溶液中亚微米及纳米尺度颗粒物的筛分装置 |
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| 申请号 | CN202310860077.5 | 申请日 | 2023-07-13 | 公开(公告)号 | CN117019402A | 公开(公告)日 | 2023-11-10 |
| 申请人 | 天津大学; | 发明人 | 段学欣; 魏巍; 韩子钰; | ||||
| 摘要 | 本 申请 涉及一种溶液中亚微米及纳米尺度颗粒物的筛分装置，包括 流体 通道，其具有入口和出口；一个或多个超高频体 声波 谐振器 ，其设置于所述流体通道的一个壁上，用于发射传向所述流体通道的 体声波 ，所述体声波在液体中产生声流体通道，使得溶液中的颗粒物进入所述声流体通道，其中，所述溶液中包含亚微米及纳米尺度目标颗粒物，所述溶液通过所述入口进入所述流体通道； 电极 装置，设置于所述流体通道上，用于产生 电场 ，在电场的作用下，从进入所述声流体通道溶液中筛分出目标亚微米及纳米尺度颗粒物，并且通过所述出口离开流体通道。该筛分装置可以实现对亚微米及纳米尺度目标物体的捕获、筛分。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种溶液中亚微米及纳米尺度颗粒物的筛分装置，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 溶液中亚微米及纳米尺度颗粒物的筛分装置技术领域[0001] 本申请涉及细胞研究方法学与医疗器械领域，特别是指一种溶液中亚微米及纳米尺度颗粒物的筛分装置。 背景技术[0002] 亚微米及纳米尺度颗粒物级别的颗粒物(Submicron particles)是一类尺寸在0.1‑1微米之间的微小颗粒物，包括外泌体(Exosome)、微生物(细菌病毒等)、细胞器等，对人体和环境都有一定的影响。外泌体是一种细胞外囊泡，直径通常在30‑150nm之间。它们由细胞内膜囊泡合并到细胞膜上，然后释放到细胞外，具有重要的细胞间通讯和信号传递功能。病毒(Virus)是一种微生物，其大小通常在20‑300纳米之间，由核酸和蛋白质组成，需要寄生在宿主细胞内进行复制。它们可以感染细菌、动植物以及人类等各种生物。细菌(Bacteria)是一种原核生物，大小通常在0.5‑5微米之间，具有单细胞结构，具有细胞壁和细胞膜，可以进行自主繁殖和生长，同时也可以寄生在其他生物体内。细胞器(Organelle)存在于细胞当中具有一定功能和形状的微结构，细胞器是细胞正常行使各种功能的主要执行者。 [0003] 当生物体的体液中包含不同理化性质的颗粒物时，可以采用主动式操控方式对相应的颗粒物进行捕获、分离及聚集，主动式操控方式包括声镊、电镊及光镊等。主动式方法的原理主要是通过外加力场实现不均匀的梯度力(Gradient force)，将目标推动到力场势阱处，从而实现对颗粒的捕获、分离及聚集。以2018年物理诺贝尔奖“光镊”为例，就是通过聚焦的激光束产生与目标分离物匹配的力场来实现的。基于此原理，科学家先后开发了聚焦电场的“电镊”，聚焦声波的“声镊”及等等 [0004] 在这些主动式操控技术中，基于聚焦声场的声镊技术的主要优势在于对溶剂的依赖性低、对操作目标的要求少。然而，传统的基于聚焦声辐射力的声镊往往只能产生皮牛(pN)数量级的力，且随着目标尺寸的下降声辐射力衰减极快。虽然适用于细胞尺度的操作，但是无法实现对亚微米及纳米尺度目标物体的捕获，而以上的生物颗粒物的尺寸均在亚微米及纳米尺度附近。 [0005] 除此之外，有研究表明，亚微米及纳米尺度颗粒物自身携带的电荷差异会导致其生物学功能的差别。对生物体的体液中不同尺寸、不同电性亚型的深入研究将一步揭示目标颗粒物亚型的生物学功能差异。然而，目前尚缺乏成熟的技术手段对不同尺寸、不同电性亚微米及纳米尺度颗粒物进行精准的筛分。发明内容 [0006] 鉴于现有技术的以上问题，本申请提供了一种溶液中亚微米及纳米尺度颗粒物的筛分装置，可以实现对亚微米及纳米尺度目标物体的捕获、筛分。 [0007] 为达到上述目的，本申请第一方面提供了一种溶液中亚微米及纳米尺度颗粒物的筛分装置，包括： [0008] 流体通道，其具有入口和出口； [0009] 一个或多个超高频体声波谐振器，其设置于所述流体通道的一个壁上，用于发射传向所述流体通道的体声波，所述体声波在液体中产生声流体通道，使得溶液中的颗粒物进入所述声流体通道，其中，所述溶液中包含目标亚微米及纳米尺度颗粒物，所述溶液通过所述入口进入所述流体通道； [0011] 由上，本申请采用了超高频体声波谐振器，其可以发射超高频体声波，通过声辐射力和声流体力作用，能够有效地操控溶液中的亚微米及纳米尺度颗粒物的移动位置和方向，本申请还结合电极装置，其可以产生电场，通过电场和声流体通道相互配合可以让目标粒子在声流体通道的不同位置中脱落，本申请除了声辐射力和声流体力外，引入电场力，三个力配合，从而可以从尺寸大小和电荷特性上捕获、筛分生物亚微米及纳米尺度颗粒物。 [0012] 为达到上述目的，本申请第二方面提供了一种溶液中亚微米及纳米尺度颗粒物的筛分方法，包括： [0013] 包含目标亚微米及纳米尺度颗粒物的溶液通过流体通道的入口进入所述流体通道； [0014] 设置于所述流体通道的一个壁上的一个或多个超高频体声波谐振器发射传向所述流体通道对侧壁的体声波，根据所述体声波在液体中产生声流体通道，使得溶液中的颗粒物进入所述声流体通道，其中，所述溶液中包含目标亚微米及纳米尺度颗粒物； [0016] 图1是本申请溶液中亚微米及纳米尺度颗粒物的筛分装置的俯视图； [0017] 图2是本申请溶液中亚微米及纳米尺度颗粒物的筛分装置的侧视图； [0018] 图3是本申请溶液中亚微米及纳米尺度颗粒物的筛分装置的底部示意图； [0019] 图4是本申请溶液中亚微米及纳米尺度颗粒物的筛分装置的原理效果图； [0020] 图5是特超声声波与流体耦合仿真示意图：(a)声辐射力方向及声压分布；(b)声流体涡旋场流速速度及大小分布； [0021] 图6是本申请中超高频体声波谐振器的结构示意图； [0022] 图7是本申请中超高频体声波谐振器的声波作用区域及涡旋通道的示意图； [0023] 图8是不同表面电荷颗粒物在电场中运动速度合成示意图； [0024] 图9是本申请中电极芯片和超高频体声波谐振器的第一种安装位置和结构示意图； [0025] 图10是本申请中电极芯片和超高频体声波谐振器的第二种安装位置和结构示意图； [0026] 图11是本申请中电极芯片和超高频体声波谐振器的第三种安装位置和结构示意图； [0027] 图12是本申请中电极芯片和超高频体声波谐振器的第四种安装位置和结构示意图； [0028] 图13是本申请中电极芯片和超高频体声波谐振器的第五种安装位置和结构示意图； [0029] 图14是本申请中电极芯片和超高频体声波谐振器的第六种安装位置和结构示意图； [0030] 图15是本申请中电极芯片和超高频体声波谐振器的第七种安装位置和结构示意图； [0031] 应理解，上述结构示意图中，各框图的尺寸和形态仅供参考，不应构成对本发明实施例的排他性的解读。结构示意图所呈现的各框图间的相对位置和包含关系，仅为示意性地表示各框图间的结构关联，而非限制本发明实施例的物理连接方式。 具体实施方式[0032] 下面结合附图并举实施例，对本申请提供的技术方案作进一步说明。应理解，本申请实施例中提供的系统结构和业务场景主要是为了说明本申请的技术方案的可能的实施方式，不应被解读为对本申请的技术方案的唯一限定。本领域普通技术人员可知，随着系统结构的演进和新业务场景的出现，本申请提供的技术方案对类似技术问题同样适用。 [0033] 应理解，本申请实施例提供的溶液中亚微米及纳米尺度颗粒物的筛分方案，包括溶液中亚微米及纳米尺度颗粒物的筛分装置及方法。由于这些技术方案解决问题的原理相同或相似，在如下具体实施例的介绍中，某些重复之处可能不再赘述，但应视为这些具体实施例之间已有相互引用，可以相互结合。 [0034] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。如有不一致，以本说明书中所说明的含义或者根据本说明书中记载的内容得出的含义为准。另外，本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。为了准确地对本申请中的技术内容进行叙述，以及为了准确地理解本发明，在对具体实施方式进行说明之前先对本说明书中所使用的术语给出如下的解释说明或定义。 [0035] 针对亚微米及纳米尺度目标物体的捕获、筛分，本申请提供了一种溶液中亚微米及纳米尺度颗粒物的筛分装置，如图1至图3所示，该溶液中亚微米及纳米尺度颗粒物的筛分装置包括： [0036] 流体通道1，其具有入口11和出口12； [0037] 一个或多个超高频体声波谐振器2，其设置于流体通道1的一个壁上，用于发射传向流体通道1对侧壁的体声波，根据体声波在液体中产生声流体通道，使得溶液中的颗粒物进入声流体通道，其中，溶液中包含目标亚微米及纳米尺度颗粒物，溶液通过入口11进入流体通道1； [0038] 电极装置，设置于流体通道1上，用于产生电场，在电场的作用下，从进入声流体通道中的颗粒物中筛分出目标亚微米及纳米尺度颗粒物，通过出口12离开流体通道1。 [0039] 本申请针对基于聚焦声辐射力的声镊往往只能产生皮牛(pN)数量级的力，且随着目标尺寸的下降声辐射力衰减极快，虽然适用于细胞尺度的操作，但是无法实现对亚微米及纳米尺度目标物体的捕获、筛分，以及目前尚缺乏成熟的技术手段对不同电性亚微米及纳米尺度颗粒物亚型进行精准的筛分技术手段等问题，提出了溶液中亚微米及纳米尺度颗粒物的筛分装置，该装置采用声流体通道和电泳集成的方式，通过电极装置在声流体通道上直接作用，除了声辐射力+声流体力引入电场力，让三个力同时作用或上下游配合，让生物粒子在通道不同位置中脱落，可以对溶液中的颗粒进行不同粒径、电荷进行筛分，得到目标颗粒物，或得到分离颗粒后的纯化溶液。 [0040] 在一些实施例中，流体通道可以是通过软光刻制备由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成的，所以流体通道可以称为PDMS流道。该流体通道除了供流体进入和流出的开口以外，一般是封闭的。流体通道的截面通常具有0.1‑500μm的尺寸，其可以为各种形状，包括椭圆、矩形、方形、三角形、圆形等。可以用各种已知的微制备技术来制备流体通道，其材料包括但不限于硅石、硅、石英、玻璃或聚合材料(例如PDMS、塑料等)。可以用涂层涂覆流体通道。涂层可改变通道的特性，并且可以图案化。例如，涂层可以是亲水的，疏水的，磁性的，传导的，或生物性功能化的。 [0041] 其中，PDMS流道的高度为约20‑200μm，优选为约10‑40μm，更优选为约20‑40μm，例如为约25‑35μm。 [0042] 在一些实施例中，流体通道可以为单条通道，或是多个平行或以其它形式共同排布、具有共同输出和输入的通道，其中可以根据需要共同或独立控制各通道的流体的流出流入和其流速。 [0043] 还可以将流体通道分为不同区域，在不同区域设置分离不同颗粒的超高频体声波谐振器2。例如分离不同颗粒的超高频谐振器可具有不同形状的声波产生区域，或者施加不同功率的体声波，或者具有不同的流速，或其组合。 [0044] 在一些实施例中，如图1至图4所示，入口11可以包括两个：样本入口及缓冲液入口，缓冲液入口与样本入口交汇相通。基于鞘流作用，辅助溶液(即缓冲液)可以用于控制样本液体在流体通道中的流动方向和范围，使得样本液体充分流经超高频体声波谐振器的体声波产生区域。例如可通过控制辅助溶液的流速和流入面积来控制样本液体在流体通道中的流动方向和范围。入口还可以包括多个，多个缓冲液入口和一个样本入口。入口个数根据实际需要设定。 [0045] 在一些实施例中，如图1至图4所示，出口12可以包括多个，可以包括目标粒子出口和杂质粒子出口(可以是多个)。还可以包括液体出口，该液体出口为筛分出目标粒子、剔除了杂质粒子之后的剩余液体的出口。出口个数根据实际需要设定。 [0046] 在一些实施例中，溶液中亚微米及纳米尺度颗粒物的筛分装置还可以包括液体注入和流速调节装置(图中未示出)，用于控制液体注入及控制液体的流速。其中液体可以为含有样本的液体。例如，样本为含有待捕捉亚微米及纳米尺度颗粒物(比如外泌体、病毒、微生物等)的液体。可以通过外部压力源、内部压力源、电子动力学或磁场动力学方式来控制注入液体的流速。外部压力源和内部压力源可以是泵，例如蠕动泵、注射泵或气动泵等。本实施例中采用由电脑微调的注射泵来控制液体注入的流速。其中液体的流速范围根据实际的液体进行优选设定。 [0047] 在一些实施例中，如图1至图3所示，一个或多个超高频体声波谐振器2设置于流体通道的一个壁上(通常是设置在流体通道的底部)。