聲表面波油包水微液滴分裂研究范文

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摘要：

提出了聲表面波實現(xiàn)油包水微液滴的分裂方法，并在128°YX－LiNbO3基片上研制了分裂油包水微液滴的微器件。在壓電基片上采用微電子工藝制作叉指換能器，其激發(fā)的SAW部分作用于油包水微液滴，瞬間降低電信號幅度，油相內(nèi)水微液滴在慣性力作用下發(fā)生分裂，油相微液滴由于較大的表面張力發(fā)生形變而不分裂。以石蠟油包裹藍色水相微液滴為研究對象，進行了油包水微液滴分裂實驗和理論分析，結(jié)果表明，當(dāng)電信號從功率為12．3dBm瞬間關(guān)斷時，可實現(xiàn)油相內(nèi)水微液滴分裂。

關(guān)鍵詞：

聲表面波；液滴；叉指換能器；分裂；輻射

0引言

微流控芯片可將常規(guī)的生化分析實驗室操作單元集成在微小的芯片上，它極大減少了分析中的試劑消耗量，縮短了生化分析時間，并降低了分析中人為引入誤差，在食品分析、生化檢測、生物技術(shù)和臨床分析等領(lǐng)域，日益獲得廣泛應(yīng)用［1－4］，在如硅、玻璃、有機聚合物和紙等多種基片上實現(xiàn)了不同分析功能的微流控芯片。這些基片在透光性、生物相容性和工藝簡單性等方面都各有其特點，并適用于不同應(yīng)用場合。但這些基片本身無法實現(xiàn)微流操作，需外加泵等驅(qū)動源才能實現(xiàn)微流輸運、混合、分離等基本操作，給微流分析增加了體積和設(shè)備成本［5］。壓電微流器件可解決基片上微流操作問題，它采用基片上叉指換能器激發(fā)的聲表面波實現(xiàn)微流混合［6］、微流輸運［7］、細(xì)胞分選［8］、微粒或生物微粒富集［9－10］等微流操作，越來越受微流控學(xué)工作者的青睞。但與其他材料為基底的微流控芯片一樣，壓電微流器件中壓電基片上微流在SAW聲輻射作用下蒸發(fā)現(xiàn)象較嚴(yán)重，影響了微流分析精度。油包微液滴可解決壓電微流器件微流蒸發(fā)問題，在壓電微流分析中獲得應(yīng)用［11］。在壓電微流分析中，需將油包的水微液滴進行分裂，以實現(xiàn)高通量、小劑量的微流分析。目前，有關(guān)壓電基片上油相內(nèi)水微液滴分裂尚未見報道。文獻［12］指出，在微流控芯片的微流通道內(nèi)，油相內(nèi)微液滴分裂法（如T型微通道法［12］）采用油相微流體在微通道內(nèi)流動時使水相流體產(chǎn)生剪切力，實現(xiàn)微流體分裂。Link等［13］采用微通道內(nèi)放置微方形障礙物，使微通道內(nèi)水相微液滴在障礙物作用下發(fā)生分裂，分裂微液滴尺寸可由障礙物在微通道內(nèi)位置而改變。這些方法無法直接應(yīng)用于壓電微流器件上油包微液滴的分裂。本文探索壓電基片上油包微液滴在部分聲場作用下水相微液滴的分裂，為壓電微流器件高通量微流分析提供基礎(chǔ)。

