用于流体样本的表面声波处理的射流装置、射流装置的用途以及制造射流装置的方法

发明背景

技术领域

本发明涉及射流装置、这种装置的用途以及这种装置的制造方法。特 别的但并非唯一的关注是在微流体环境中的流体样本处理。本发明特别地 但并非仅适用于对液滴的处理，例如，在试剂和化学品的生物学、生物化 学、医学、兽医和化学测定、分析、诊断以及合成和生产方面的应用。

本发明还涉及用于溶解细胞的方法和用于溶解流体样本中的细胞的 射流装置的用途。本发明还涉及用于使流体样本雾化的方法和用于使流体 样本雾化的射流装置的用途。这在，例如，用质谱法和其它分析技术对样 本进行处理方面是人们所关注的。本发明还涉及用于加热流体样本的方法 和用于加热流体样本的射流装置的用途。此外，本发明还涉及用于使用相 应的射流装置在样本上进行聚合酶链反应（PCR）的方法，该方法可选地 包括加热该样本。

相关技术

众所周知，微流体设备用于处理和分析小体积流体。例如，WO 2005/100953公开了一种用于测量流体粘度的系统。通过使用热力泵，流 体沿着微流体通道移动。

对微流体液体进行处理的替代方法包括使用如在US 2007/0140041中 描述的表面声波设备。在该文献中，揭露了在歧管处混合两种微流体流所 存在的问题，因为在微流体尺寸下，一些液体按层流流动，由于缺乏湍流， 使得混合变得困难。因此，US 2007/0140041寻求使用表面声波（SAW） 来改善在微流体歧管处的两种流体流的混合。SAW换能器被放置在与歧管 接触的位置，以促进流体流在歧管的接合处的混合。

表面声波（SAW，最常见的是瑞利波）是可被促使沿着材料表面传播 的声波。通过将合适的电信号施加于位于压电材料表面处的电极布置，可 以方便地在压电材料的表面上形成表面声波。合适的电极布置利用了相互 叉指电极，其中第一电极具有平行的指状电极的配置，其在指状物之间具 有规则的间距。形状类似的相应的第二电极具有突出到第一电极的指状物 之间的间隙中的指状物。电极布置和压电材料的结合形成了换能器。

尤为熟知的是，SAW换能器用于电信设备（诸如，移动电话）中的频 率滤波器。在这种滤波器中，有输入换能器和输出换能器。将输入信号施 加到输入换能器以形成一连串的SAW，所述一连串的SAW传播到输出换 能器。在输出换能器，SAW被转换回电信号。例如，Dogheche等人在[E. Dogheche,V.Sadaune,X.Lansiaux,D.Remiens,and T.Gryba″Thick LiNbO₃layers on diamond-coated silicon for surface acoustic wave filters″Applied  Physics Letters Vol.81,No.7(2002年8月12日)p.1329]中公开了用于 SAW滤波器的压电薄膜的制备。通常，这种滤波器是使用诸如石英、LiTaO₃或LiNbO₃的已知的压电基板形成的。然而，通过传统的光刻在这种基板 的表面上形成合适的交叉指型电极图案的同时提供一种可在上至适当的 电信频率操作的滤波器很难。因此，Dogheche等人在涂覆金刚石的硅上形 成厚（约1μm厚）LiNbO₃压电层，并证明其在293MHz作为SAW滤波 器进行操作。

还需要注意的是，为了处理SAW可以提供准晶体结构。已经表明， 可以使用各种声子带隙结构来影响在压电材料中产生的声波波前。例如， Wu等人在[Wu,T.T.,Z.G.Huang,and S.Y.Liu,“Surface acoustic wave band  gaps in micro-machined air/silicon phononic structures-theoretical calculation  and experiment”Zeitschrift Fur Kristallographie,2005.220(9-10):p.841-847] 中讨论了他们对通过具有孔的方形晶格布置的硅进行显微机械加工形成 的结构中的声子带隙的调查。该换能器形成有具有平行指状物的交叉指型 电极。此外，Wu等人还在[Wu,T.T.,L.C.Wu,and Z.G.Huang,“Frequency  band-gap measurement of two-dimensional air/silicon phononic crystals using layered slanted finger interdigital transducers”Journal of Applied Physics, 2005.97(9):p.7]中公开了使用具有呈扇形形状的交叉指型不平行指状物 的电极的相似的声子晶体的调查结果。此外，在纯理论论文中，Kuo和Ye 在[Kuo,C.H.and Z.Ye,“Sonic crystal lenses that obey the lensmaker′s  formula”Journal of Physics D-Applied Physics,2004.37(15):p.2155-2159]中 讨论了可以用于使声波聚焦的结构的特性。