超高频体声波谐振器2是体声波产生部件，可在流体通道1产生传向流体通道1的对侧壁(通常是指流体通道的顶部)的频率为约0.5‑50GHz的体声波，在溶液中产生由超高频体声波谐振器2的体声波产生区域的边界限定的涡旋通道(即声流体通道，如图4所示)，在适合的流速和体声波功率的条件下，溶液中的亚微米及纳米尺度颗粒物进入涡旋通道并顺着涡旋通道移动，在涡旋通道的某个(些)位置，溶液中的亚微米及纳米尺度颗粒物会离开体声波作用区域，向下游移动，即被释放，即在设定的位置(即释放点)离开涡旋通道。由于溶液中的亚微米及纳米尺度颗粒物脱离涡旋通道的其中一个重要因素是沿流体通道方向的层流的影响，释放点通常位于涡旋通道的最下游区域。 [0048] 其中，多个超高频体声波谐振器2可以是相同的，设定相同的频率，产生相同的体声波作用区域。多个超高频体声波谐振器2也可以是不同的，设定不同的频率，产生不同的体声波作用区域。 [0049] 超高频体声波谐振器2结合流体通道产生声流体通道的原理如下：特超频声波在流体中会以压力波的形式存在，即密度和压强规律性振动变化的形式在液体中传播，并且会在液体中产生声压效应和声流体效应两种效应。特超声声波由于其特超频的特性，能够10 2 在距离器件表面很短距离(20μm以内)内完成能量转换如图5(a)，并且产生超过10 m/s的流体加速度。当流体从器件表面向上喷射时，由于边界限制，从而形成稳定的高速转动的微尺度声流涡旋如图5(b)。 [0050] 当生物颗粒位于流体场中时，同时受到多个力的作用，其中主要包括声辐射力、流体拖拽力和其他相互抵消可忽略的力。这两个力是声流体通道操作粒子的关键。由前面分析可知，声在流体场中，存在着一级效应‑声压效应，并且由于声压在流体中引发了二级效应‑声流体效应。流体中的声波，是与流体内部密度、压强在准平衡状态相互耦合传播的。其三者均可以用以下频率的级数形式方程进行表述： [0051] [0052] 其中，密度ρ，速度v，压强p，都可以替换其中的变量A。声波在流体中是三部分组成，A0表示的是流体中的定向分量。A1是声波的一级效应，体现为空间上速度、压强、密度随声波产生的周期性分布。其余项为更小一级的分量，可以忽略不记。A0项对应的是声流体效应而A1项对应的是声辐射力作用。声辐射力的产生是由于声压场对粒子产生的压力，其表达式为： [0053] [0054] [0055] 其中 为声对比因子，主要体现在粒子和包含粒子的溶液之间的对比和差异，两者差异越大，粒子受到的声辐射力也越大。ρp，ρf，βP和βf分别是颗粒液体的密度和可压缩性系数。Vp是在流体中粒子体积，p0是声压的大小，x为粒子与声压节点之间的距离，λ为声波波长。 [0056] 另一部分作用粒子的声拖拽力通常是由于声波在流体中的衰减产生的定向效应‑声流体效应导致的。液体的定向运动会对其中的粒子产生拖拽力。声拖拽力的求解公式如下： [0057] Fdrag＝6πμa(b‑vp) [0058] 其中v为流体的速度，vp为粒子在溶液中的运动速度，μ表示流体的粘度，a为粒子半径。声拖拽力描述了当粒子被流体拖动时，由于粒子和流体流速不一致，将会导致流体对粒子产生使之跟随的力，使得粒子随着流体的运动而跟随运动。 [0059] 当两个力同时作用于纳米粒子时，它们通过螺旋轨迹聚焦到涡旋通道的中心。由于传播声波的衰减，当颗粒远离设备时，声辐射力会减弱。平衡位置是声压不足以驱动纳米颗粒的移动，在虚拟通道的边界处。 [0060] 在一些实施例中，如图6所示，超高频体声波谐振器2包括由下往上依次设置的声波反射层206、底电极层205、压电层204及顶电极层203。底电极层、压电层、顶电极层及声波反射层相重叠区域构成体声波产生区域。超高频体声波谐振器的顶部表面配置在流体通道的壁上，向对侧的壁产生传播方向与所述壁垂直的体声波；一般来说，超高频体声波谐振器的顶部表面构成的区域即为体声波产生区域，在本申请中也称为体声波区域或体声波作用区域。在本申请的其中一个方面，声波作用区域面积为约500‑200000μm2，优选为约5000‑50000μm2，最优选为约10000‑25000μm2。体声波产生区域的边长为约30‑500μm，优选为约 40‑300μm，最优选为约50‑200μm。 [0061] 在一些实施例中，体声波作用区域的形状至少包括但不限于以下其一：圆形，椭圆形、半圆、抛物线、顶点为锐角或者钝角的多边形、顶点用圆弧替代的多边形、顶点为锐角、半圆或抛物线任一组合的多边形，或者同样形状的重复排列的方阵式或圆环式阵列。本申请提供上述形状的声波作用区域，但其他任意形状的声波作用区域也在本申请的保护范围之内。