一种基于声表面波技术调控微球/液滴尺寸的装置及方法

本发明属于微纳米，具体涉及一种基于声表面波技术调控微球/液滴尺寸的装置及方法。

背景技术：

1、在微流控制备微球的领域中，微球的精确控制是实现许多应用的关键，在生物医疗、药物运输、材料科学、国防等领域都具有广泛的应用前景。通过精确控制微球的尺寸、形状和表面特性，可以调控材料性能，比如细化后的含能材料的能量释放速度会更快。然而，传统的微球制备技术，主要是在宏观尺度上合成微球，需要实验人员借助超声、磁力搅拌等设备完成微球制备，费时费力，限制了微球在生物医学、纳米材料、化学反应等领域的广泛应用。

2、声表面波(surface acoustic wave，saw)技术是一种利用晶体表面传播声波的先进技术。在微流控系统中常用于对流道内流体或粒子的操纵，通过在微流体通道表面激发声表面波，可以实现流体分离、操纵和传输，同时也可以精确控制微尺度粒子的运动。saw技术具有高频率、高精度和非接触性等特点，在生物传感、微流体操控、粒子操纵等领域有着广泛的应用。

3、目前，现有的微球制备技术包括溶剂挥发法、凝胶化法、乳化法等，这些方法通常受到制备条件的限制难以实现对微球尺寸的精确控制。近年来，电喷雾法和微流控制备法在微球尺寸控制上和功能性上取得了显著进展，但是仍然存在一定的局限性，比如电喷雾法微球的尺寸分布不均匀、微流控制备法对设备要求较高等。

4、上述方法是通过直接制备的方法得到微球结构，此外，通过腐蚀微球表面结构也可以控制微球尺寸，进而得到具有更小尺寸的微球结构，微球的形貌和尺寸将受到腐蚀过程中的诸多因素的影响比如腐蚀剂浓度、接触面积和腐蚀时间等参数，同时在腐蚀制备过程中可能会产生废液和有害气体。

5、因此，寻求一种新的微球制备技术以解决现有技术的局限性迫在眉睫。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于声表面波技术调控微球/液滴尺寸的装置及方法，用于解决当前微球制备方法得到的样品粒径较大且均匀性差的技术问题。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种基于声表面波技术调控微球/液滴尺寸的装置，包括压电基底，压电基底的上表面设置有换能器组和微流道，微流道包括主流道以及连接在主流道入口端的缓冲液流道和反应液流道的一端连接，以及连接在主流道出口端的废液流道和收集流道，样品在微流道内流动，样品为微球或液滴，缓冲液流道的另一端与样品入口流道和不含有样品的第一缓冲液入口流道和第二缓冲液入口流道连接；

4、换能器组通过生成声场操纵主流道内的样品穿过反应液与样品溶液的油水界面发生横向偏移，进而利用缓冲液与反应液对样品的溶解度差异控制反应液对样品表面结构的腐蚀程度，或通过控制反应液对样品表面的溶解情况实现对样品尺寸的控制；通过换能器组控制样品在流道中的横向偏移距离，然后控制样品穿过油水界面回到样品溶液，通过收集流道对样品进行收集。

5、优选地，换能器组为表面声波叉指换能器。

6、更优选地，换能器组包括聚焦式叉指电极和平行式叉指电极，聚焦式叉指电极位于主流道下方靠近缓冲液流道位置；平行式叉指电极位于主流道轴线上，与主流道呈0～60°靠近收集流道位置；聚焦式叉指电极和平行式叉指电极分别用于生成聚焦声和驻波声场。

7、更优选地，聚焦式叉指电极包括10～50对叉指，叉指的宽度为5～50微米弧形，叉指的角度呈30～120°。

8、更优选地，平行式叉指电极包括10～100对平行叉指，叉指的宽度为5～50微米，叉指的长度为2～5毫米，位于主流道(3-3)下方且与主流道(3-3)呈0～60°的夹角。

9、优选地，缓冲液流道分别与主流道入口端和出口端相连，并与收集流道和主流道平行设置；

10、反应液流道与缓冲液流道呈15～60°夹角，位于缓冲液流道的斜上方；

11、废液流道与收集流道呈15～60°夹角，位于收集流道斜上方；

12、缓冲液流道的入口端与样品入口流道，第一缓冲液入口流道和第二缓冲液入口流道相连，样品入口流道与缓冲液流道平行，第一缓冲液入口流道和第二缓冲液入口流道呈120～180°在样品入口流道两侧对称设计。

