻波。
6、在其中一个实施例中，所述上玻璃芯片、中间分隔片以及下玻璃芯片堆叠封装形成声波谐振腔，所述中间分隔片将所述声波谐振腔分隔为上层腔室和下层腔室，用于使流体在腔室内形成稳定的层流；所述上层腔室设置有混合粒子入口，出口连接所述声表面波横向分选区；所述下层腔室设置有鞘流入口，出口连接所述声表面波横向分选区。
7、在其中一个实施例中，所述声表面波横向分选区通过调节声表面波参数，将压力节点和腹点设置为与流体流动方向呈15°角的状态，用于使不同尺寸的粒子产生横向轨迹差异，且出口连接所述粒子分离区。...
【技术保护点】
1.一种基于声流控技术的三维粒子分选芯片，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于声流控技术的三维粒子分选芯片，其特征在于，所述叉指电极采用均匀型叉指电极，用于激发特定波长的声表面波；所述叉指电极的图案为以电子束蒸镀方式在所述压电基底上沉积一层20nm铬薄膜和180nm银薄膜，并以超快激光定域去除银、铬双层金属薄膜得到。
3.根据权利要求1所述的一种基于声流控技术的三维粒子分选芯片，其特征在于，所述微流道系统均采用钠钙玻璃材料，所述上层玻璃芯片和下层玻璃芯片采用超快激光切割，并通过紫外线照射使环氧树脂固化的方法在室温下对玻璃芯片进行无损键合的方式得到。
4.根据权利要求1所述的一种基于声流控技术的三维粒子分选芯片，其特征在于，所述体声波纵向分选区将所述压电陶瓷作为换能器，用于产生声波，将所述玻璃盖片作为传输层，将声表面波器件铌酸锂基底作为反射层，用于反射声波，与入射波叠加形成驻波。
5.根据权利要求1所述的一种基于声流控技术的三维粒子分选芯片，其特征在于，所述上玻璃芯片、中间分隔片以及下玻璃芯片堆叠封装形成声波谐振腔，所
6.根据权利要求1所述的一种基于声流控技术的三维粒子分选芯片，其特征在于，所述声表面波横向分选区通过调节声表面波参数，将压力节点和腹点设置为与流体流动方向呈15°角的状态，用于使不同尺寸的粒子产生横向轨迹差异，且出口连接所述粒子分离区。
7.根据权利要求1所述的一种基于声流控技术的三维粒子分选芯片，其特征在于，所述粒子分离区与所述声表面波横向分选区的出口连接，设置有左右两侧粒子出口，用于将分选后不同尺寸的粒子进行分离流出。
...【技术特征摘要】
1.一种基于声流控技术的三维粒子分选芯片，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于声流控技术的三维粒子分选芯片，其特征在于，所述叉指电极采用均匀型叉指电极，用于激发特定波长的声表面波；所述叉指电极的图案为以电子束蒸镀方式在所述压电基底上沉积一层20nm铬薄膜和180nm银薄膜，并以超快激光定域去除银、铬双层金属薄膜得到。
3.根据权利要求1所述的一种基于声流控技术的三维粒子分选芯片，其特征在于，所述微流道系统均采用钠钙玻璃材料，所述上层玻璃芯片和下层玻璃芯片采用超快激光切割，并通过紫外线照射使环氧树脂固化的方法在室温下对玻璃芯片进行无损键合的方式得到。
4.根据权利要求1所述的一种基于声流控技术的三维粒子分选芯片，其特征在于，所述体声波纵向分选区将所述压电陶瓷作为换能器，用于产生声波，将所述玻璃盖片作为传输层，将声表面波器件铌酸锂基底作为反射层，用于反射声波，与入射波叠加...
【专利技术属性】
技术研发人员：周天丰，刘朋，张丹梅，王思江，曾子浩，周琳，杨佳沁，谢秋晨，李紫薇，郭威佳，王西彬，
申请(专利权)人：北京理工大学重庆创新中心，
类型：发明
国别省市：
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