“声子晶体”一词用作“光子晶体”的类比物。在光子晶体中，由于 入射光的散射，周期性结构会导致反射，因此当光以一个或多个波长和入 射角度通过“晶体”（通常由基于规则阵列（诸如，布拉格反射器）的介 电材料的布置形成）传播时允许反射光和入射光之间发生干涉。这种干涉 表现为防止光在某个波长（或波长范围）和方向上通过晶体的传播。因此， 存在光无法通过光子晶体传播的频率“带隙”。依此类推，在构成声子晶 体的材料的机械特性上，声子晶体具有不连续或变化的周期性布置。这种 声子晶体可以防止特定波长的声波或机械波通过晶体传播。由于SAW可 以在严格定义的频率下形成，几个小组已经研究了声子晶体对SAW传播 的影响。

Mohammadi等人（2007）在[Mohammadi,S.,等人,“Complete phononic  bandgaps and bandgap maps in two-dimensional silicon phononic crystal  plates”Electronics Letters,2007.43(16):p.898-899]中公开了使用方形孔阵 列或六边形孔阵列在硅板中形成完整的声子带隙结构。在同一组出版物 中，Mohammadi等人（2008）在[Mohammadi,S.,等人,“Evidence of large  high frequency complete phononic band gaps in silicon phononic crystal  plates”Applied Physics Letters,2008.92(22):p.3]中讨论了使用六边形孔阵 列在硅板中形成大而完整的声子带隙。

Olsson等人在[Olsson,R.H.,等人,“Microfabricated VHF acoustic  crystals and waveguides”Sensors and Actuators a-Physical,2008.145:p. 87-93]中公开了在通过将钨散射体的周期性阵列纳入硅胶基质所形成的结 构中形成声带隙。通过沿着期望的路径除去所选择的散射体提供用于声波 的波导管。

Vasseur等人在[Vasseur,J.O.等人,2008.Absolute forbidden bands and  waveguiding in two-dimensional phononic crystal plates.Physical Review B (Condensed Matter and Materials Physics),77(8),085415-15]中陈述了关于由 在第二材料制成的板中的第一材料制成的圆柱体阵列形成的二维声子晶 体板中的声子带隙的研究。

US 2008/0211602公开了一种具有压电层的声波设备，该压电层具有 在基板上方形成的换能器电极，在压电层和基板之间形成有一种全向声学 镜。

其它的研究人员已经在液体处理时使用了SAW。例如，Renaudin等人 在[A.Renaudin,P.Tabourier,V.Zhang,J.C.Camart and C.Druon“SAW  nanopump for handling droplets in view of biological applications”Sensors  and Actuators B,113,2006,p.389]中对用于生物学应用的微流体的SAW设 备的制造和开发做了报告。在约20MHz的SAW由放置在LiNbO₃压电基 板上的叉指电极换能器产生。小滴沿着换能器的表面输送，其中在疏水区 域之间提供了亲水性的微型轨迹。此外，同一研究小组还在[Renaudin,A. 等人,2009.Monitoring SAW-actuated microdroplets in view of biological  applications.Sensors and Actuators B:Chemical,138(1),374-382]中提出了使 用由叉指换能器检测出的回声信号来确定小滴位置的方法。

Du等人在[Du,X.Y.等人,2009.Microfluidic pumps employing surface  acoustic waves generated in ZnO thin films.Journal of Applied Physics,105(2), 024508-7]中提议在Si基板上使用ZnO薄膜形成用表面声波操作的微流体 泵。

Frommelt等人在[Frommelt,T.等人,2008.Flow patterns and transport  in Rayleigh surface acoustic wave streaming:combined finite element method  and raytracing numerics versus experiments.Ultrasonics,Ferroelectrics and  Frequency Control,IEEE Transactions on,55(10),2298-2305]中调查了在遭 受表面声波影响的小滴内部的流体流动和颗粒输送的模式。

