一种基于声对比因子符号与幅值联合利用的两级声流控分选装置

本发明属于微流控粒子分离，具体涉及一种基于声对比因子符号与幅值联合利用的两级声流控分选装置。

背景技术：

1、在生物医学、功能材料合成及环境监测等领域，微米和纳米尺度颗粒的分离具有重要应用价值。例如，液体活检中需要从血液中高效分离循环肿瘤细胞，功能材料合成中需要对相同直径但成分不同的聚合物微球进行分选。声流控分离技术基于声辐射力与颗粒的相互作用，具有非接触、无标记、低损伤等优点，成为颗粒分离的重要手段之一。现有声流控分离技术主要依赖颗粒尺寸差异作为分离依据。其物理基础在于声辐射力与颗粒半径的立方成正比，当颗粒尺寸存在显著差异时，声辐射力的差异足以驱动颗粒沿不同路径迁移，实现有效分离。然而，在实际应用中，大量目标颗粒的尺寸高度相近甚至完全相同，例如循环肿瘤细胞与白细胞的尺寸分布存在显著重叠，不同成分的聚合物微球可被制备为相同直径。在此类场景下，仅依靠尺寸差异的分离机制效果不显著，甚至完全失效。近年来，研究者认识到可压缩性差异（即声对比因子差异）在分离中的潜力。声对比因子由颗粒与流体的密度比和可压缩性比共同决定，其符号决定颗粒在驻波声场中向压力节点还是压力反节点迁移，其幅值决定声辐射力的大小。然而，现有方法对声对比因子的利用存在明显局限：多数方法仅关注声对比因子的幅值大小，忽略了其符号信息；或仅依赖符号进行二元分类，未能将两者联合利用。这导致两个突出问题：其一，当混合样品中同时包含正、负声对比因子颗粒时，仅依赖幅值无法区分迁移方向相反的颗粒；其二，当多类型颗粒具有相同符号但幅值差异较小时，仅依赖符号无法实现精细分选。因此，在面对三种及以上同尺寸颗粒的复杂样品时，现有技术的分离效率和分离纯度难以满足临床诊断、药物递送载体合成等应用对高纯度分离的要求。

2、针对上述技术缺陷，亟需提供一种能够同时利用声对比因子符号与幅值信息、实现对三种及以上同尺寸颗粒高效连续分离的声流控芯片。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：针对现有声流控分离技术依赖颗粒尺寸差异、难以有效分离尺寸相近但声学特性不同的颗粒，且现有方法未能同时利用声对比因子的符号和幅值信息，导致对三种及以上同尺寸颗粒分离效率低、分离纯度差的问题，提供一种基于声对比因子符号与幅值联合利用的两级声流控分选装置。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于声对比因子符号与幅值联合利用的两级声流控分选装置，包括封闭式的声流控芯片和叉指换能器底座；封闭式声流控芯片包括由聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，pdms）材料经软光刻工艺制成的微流道，设有三个入口和两个出口；微通道沿流动方向依次划分为第一声作用区、第二声作用区以及第三声作用区沿流动方向依次串联连通。第一声作用区位于微通道上游段，为矩形直通道结构，其两侧对称布置有第一叉指换能器，用于产生驻波声表面波声场，该声场在通道内形成位于通道中心线的声压反节点和对称分布于两侧的声压节点；所述第一声作用区利用声对比因子的符号差异对混合颗粒进行初步分类，使负声对比因子颗粒向中心线的声压反节点聚集，正声对比因子颗粒向两侧的声压节点迁移。

4、所述第二声作用区位于第一声作用区下游，其通道宽度小于第一声作用区的通道宽度，其两侧对称布置有第二叉指换能器，用于对经第一声作用区初步分离后形成的颗粒流进行流线整理，将位于通道中心的负对比因子颗粒流和位于两侧的正对比因子颗粒流分别收束至各自稳定的流线轨迹。所述第三声作用区位于第二声作用区下游，为锥形渐变通道结构，其宽度沿流动方向逐渐扩大，两侧对称布置有第三叉指换能器，用于产生倾斜角驻波声表面波声场；第三声作用区利用声对比因子的幅值差异进行二次精细分离，使声对比因子幅值较大的颗粒被稳定捕获于压力节点并沿节点方向迁移，获得显著横向位移，声对比因子幅值较小的颗粒保持未捕获状态，横向位移有限。