在本申请中，一种优选的超高频体声波谐振器2的体声波产生区域的形状为纺锤形(如图1所示)。 [0062] 在一些实施例中，超高频体声波谐振器2的体声波产生区域的边界线条(即对应的涡旋通道的形状)设置为适于溶液中的亚微米及纳米尺度颗粒物在涡旋通道中顺着涡旋通道移动至释放点。由此可避免溶液中的亚微米及纳米尺度颗粒物脱离涡旋通道而不按设定从释放点离开涡旋通道。 [0063] 在一些实施例中，可以通过调节超高频体声波谐振器2的体声波产生区域的边界线条形状、边界线条与流体通道的角度、体声波作用区域的形状和位置，使得溶液中的亚微米及纳米尺度颗粒物进入涡旋通道、保持在涡旋通道中并顺着涡旋通道移动至释放点。其中，体声波产生区域的边界线条与流体通道的角度越小，越易于使得溶液中的亚微米及纳米尺度颗粒物保持在涡旋通道中移动，即减少脱离涡旋通道的溶液中的亚微米及纳米尺度颗粒物，提高分离的效率。 [0064] 在一些实施例中，超高频体声波谐振器的体声波作用区域具有聚焦区与筛分区。聚焦区位于体声波作用区域上游(即靠近样本流入方向，离释放点较远的部分)，筛分区位于体声波作用区域下游(即靠近样本流出方向，离释放点较近或包括释放点的部分)。其中聚焦区的体声波作用区域的设置相对筛分区的设置更适于使得溶液中的亚微米及纳米尺度颗粒物保持在涡旋通道中移动：在聚焦区的涡流通道中的溶液中的亚微米及纳米尺度颗粒物沿着和层流方向相同或相似方向移动，受到的涡旋拖拽力相对较小，更易于溶液中的亚微米及纳米尺度颗粒物进入和保留在涡旋通道；在下游的筛分区，聚焦到涡旋中心的细胞相比于未聚焦的亚微米及纳米尺度颗粒物能够更稳定的在涡流通道中被移动。聚焦区的体声波作用区域边界线条与流体通道的角度相对筛分区的体声波作用区域边界线条与流体通道的角度较小。例如，聚焦区的体声波作用区域边界基本与流体通道方向一致或基本一致(例如角度小于10°)，在这个区域的涡流通道中的亚微米及纳米尺度颗粒物受到的涡旋拖拽力基本上不改变亚微米及纳米尺度颗粒物沿着层流方向的运动状态，只会让亚微米及纳米尺度颗粒物横向迁移至涡旋中心，实现对亚微米及纳米尺度颗粒物的聚焦；筛分区的体声波作用区域边界与流体通道角度较大，引导亚微米及纳米尺度颗粒物移动方向偏离流体通道方向转移到指定的释放点，在筛分区，聚焦到涡旋中心的亚微米及纳米尺度颗粒物相比于未聚焦的亚微米及纳米尺度颗粒物能够更稳定的在涡流通道中被移动。控制流经聚焦区的体声波作用区域的液流速度小于流经筛分区的体声波作用区域的液流速度。 [0065] 在一些实施例中，超高频体声波谐振器产生的超高频体声波，在溶液中基本上不产生驻波。如图7所示，超高频体声波谐振器2发射传向流体通道的对侧的壁(例如流道顶部)的体声波，声波衰减到流体中产生的体积力使得流经的溶液中出现声射流500，导致流体通道中的液体产生局部的立体的旋涡501，超高频体声波引起的连续涡旋形成声流体涡旋通道。由于涡旋是由于声波衰减引发的体积力产生的，涡旋的中心轴在体声波作用边界的上方，因此涡旋通道的形状基本与体声波作用区域的形状相同，位于体声波作用区域边界的上方。声流体涡旋是由于声波在液体介质中传播的非线性引起的。而声波的振幅的强弱直接决定了声流体涡旋的强度。通过调节施加功率可以调控特超声器件的振幅，即声波的振幅，进而控制了声流体涡旋的流速。在涡旋中的颗粒(包括较大尺寸颗粒600、中等尺寸颗粒601，较小尺寸颗粒602)受到的力包括涡旋产生的流体拖拽力(Stokes drag force)，层流产生的惯性拖拽力(inertial lift force)和声波衰减引起的声辐射力(acoustic radiation force)。由于流体拖拽力的大小与颗粒如颗粒直径成正向关系，而声辐射力的大小与颗粒尺寸的平方成正向关系。随着颗粒的增大，受到的力会从以流体拖拽为主导转变到以声辐射力为主导，声辐射力将颗粒推向涡旋中心。较大的颗粒受到更大的声辐射力从而移动到涡旋中心；而较小的颗粒则在涡旋拖拽力的作用下在外围旋转，进一步的，在层流产生的侧向拖拽力作用下向体声波作用区域的下游移动。 [0066] 在一些实施例中，超高频体声波谐振器可以为薄膜体声波谐振器或固态装配型谐振器，例如为厚度伸缩振动模式的声波谐振器。薄膜体声波谐振器的频率主要由压电层的厚度和材料决定。本发明采用的薄膜体声波谐振器的压电层的厚度范围为1nm～2um。本申请的超高频体声波谐振器的频率在约0.5‑50GHz，优选为约1‑10GHz。 [0067] 在一些实施例中，多个超高频体声波谐振器可以与流体运动方向一致的方向直线排列。 [0068] 在一些实施例中，超高频体声波谐振器与PDMS流道芯片粘合集成。超高频体声波谐振器可以设置在流体通道的中间位置。 [0069] 在一些实施例中，溶液中亚微米及纳米尺度颗粒物的筛分装置还可以包括体声波驱动和功率调节装置(图中未示出)。其中，体声波驱动和功率调节装置连接超高频体声波谐振器2，用于驱动超高频体声波谐振器2产生体声波，并调节超高频体声波谐振器2产生的体声波的功率，通过调节体声波的功率来调节进入涡旋通道的颗粒。未进入涡旋通道的颗粒或进入涡旋通道但未到达指定释放点就离开涡旋通道的颗粒则穿过体声波区域，沿样本进入流体通道的方向流出。 [0070] 驱动谐振器的脉冲电压信号可以用脉冲宽度调制驱动，脉冲宽度调制可以产生任何期望的波形，例如正弦波、方波、锯齿波或三角波。脉冲电压信号也可以具有调幅或调频开始/停止能力，以开始或消除体声波。 [0071] 在一些实施例中，如图1至图3所示，电极装置包括电极芯片3和电极驱动装置(图中未示出)；电极芯片设置于流体通道1上；电极驱动装置(可施加电压和频率的信号发生器，使芯片内产生均匀与不均匀电场)与电极芯片3连接，用于驱动电极芯片产生电场。 [0072] 本申请中电泳作用原理如下：层流在水平方向上以VF的速度移动，同时，在垂直方向上施加一个电场，引发电泳力(Dielectrophoretic force，DEP)，使得流体中的目标颗粒物等在电场的作用下发生运动。而电泳导致的粒子垂直方向的速度VE可以由以下公式得出。 [0073] [0074] 其中，Q为颗粒表面电荷，E为外加电场，μ为流体的动力粘度，R为颗粒的水合粒径。 [0075] 在层流条件下，上式可以得出VE的大小和粒子的表面电荷成反比，相同大小，但是表面电荷不同的目标颗粒物和杂质在流体中受到大小不同的电泳力，从而导致粒子的在垂直方向运动速度不同从而完成筛分，如图7所示。 [0076] 根据上述的研究，通过目标粒子与杂质粒子粒径、声阻抗和电位的差异，结合器件参数，进而精确调整声辐射力和声流体力的相互配合，从而实现不同特性的颗粒进入不同的声流体通道中，并且结合电场，从而实现目标粒子的准确筛分。 [0077] 在一些实施例中，电极芯片与超高频体声波谐振器的安装位置分为两种情况： [0078] 第一种：电极芯片与超高频体声波谐振器设置在流体通道的同一位置上。该种情况下通过电场力，声辐射力和声拖拽力的共同作用，三个力同时作用于粒子，完成粒子的多性质多通道的筛分。 [0079] 该种情况又包括如下几种情况： [0080] (1)电极芯片为预设形状电极，预设形状可以是叉指，锯齿等形状，电极芯片与超高频体声波谐振器设置于流体通道的同一壁上，且电极芯片的设置位置与超高频体声波谐振器的设置位置相同。 [0081] 图9(a)、图9(b)和图9(c)分别代表电极芯片和超高频体声波谐振器结构和布局的三维视图、俯视图和侧视图，电极芯片和超高频体声波谐振器均设置于流体通道的底面，且电极芯片布局在超高频体声波谐振器的位置。可以看出布局在超声波谐振器区域的电极，使得颗粒同时受到声流体和电场的效果，在该效果下，目标粒子和杂质粒子在声流体通道的不同区域脱落，并且分别通过不同的流道出口进行分离。 [0082] (2)电极芯片为预设形状电极，预设形状可以是叉指，锯齿等形状，电极芯片设置于流体通道的对侧壁上，且电极芯片的设置位置与超高频体声波谐振器的设置位置相对。 [0083] 图10(a)、图10(b)和图10(c)分别代表电极芯片和超高频体声波谐振器结构和布局的三维视图、俯视图和侧视图，超高频体声波谐振器设置于流体通道的底面，而电极芯片设置于流体通道的顶面(底面的对侧面)，电极芯片的位置和超高频体声波谐振器的位置在流体通道上是相对的。布局在超声波谐振器相对区域的电极，使得颗粒同时受到声流体和电场的效果，在该效果下，目标粒子和杂质粒子在声流体通道的不同区域脱落，并且分别通过不同的流道出口进行分离。 [0084] 该实施例中，针对(1)和(2)，由于叉指，锯齿等形状电极的正负电极都在同一平面，形成的电场强度在整个流道高度上不均匀，表现为靠近电极的位置电场强度大而远离电极的位置电场强度小，可能使得未受声流体通道3D聚焦的较小颗粒因为通过电泳筛分电极时所处的高度不同而受到的电场力不同。 [0085] 该实施例中，由于PDMS流道固定，粒子受到液体的拖拽力方向恒定，即液体流动方向。电极产生的DEP力的方向则是根据粒子的介电特性分别朝向正电极或负电极，更改电极的角度，使得DEP力的方向产生变化，从而使得DEP力和流体拖拽力所形成的合力方向产生变化，进而更改颗粒的流动方向。 [0086] 针对(1)和(2)，上述的电极可以设定方向，一种是电极与流动方向平行，如图9和图10所示，可能存在当粒子在正介电泳力作用下移动到某一正电极上方时，将不再向通道侧面移动，因为该电极两侧的粒子都会在正介电泳力作用下移动到该电极，进而将随着流体拖拽力流向下游。另一种是电极与流动方向产生角度，如图11所示，其中图11(a)、图11(b)和图11(c)分别代表电极芯片和超高频体声波谐振器结构和布局的三维视图、俯视图和侧视图，将不会存在粒子沿着电极方向流动的情况，而且根据调整后合力的方向移动。 [0087] (3)电极芯片包括正电极贴片和负电极贴片，正电极贴片和负电极贴片分别设置于的流体通道的一相对壁上，相对壁与超高频体声波谐振器设置的壁和对侧壁不同，且电极芯片的设置位置与超高频体声波谐振器的设置位置相同。 [0088] 如图12所示，其中图12(a)和图12(b)分别代表电极芯片和超高频体声波谐振器结构和布局的三维视图和俯视图，超高频体声波谐振器设置于流体通道的底面，正电极贴片和负电极贴片设置于与底面垂直的流体通道的两个侧壁上，且电极芯片的设置位置与超高频体声波谐振器的设置位置相同。在该效果下，目标粒子和杂质粒子在声流体通道的不同区域脱落，并且分别通过不同的流道出口进行分离。 [0089] 制造在流体通道两侧的电极则因为正负电极相对，形成的电场在流道高度上更均匀，提升小颗粒的分选效果。 [0090] 在该实施例中，由于电极产生的电泳通常分为电泳和介电泳两种。均匀场电泳通常正负电极个数相同，能在场中创造出均匀的电场如图13，其中图13(a)和图13(b)分别代表电极芯片和超高频体声波谐振器结构和布局的三维视图和俯视图，其上下电极对称分布，并且个数完全相同。介电泳通常正负电极个数不相同如图12，能在场中创造出不均匀的电场，即介电泳力。因此，可以设置正电极贴片和负电极贴片的个数相同，也可以设置个数不同，比如，设定3个电极，中间的为正电极，两侧的为负电极，在正介电泳力的作用下，样本被浓缩到中间电极。电极的数量和电场力性质根据所需实现的目的进行配置，在需要对粒子施加电场力从而改变粒子流动轨迹的地方放置电极。 [0091] 第二种：电极芯片与超高频体声波谐振器设置在所述流体通道的不同位置上，超高频体声波谐振器设置位置接近入口，电极芯片设置位置远离入口。该种情况是分上下游的，通过上游的超高频体声波谐振器产生的电场筛分可以把不同尺寸粒径的粒子筛分出来，通过下游的电极筛分可以进一步在声场筛分的基础上，筛分出来不同理化性质的颗粒物出来。 [0092] 该种情况又包括如下几种情况： [0093] (1)电极芯片为预设形状电极，预设形状可以是叉指，锯齿等形状，超高频体声波谐振器设置位置接近入口，电极芯片设置位置远离入口。 [0094] 如图14所示，其中图14(a)和图14(b)分别代表电极芯片和超高频体声波谐振器结构和布局的三维视图和俯视图，电极芯片和超高频体声波谐振器均设置于流体通道的底面，且超高频体声波谐振器设置位置接近入口，电极芯片设置位置远离入口。 [0095] 还可以超高频体声波谐振器设置于流体通道的底面，而电极芯片设置于流体通道的顶面(底面的对侧面)，且超高频体声波谐振器设置位置接近入口，电极芯片设置位置远离入口。该种情况通常，是通过上游的超高频体声波谐振器产生的电场筛分可以把不同尺寸粒径的粒子筛分出来，筛分完成的溶液中在下游的电极进行二次筛分，进一步把不同理化性质的颗粒物进行筛分，并且杂质粒子和目标粒子通过不同出口分开。 [0096] (2)电极芯片包括正电极贴片和负电极贴片，正电极贴片和负电极贴片分别设置于流体通道的一相对壁上，相对壁与超高频体声波谐振器设置的壁和对侧壁不同，超高频体声波谐振器设置位置接近入口，电极芯片设置位置远离入口。 [0097] 如图15所示，其中图15(a)和图15(b)分别代表电极芯片和超高频体声波谐振器结构和布局的三维视图和俯视图，超高频体声波谐振器设置于流体通道的底面，正电极贴片和负电极贴片设置于与底面垂直的流体通道的两个侧壁上，且超高频体声波谐振器设置位置接近入口，电极芯片设置位置远离入口。