超声-重力耦合场分离设备的设计与制造

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1 超声分离原理分离是-门基础学科，它有助于多种领域的发展研究，包括物理学、生命科学、地球科学、化学及其他领域。虽然各种外场，如电、磁、光学、温度和重力场被用来开发出各种分离技术，但是近年来超声分离技术的研究也取得了-定的成果。本文采用超声，。 驻波来完成微纳米颗粒分离，这种分离设备具有容易制造、易操作、低成本、快速反应、分离效率高、适合分离微米和纳米尺度下的各种微粒和不需要对微柳行预处理等特点。我们给压电传感器施加正弦电信号，耦合成声波进入载体介质用于物质的分离和识别。在液体中，声场力可以用来操纵悬概粒和液体介质。声场力为非接触力，对活体细胞不会造成伤害，分离后的细胞仍可以用于进-步的分析、检验、鉴定和生长。

本文对超声分离微纳米颗粒原理进行了研究，设计并制造了-种用于分离微纳米颗粒的新型超声分离装置，对装置的特性进行了深入分析。场流分离设备在化学分析、临床诊断、环境检测等领域具有广阔的应用前景。

收稿El期：2013-03-27基金项目：吉林侍育厅十二五”科学技术研究项 目(吉教科合字[2012]第279号)作者简介：尹海燕(1970-)，女(汉)，长春，博士主要研究场流分离原理及应用。

声场中颗粒的受力情况 已经有许多文献描述了，现作以简要的介绍。在超声驻波场中，微粒在垂直载体介质的流动方向，受2个力的作用，声场辐射力、沉降力，这 2个力的作用使微粒沿着垂直方向运动到-个平衡位置，形成平衡带。由于不同性质的微粒，如粒径大孝密度、声阻抗等不同，所以被推动到垂直介质流动方向上的不同位置，然后根据微粒穿过流道的速度或时间被区别开。平衡位置坐标如下 ：2 l sin-、(p.-. 。o。' )。 g ) (1)式中：Ea。 -- 超声能量密度；忌-- 波数(忌：27r/ )；到压力节点的距离；A-- 常数；r 介质的密度，粒子的相应值为P 。

2 超声场流分离设备的设计与制造2.1 材料和设备聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)高分子材料具有稳定的机械性能、良好的光学透明性、加工成型方便、无毒和低廉等特点，适合做本设备的基材。设备的基片和盖片材料为 PMMA，厚度为 3 mm。用精密雕刻机 (JD6OB)在基片上雕刻出流道，干燥选用20 长春工程学院学报(自然科学版)真空干燥箱(DZF-6020)，清洗选用超声波清洗器(KQ3200E)，键合选用平板硫化仪(SIY-Ha20B)，检测封接效果选用注射泵(WZ-50C2)，拍照相机(Nikon Coolplx s9200)。

2.2 PMMA基片上流道的形成聚合物流道的制做方法主要有模塑法、LIGA技术、激光烧蚀法、印刷法、注塑成型和其他-些方法[5]。目前比较流行的是激光烧蚀法，但是激光烧蚀深度不容易控制。所以我们采用北京精密雕刻机在基片上雕刻形成流道(如图 1)。基片和盖片均采用 PMMA材料，基片与盖片长宽尺寸完全相同，厚度为3 mm。表1中给出流道的宽度，厚度和长度。

用精密雕刻机在 PMMA基片上 的人 口位置和出口位置各打-个孔径为 5 mm 的孔 ，然后在盖片 的上表面分别做出 2个 30 mm 的孔，用于装配压电振子 。

图 1 流道形成 示意 图表 1 流道 长、宽、高精雕机参数如表 2。经过比较加工过的流道表面和截面，确定合适的参数为：刀具尺寸为 1 mm，主轴转速为 24 000 r/min，重叠率为 9O ，走刀方式为往复行切，刀具圆角为 1.5，具体参见表 2所示。

表 2 精雕机参数2.3 键合 PMMA基片与盖片传统的封接方法有很多种，-般有沸水中键合、烤箱封接、微波焊接、重压下加热键合、溶剂粘合、超声键合，其中，热键合是通用的方法。本文用热压键合法将基片和盖片长宽对齐放在平板硫化仪上，在- 定的温度下，施加-定的压力，形成密闭的通道。

室温下用超声清洗机清洗基片和盖片 10 min，去除附着在键合面上的灰尘和有机杂质。然后将基片和盖片对准，放在去离子水中直接贴合，使基片和盖片紧密贴合在-起而元相互滑动，取出放人真空干燥箱中烘干 2 h，并准备键合，键合过程如图2所示～贴合好的有机玻璃基片和盖片放到平板硫化仪上进行键合。针对键合温度、键合时间和键合压力 3个参数 ，对密封质量的影响进行 了研究。应用压力和温度必须小心控制，否则腔室的顶部将被压溃 。本文选用的键合温度范围为 88～95℃，压力范围为 0.8～1.4 MPa，键合时间为 8～10 min[6]。并用注射泵将有色溶液注入流道 ，试验表明 ，流道的密封性较好 ，无泄漏现象发生。

压力压 力图 2 基片与盖片封接过程2.4 装配压电振子由于压电陶瓷本身硬且脆，所以-般不把压电陶瓷本身作为压电振子直接使用，通常是把压电陶瓷与某种金属弹性材料黏接在-起共同构成振动体，将这种振动体称为复合压电振子。常用的晶片型压电振子有圆形和矩形两种结构，圆形压电振子应力分布状态好于矩形压电振子，更适合于制作场流分离设备的驱动元。本文所用压电振子由电子大尹海燕，等：超声-重力耦合场分离设备的设计与制造 21楼超市直接购买，压电振子的总厚度为 0.3 mm，直径为 30 mm。

把 AB胶按等比例混合均匀后，再轻轻涂抹到压电片的底面上，使胶液布满整个平面，把压电片放到盖片顶面的孔中，用手指按住，用力挤压，粘牢即可。压电片粘贴的位置将会影响到系统的测试结果。信号发生器产生正弦波，并经过放大器放大后传给压电振子，使其产生声场力作用在微纳米颗粒上。在超声驻波场中，在垂直载体介质的流动方向，微纳米颗粒主要受沉降力和声场辐射力的作用，使微粒沿着垂直介质运动方向运动到-个平衡位置，然后根 据微 粒 穿过 流道 的速度 或 时 间不 同被 区别开。

3 结语本文首先分析了微纳米颗粒在声场中的受力特性，同时利用超声-重力耦合场的分离原理，设计并制造了-种新型的分离微纳米颗粒的装置。与传统的流道形成方法相对比，提出了用精密雕刻机在基片上雕刻流道的方法，且对长度、宽度、厚度相同的基片和盖片进行了键合，形成了密闭的流道，流道无泄漏 、无变形。此外 ，采用把压 电陶瓷与金属弹性材料黏接在-起的圆形复合压电振子作为场流分离设备的驱动元。

超声-重力耦合场对于微纳米颗粒的分离具有潜在的应用价值。各种参数对分离效率的影响，是我们实验室进-步研究的内容。