1實驗

當(dāng)在壓電基片上采用微電子工藝制作IDT，并在其上加聲同步頻率的電信號時，壓電基片上的IDT激發(fā)SAW，且在其表面?zhèn)鞑ァ鞑サ腟AW遇到壓電基片上的微流體，則向微流體內(nèi)以瑞利角θR輻射能量，聲波輻射入微流體的θR［14］為θR＝arcsin（vW／vR）（1）式中：vW為聲波在微流體中傳播速度；vR為聲波在壓電基片上傳播速度。圖1為SAW輻射入微流體示意圖。當(dāng)電信號功率較小時，壓電基片上微液滴在聲輻射力及反射聲波力共同作用下，微液滴受到不對稱聲輻射力作用而出現(xiàn)向心旋轉(zhuǎn)運動；逐漸加大IDT上電信號功率，IDT激發(fā)的SAW在微流體內(nèi)產(chǎn)生足夠大的聲流力，則該微流體將沿聲傳播方向運動。為實現(xiàn)微流體非對稱聲輻射力，采用部分聲場作用于微液滴，實現(xiàn)油包水微液滴產(chǎn)生向心運動，圖2為部分聲場作用下油包水微液滴分裂實驗裝置。圖2中，IDT采用微電子工藝制作在128°YX－LiNbO3基片上。IDT的指對數(shù)為35，孔徑均為4．32mm，周期為144μm。信號發(fā)生器（SP1461，EPRE，）提供射頻正弦波信號，該信號可由功率放大器（TSA002A，TSH）放大，功率放大器的功率增益為48dB，最大不飽和輸出功率為30W。帶高靈敏度電荷耦合器（DCE－2，Novel）的顯微鏡用來觀察微液滴運動及分裂，并儲存于計算機中。MD－VNT軟件用來攝像控制和圖像處理。采用微量進樣器將油包水微液滴放置于壓電基片上，使部分聲場作用該微液滴，并在IDT上加電信號。由于聲輻射力作用于油包水微液滴部分區(qū)域，因此，微液滴受到不對稱力作用，同時，微液滴重力及其與壓電基片間作用力共同作用下，微液滴在原位發(fā)生向心旋轉(zhuǎn)。瞬間斷開電信號，微液滴由于慣性力作用，水相微液滴發(fā)生分裂，而油相微液滴由于分子間作用力較大發(fā)生形變而不至于分裂，從而實現(xiàn)油相內(nèi)水微液滴分裂。