该种情况通常，是通过上游的超高频体声波谐振器产生的电场筛分可以把不同尺寸粒径的粒子筛分出来，筛分完成的溶液中在下游的电极进行二次筛分，进一步把不同理化性质的颗粒物进行筛分，并且杂质粒子和目标粒子通过不同出口分开。 [0098] 同样的，可以设置正电极贴片和负电极贴片的个数相同，也可以设置个数不同，电极的数量根据所需实现的目的进行配置，在需要对粒子施加电场力从而改变粒子流动轨迹的地方放置电极。 [0099] 本申请提供的溶液中亚微米及纳米尺度颗粒物的筛分装置可以单独存在，也可以是一个微流控系统的一部分，例如以可装卸的芯片形式存在。微流控系统或装置可用于容纳和运输液体等流体材料，其流道尺寸在微米甚至亚微米及纳米尺度别。典型的微流控系统和设备通常包括毫米级或更小尺寸的结构和功能单位。 [0100] 在一些实施例中，针对纳米颗粒物的尺寸和电性特点，本申请提出的溶液中亚微米及纳米尺度颗粒物的筛分装置中的PDMS流道的高度优选为20um。超高频体声波谐振器频率优选为2.01GHz。控制样本输入流速优选为1uL/min，PBS缓冲液输入流速优选为2uL/min。电极可以设置宽度优选为40μm，长度优选为2.5mm，厚度优选为185nm。电极对之间的距离优选设置为4.6毫米。 [0101] 本申请可用于获得或纯化样本中的需要的亚微米及纳米尺度颗粒。可用于富集需要的亚微米及纳米尺度颗粒。还可用于去除样本中的不想要的亚微米及纳米尺度颗粒，获得纯化的溶液。 [0102] 通过声流体和电场的配合，通过声流体的转移，实现了对电场最大化的利用，使得粒子更加贴近电极。比之前单一电场筛分，能够更加迅速。 [0103] 本申请还提供了一种溶液中亚微米及纳米尺度颗粒物的筛分方法，包括： [0104] 包含目标亚微米及纳米尺度颗粒物的溶液通过流体通道的入口进入所述流体通道； [0105] 设置于所述流体通道的一个壁上的一个或多个超高频体声波谐振器发射传向所述流体通道对侧壁的体声波，根据所述体声波在液体中产生声流体通道，使得溶液中的颗粒物进入所述声流体通道，其中，所述溶液中包含目标亚微米及纳米尺度颗粒物； [0106] 设置于所述流体通道上的电极装置产生电场，在电场的作用下，从进入所述声流体通道中的颗粒物中筛分出目标亚微米及纳米尺度颗粒物，通过流体通道的出口离开流体通道。 [0107] 另外，说明书和权利要求书中的词语“第一、第二、第三等”或模块A、模块B、模块C等类似用语，仅用于区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本申请实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。 [0108] 在上述的描述中，所涉及的表示步骤的标号，如S110、S120……等，并不表示一定会按此步骤执行，在允许的情况下可以互换前后步骤的顺序，或同时执行。 [0109] 说明书和权利要求书中使用的术语“包括”不应解释为限制于其后列出的内容；它不排除其它的元件或步骤。因此，其应当诠释为指定所提到的所述特征、整体、步骤或部件的存在，但并不排除存在或添加一个或更多其它特征、整体、步骤或部件及其组群。因此，表述“包括装置A和B的设备”不应局限为仅由部件A和B组成的设备。 [0110] 本说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意味着与该实施例结合描述的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在本说明书各处出现的用语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定都指同一实施例，但可以指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，能够以任何适当的方式组合各特定特征、结构或特性，如从本公开对本领域的普通技术人员显而易见的那样。 [0111] 注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，均属于本申请保护范畴。 |
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