Shi等人在[Shi,J.等人,2008.Focusing microparticles in a microfluidic  channel with standing surface acoustic waves(SSAW).Lab on a Chip,8(2), 221-223]中提议使用相对的叉指换能器来形成沿着通道移动的对齐的小珠 布置。

Wu和Chang等人在[Wu,T.&Chang,I.,2005.Actuating and detecting of  microdroplet using slanted finger interdigital transducers.Journal of Applied  Physics,98(2),024903-7]中公开了通过施加于具有以倾斜的配置布置的指 状物的叉指换能器的信号的控制，小滴在SAW基板上的移动。

Tan等人在[Tan,M.K.,J.R.Friend,andL.Y.Yeo,“Microparticle  collection and concentration via a miniature surface acoustic wave device”Lab  on a Chip,2007.7(5):p.618-625]中公开了使用SAW来收集水滴中的微粒 (诸如，花粉颗粒)。水滴沿着SAW换能器并经由射流轨道被输送出去。

也描述了通过不对称地应用表面声波使小滴中的微粒聚集。所描述的 用于破坏表面声波的对称性的技术涉及使滴状物在平行的电极叉指换能 器的边缘上对齐[A.Zhang,W.Liu,Z.Jiang and J.Fei,Appl.Acoust.,2009, 70,1137-1142.],放置凝胶以部分地吸收表面声波反射（使得仅部分滴状物 位于传输路径中）[H.Li,J.R.Friend and L.Y.Yeo,Biomed.Microdev.,2007,9, 647-656],或使用利用具有固定频率和激发路径的圆形换能器使表面声波 聚焦的更复杂的IDT[R Shilton,M.Tan and L.Yeo,and J.Friend,J.Appl. Phys.,2008,104,014910]。

Bennes等人在[J.Bennes,S Alzuage,F.Cherioux,S.Ballandras,P.Vairac, J-F Manceau and F.Bastien,“Detection and high-precision positioning of  liquid droplets using SAW systems”IEEE Transactions on Ultrasonics  Ferroelectrics and Frequency Control,2007,54(10):p.2146-2151]中公开了使 用SAW对小滴进行检测和定位。所使用的SAW设备是由铌酸锂基板 （LiNbO₃ cut(XY1)/128°）形成的。Bennes等人做出说明，由于入射的SAW 沿着基板表面在空气/液体界面上产生折射，并产生合力，该合力可在沿着 基板表面的方向上具有分量，导致小滴移动。LiNbO₃基板经过处理以使其 具有疏水性-这增大了与含水小滴的接触角，并降低了通过与SAW相互 作用使小滴移动所需的力。

WO 02071051公开了用于质谱分析的生物分子样本的声发射。

WO 2007/128045公开了使用SAW换能器使来自通过流体耦合层耦合 到压电换能器上的基板的液滴雾化，从而形成沸石纳米晶体。

射流系统可能在分析生物样本方面，例如，在定点照护诊断应用和便 携式生物传感器方面是有用的。然而，生物样本对流体（特别是微流体） 的样本处理和分析提出了特别的挑战。生物样本的制备通常是复杂的，涉 及多个步骤。值得注意的是，对于包含细胞的生物样本来说，所关注的分 子可能是细胞内分子，使得样本的制备需要细胞破裂的步骤，以获取可用 于分析和应用（诸如，免疫诊断和病原体检测）的细胞内分子。

有各种方法来使细胞破裂以释放用于分析的细胞内分子。细胞被称为 质膜（也称之为细胞膜或细胞质膜）的脂质双分子层封闭在内，该脂质双 分子层限定了细胞的边界。细胞因质膜裂开而破裂称为细胞溶解，并且这 可以通过各种化学和物理方法来实现。

典型的化学溶解过程涉及许多步骤，包括添加溶解剂（例如，酶、洗 涤剂）、洗涤（通常使用离心步骤）和对处理过的样本进行洗脱以用于进 一步分析。物理溶解过程包括加热和机械方法，诸如用小颗粒（例如，玻 璃珠）来搅拌和声波降解法（或超声降解法）。声波降解法通常涉及经由 以高频率振荡的浸没探头将机械能传送到含有悬浮细胞的溶液中，并使样 本中产生空穴（微气泡产生并且破碎），使细胞裂开。