5、所述第一声作用区、第二声作用区以及第三声作用区的通道两侧分别对应设有第一声波能量矩形约束槽、第二声波能量矩形约束槽以及第三声波能量矩形约束槽，以用于减少声表面波在传播过程中向pdms层的能量耗散，将声波能量约束在流体域内。所述第三声作用区出口端设有多个宽度呈梯度分布的分离出口，用于分选不同横向位移的颗粒。

6、作为优选，第一声波能量矩形约束槽和第二声波能量矩形约束槽的宽度相等，第三声波能量矩形约束槽的宽度大于前二者。

7、作为优选，所述第一声作用区的通道宽度为100-500μm，第二声作用区的通道宽度为50-300μm，第三声作用区的入口宽度为100-500μm、出口宽度为1000-2000μm、通道延伸深度为5000-20000μm。

8、作为优选，所述第一叉指换能器、第二叉指换能器以及第三叉指换能器分别由10-60对铝电极构成，电极厚度为0.1-1μm，占空比为0.1-1，指宽和指间距分别为30-100μm和60-200μm，理论谐振频率为9-16mhz，对应声表面波波长为100-600μm。所述第二叉指换能器的纵向长度大于所述第一叉指换能器的纵向长度；所述第一叉指换能器和所述第二叉指换能器的布置方向与水平横方向正交；所述第三叉指换能器的布置方向与水平横方向非正交。

9、作为优选，所述第一叉指换能器的对称设置电极间的距离为10000-20000μm。

10、作为优选，所述第二叉指换能器产生的预定倾斜角为1°-25°。

11、作为优选，所述挖空结构的长度为1000-3000μm，沿通道两侧连续设置。

12、作为优选，所述第三声作用区的出口端设置的分离出口开设有5-15个，其宽度为50-200μm。

13、作为优选，所述声流控芯片的通道深度为10-100μm，聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，pdms）层厚度为2000-10000μm，铌酸锂衬底厚度为100-900μm。

14、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

15、1．突破尺寸依赖，实现同尺寸颗粒分离：本发明基于颗粒的声学特性（声对比因子）而非几何尺寸进行分离，克服了传统方法依赖尺寸差异的局限性，能够对直径相同但声对比因子不同的颗粒实现高效分离。

16、2．联合利用符号与幅值，实现多维信息协同：通过两级级联设计，第一级基于符号进行初步分类将负对比因子与正对比因子颗粒分离，第二级基于幅值进行精细分选将不同幅值的正对比因子颗粒分离，实现了声对比因子符号与幅值信息的联合利用，克服了单一维度利用的局限性。

17、3．多目标分离能力提升：通过集成表面驻波声场（standing surface acousticwave，ssaw）与倾斜角表面驻波声场（tilted-angle standing surface acoustic wave，tassaw），在单一芯片内构建两级分离流程，能够对三种及以上颗粒类型实现高效单次分离，满足临床诊断、环境监测等复杂场景对多目标分离的需求。

18、4．参数调控机制明确：基于理论分析和验证，明确了流速、声压、倾斜角对颗粒轨迹的调控机制，揭示了参数之间的协同匹配关系，如最优倾斜角、流速和声压，为不同颗粒特性提供了可量化的优化参数，确保了分离性能的稳定性和可重复性。

19、5．结构简单，易于集成：采用标准微流控加工工艺，芯片结构紧凑，通过两级声场在单一芯片内完成多目标分离，避免了多级串联器件的复杂结构和操作流程，为多目标颗粒分离提供了低成本、高效率的解决方案。

20、6．挖空结构增强声场约束：通过在通道两侧设置挖空结构，有效减少了声表面波向pdms层的能量耗散，将声波能量约束在流体域内，提高了声场利用效率。

21、7．梯度出口设计实现精准分选：第三声作用区出口端设有多个宽度呈梯度分布的分离出口，通过出口通道的宽度梯度进一步放大颗粒横向位移的差异，确保不同横向位移的颗粒能够从对应的出口流出，提高了分离纯度和收集效率。