2實驗結(jié)果與討論

部分聲場作用下3μL油包裹2μL藍色水相微流體分裂視頻截圖，如圖3所示。圖3（a）為3μL油包裹2μL水微液滴在壓電基片上狀態(tài)，此時，IDT上未加電信號。當(dāng)在IDT上加12．3dBm電信號（測得電信號峰－峰值為3．66V）時，油相微液滴發(fā)生形變，并開始作向心旋轉(zhuǎn)運動（見圖3（b）～（c）），瞬間關(guān)斷電信號，水相微液滴發(fā)生破裂，而油相微液滴形變加大（見圖3（d）），經(jīng)過0．067s后，微液滴恢復(fù)自然狀態(tài)（見圖3（e）），再在IDT上加電信號，則分裂了的微液滴在非對稱聲輻射力作用下向心旋轉(zhuǎn)運動（見圖3（f））。圖3（g）為第二次瞬間降低電信號功率，水相微液滴發(fā)生分裂狀態(tài)。圖3（h）～（i）為2次分裂后，子液滴在SAW作用下向心運動。由圖3可知，在部分聲場作用下，可實現(xiàn)油相內(nèi)水相微液滴在油相內(nèi)分裂。另外，加在IDT上電信號功率變化量越大，油相微液滴形變越大，分裂的水相子液滴越遠(yuǎn)離微液滴中心（見圖3（d））。降低加在IDT上的功率，使其電信號變化量減少，油相微液滴形變減少，水相微液滴分裂的子液滴越靠近微液滴中心（見圖3（g））。但在部分聲場作用下，由于所受聲輻射力較小，油相微液滴本身不發(fā)生分裂，只使水相微液滴在油相內(nèi)分裂。將整個油包水微液滴放置于聲路徑上，加在IDT上的電信號功率從12．3dBm瞬間下降到0，則油包水相微液滴發(fā)生分裂并遠(yuǎn)離母液滴，成為獨立的油包水微液滴，如圖4所示。圖中，圖4（a）為壓電基片上5μL油包裹2．5μL水微液滴狀態(tài)，圖4（b）為IDT上加功率為12．3dBm的電信號，微液滴開始受聲輻射力作用，當(dāng)瞬間關(guān)斷電信號，油包微液滴發(fā)生分裂，并離開母液滴（見圖4（c）～4（d））。由圖4可見，油包微液滴處于整個聲場內(nèi)，相同電信號功率變化量可使油包水微液滴發(fā)生分裂并分離，成為獨立的油包水子微液滴。由此可見，要實現(xiàn)油包水微液滴內(nèi)部水相微液滴分裂，部分聲場作用和電信號功率大小是關(guān)鍵因素。為更好解釋油包水相微液滴在母液滴內(nèi)分裂，對微液滴進行了力的分析和計算。圖5為油包水微液滴分裂示意圖。由圖5（a）可看出，在SAW作用時，油包水微液滴受到液滴與壓電基片間的表面張力、重力和聲輻射力的作用，其中，微液滴與壓電基片間的表面張力是固體（壓電基片）－氣體表面能γ1，液體（微液滴）－氣體表面能γ2和固體－液體表面能γ3共同作用的結(jié)果，該表面張力為Fsurface＝∫2π0γ2（1＋cos）•r0dt（2）式中：為液滴在壓電基片上接觸角，由接觸角測量儀測量得到，油液滴對涂覆有TeflonAF1600薄膜的壓電基片接觸角為72．8°；r0為微液滴與壓電基片表面接觸邊界（由實驗可得，微液滴在壓電基片表面上接觸邊界近似為圓形）。采用圖像分析軟件測得圖3（a）和圖4（a）油包微液滴半徑分別為1．32mm和1．54mm。根據(jù)式（2）可得，油包水微液滴與壓電基片間的表面張力為0．3544mN和0．4135mN。油包水微液滴重力為Fg＝（ρ1V1＋ρ2V2）g（3）式中：ρ1和ρ2為石蠟油和水液滴密度；V1和V2為石蠟油和水液滴的體積；g為重力加速度。根據(jù)石蠟油和水的密度及油包水微液滴體積，可計算得到圖3（a）和圖4（a）油包水微液滴的重力分別為0．0265mN（3μL油重力）、0．0196mN（2μL水重力）和0．044mN（5μL油重力）、0．0245mN（2．5μL水重力）。SAW輻射入微流體產(chǎn)生單位體積的聲輻射力［15－16］為Fs＝－ρ（1＋α2l）3／2A2ω2Kiexp2（Kix＋αlKiz）（4）式中：ρ為微流體密度；ω為角頻率；A為SAW幅度；Ki為漏SAW的波數(shù)的虛部；αl＝j(luò)α，α＝1－（vR／vW）槡2。根據(jù)式（4）并結(jié)合圖3微流體在聲路徑的體積（圖3中，油包水微液滴接近一半體積處于聲路徑中，為計算方便，采用一半的油包水微液滴體積），可計算得到其所受聲輻射力為0．0345mN。同樣，可計算得到圖4中油包水微液滴所受聲輻射力為0．1035mN。圖3、4中油包水微液滴表面張力和微液滴的重力之和均大于微液滴所受聲輻射力，所以，不管部分聲場作用還是全聲場作用，與壓電基片表面接觸的那部分油相微流體仍保持接觸狀態(tài)。在部分聲場作用時，SAW對油包水微流體的聲輻射力接近微流體重力，考慮到液體表面間分子作用力，因此，部分聲場作用下，油相微液滴難以飛離母液滴。而油相內(nèi)部的水相微液滴，自身重力相對聲輻射力較小，且水相微液滴分子間作用較小，因此，水相液滴在油相內(nèi)發(fā)生分裂（見圖3（d））。在全聲場作用下，SAW聲輻射力較大，遠(yuǎn)大于油包水微液滴重力，因此，當(dāng)激發(fā)SAW的電信號突然下降到0時，油包水微液滴頂面部分由于受到慣性力作用發(fā)生分裂，離開母液滴，而油包水微液滴的底面部分，由于其與壓電基片間的表面張力大于聲輻射力，使其繼續(xù)保留原位（見圖4（c）～4（d））。

3結(jié)論

提出了在部分聲場作用下，油包水相微液滴的分裂方法，采用聲輻射力、液滴表面張力和慣性力的共同作用，使油包水相微液滴發(fā)生分裂。以石蠟油包藍色水相微液滴作為實驗對象，進行了SAW作用下油包水相微液滴的分裂實驗，驗證了所提出方法的正確性。本文可得結(jié)論：1）部分聲場作用下，可成功分裂油包水相微液滴。2）部分聲場作用，使得油包水相微液滴受到不對稱聲輻射力作用，發(fā)生向心運動，使油包水相微液滴可實現(xiàn)多次分裂。3）加在IDT上電信號功率影響分裂后水相子液滴的空間位置。

參考文獻：

［16］李志鵬，李曉英，邵憲友．基于COMSOL聲表面波扭矩傳感器的有限元分析［J］．重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015（11）：17－22．

作者:王保成 付相庭 章安良 單位:襄陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院 寧波大學(xué)微納電子系統(tǒng)研究所 常州工學(xué)院電氣與光電子工程學(xué)院