13、更优选地，微流道的高度为50～120微米，且均为直流道，微流道不同位置的宽度不同；

14、主流道的宽度为100～500微米，缓冲液流道与收集流道的宽度为50～150微米，反应液流道与废液流道的宽度为100～400微米。

15、更优选地，在液滴尺寸调控过程中，样品入口流道，第一缓冲液入口流道和第二缓冲液入口流道的宽度均为50～150微米；

16、在微球尺寸调控过程中，流道的宽度为50微米，第一缓冲液入口流道和第二缓冲液入口流道的宽度均为50～150微米。

17、优选地，样品的材质包括酯类液滴、cl-20微球和/或金属微球。

18、本发明的另一技术方案是，一种基于声表面波技术调控微球/液滴尺寸的方法，包括以下步骤：

19、s1、将基于声表面波技术调控微球/液滴尺寸装置固定在载物台上，通过物镜观察确保主流道平行于视窗下边界，且位于显微镜视窗中心位置；

20、s2、第一缓冲液入口流道接口和第二缓冲液入口流道接口通过四氟管分别与注射泵上的缓冲液注射器连接，样品入口流道的接口通过四氟管与注射泵上的样品注射器相连，反应液流道的接口通过四氟管和反应液注射器连接，废液流道的接口与收集流道的接口通过四氟管分别与废液收集容器和微球收集容器相连接；

21、s3、将换能器组的聚焦式叉指电极和平行式叉指电极的两极分别与两台信号发生器的输出信号的正负两极相连接，调节信号发生器的输出信号为正弦连续输出；

22、s4、开启注射泵，通过调节缓冲液流道和反应液流道的流速，使悬浮粒子的缓冲液与反应液形成稳定的两相流体，两相流体在主流道内形成稳定的油水界面后，在流道内构造声场，样品在声场的作用下实现样品从缓冲液到反应液到缓冲液的移动；

23、s5、通过增减聚焦式叉指换能器的电压幅值，调节样品在主流道的横向偏移距离的远近，实现对样品在主流道内运动轨迹的操控，进而控制样品与反应液的反应时间，最后完成对样品尺寸的控制。

24、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

25、一种基于声表面波技术调控微球/液滴尺寸的装置，将声表面波技术与微球腐蚀的制备方法相结合，可以通过微流控芯片实现更小尺寸微球的制备；通过声场对微球进行操控，可以使得微球表面与反应液的充分接触，得到比使用传统腐蚀方法表面结构更优的微球结构。

26、进一步的，通过叉指换能器在压电基底上激发声表面波，利用声辐射力对样品进行操控，操控精度高且适用范围较广，非接触性操控可以避免对样品表面造成损伤或者污染，得到表面结构更优的微球结构。

27、进一步的，利用聚焦式叉指电极对样品进行操控，可以在较短的声场范围内实现样品在垂直流动方向上的快速偏移，并结合平行叉指电极的大范围声场，将样品以近似弧线的运动轨迹缓慢推入收集通道内，可以通过控制聚焦声场的声场能量密度，控制样品横向偏移距离，使样品在反应液中具有不同的弧线运动轨迹，进而控制样品与反应液的反应时间，从而在回到收集溶液中时得到具有不同的尺寸，实现在同一芯片上不同尺寸微球的制备。

28、进一步的，通过调节聚焦式叉指电极的电压幅值，控制微球在主流道中的偏移距离，进而控制微球与反应液的接触时间，满足对微球不同尺寸的要求；通过选择合适的反应液，调节微球与反应液的反应速率，可以实现更大范围微球尺寸的调控。

29、进一步的，缓冲液流道、主流道与收集流道的平行设计，可以减少样品在运动过程的能量损耗，且避免因流道弯曲而导致的样品贴壁、堵塞等问题。反应液流道与废液流道的设计有利于反应液与缓冲液在流道内形成层流。为了避免样品在主流道内因位置不同而导致的横向偏移距离产生差异，这里设计第一缓冲液入口流道与第二缓冲液入口流道在缓冲液流道两侧对称分布，将样品排列在流道中央，实现逐个样品的精确操控。

30、进一步的，为了降低流阻对样品操控的影响，微流道高度与流道宽度都选择较大的尺寸进行设计。通过加宽主流道和反应液流道，并结合聚焦声场，液滴/颗粒可以在主流道实现更远距离的偏移，从而增大相应轨迹变化的范围，增加制备微球的尺寸范围，而较宽的废液流道设计则是为了避免反应液对样品造成污染。

31、进一步的，借助声场可以对多种材质的微粒进行操纵，包括但不限于酯类液滴，cl-20微球，部分金属微球等，可以实现多种材质的微球的尺寸调控。

32、一种基于声表面波技术调控微球/液滴尺寸的方法，通过换能器组在微通道内产生声场，操纵样品在流道内的运动轨迹，不同的弧线运动轨迹对应液滴/微球在反应溶液中不同的反应时间，从而在回到收集溶液中时具有不同的尺寸。通过该方法可以在实验过程中对信号发生器进行电压幅值进行调节，实现了对微球尺寸的实时调控，并且通过对电压幅值进行逻辑控制可以实现具有一定比例不同尺寸微球的混合制备。其次，通过该微流控装置可以减少过程中造成的材料浪费，提高实验效率和微球质量。

33、综上所述，本发明具有尺寸可调、制备效率高、制备过程安全等优点，适用于各种微球材料的制备。

34、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。