化学细胞溶解过程已经集成到微流体系统中[P.Sethu,M.Anahtar,L.L. Moldawer,R.G.Tompkins,and M.Toner,Continuous Flow Microfluidic  Device for Rapid Erythrocyte Lysis,Anal.Chem.2004,76,6247-6253; X.Chen,D.F.Cui and C.C.Liu,On-line cell lysis and DNA extraction on a  microfluidic biochip fabricated by microelectromechanical system technology, Electrophoresis 2008,29,1844-1851]。然而，这些方法需要溶解剂，溶解剂 可能会显著地稀释所关注的分子，从而降低后续检测步骤的灵敏度。这些 方法还需要一种笨重的液体驱动系统来使液体绕着芯片移动，这对于定点 照护应用来说是不切实际的。对样本进行下游处理或分析可能需要除去溶 解剂和/或洗脱剂，例如，因为这些试剂会抑制反应（例如，基于PCR的 核酸的扩增），或者因为它们会损害所关注的分子。

已经开发出用于使样本中的细胞在微流体平台上非化学溶解的技术。 这些技术包括加热[S.Baek,J.Min and J.-H.Park,Wireless induction heating  in a microfluidic device for cell lysis,Lab on a Chip,2010,10,909–917]，施加 电场[D.W.Lee,Y.-H.Cho,Acontinuous electrical cell lysis device using a  low dc voltage for a cell transport and rupture,Sensors and Actuators B,2007, 124,84-89]，或使用机械力并与磁场共同作用[J.Siegrist,R.Gorkin,M. Bastien,G.Stewart,R.Peytavi,H.Kido,M.Bergeron and M.Madou, Validation of a centrifugal microfluidic sample lysis and homogenization  platform for nucleic acid extraction with clinical samples,Lab on a Chip,2010, 10,363-371]，通过使用滤波器结构[D.DiCarlo,K.-H.Jeong and L.P.Lee, Reagentless mechanical cell lysis by nanoscale barbs in microchannels for  sample preparation,Lab on a Chip,2003,3,287-291]或通过超声降解法[M.T. Taylor,P.Belgrader,B.J.Furman,F.Pourahmadi,G.T.A.Kovacs and M.A. Northrup,Lysing Bacterial Spores by Sonication through a Flexible Interface in  a Microfluidic System,Analytical Chemistry 2001,73,492-496 and M.T. Taylor,Apparatus and method for rapid disruption of cells or viruses, WO03055976(Cepheid,Inc.)]来使细胞破裂。

然而，热量、电场或空穴可能会损害所关注的分子。电溶解可以与其 他功能一起集成到微流体芯片中[J.Cheng,E.L.Sheldon,L.Wu,A.Uribe,L. O.Gerrue,J.Carrino,M.J.Heller,J.P.O′Connell,Preparation and  hybridization analysis of DNA/RNA from E.coli on microfabricated  bioelectronic chips,Nature Biotechnology,1998,16,541-546],但其它的物理 溶解方法需要在该系统中引入外部致动来使流体以类似于基于化学的溶 解平台的方式绕着芯片移动。这已经成为阻碍用于分子诊断[P.Yager,T. Edwards,E.Fu,K Helton,K.Nelson,M.R.Tam and B.H.Weigl,Microfluidic  diagnostic technologies for global public health,Nature,2006,442,412-418]的 完全集成的“取样-反馈”解决方案的开发的特殊难题。

发明内容

本发明建立在PCT/GB2010/001600（2011年2月2日未公开，但于 2011年3月3日公开，公开号为WO2011/023949）中所述的研究的基础上。 在所述专利申请中，公开了一种使用表面声波（SAW）来处理流体样本的 射流装置。所述SAW的传输、分布及/或行为受该装置中的表面声波（SAW） 散射元件的布置的影响。

在PCT/GB2010/001600中，所述SAW是使用128°Y切割X方向传播 的LiNbO₃压电单晶片上的叉指换能器电极结构而产生的。LiNbO₃单晶片 价格昂贵。因此，PCT/GB2010/001600中公开的内容允许LiNbO₃压电单 晶片与可去除的覆盖层耦合，由所述LiNbO₃压电单晶片产生的SAW经由 耦合介质传输给所述覆盖层。然后，该覆盖层提供样本处理表面和所需的 SAW散射元件布置。这样做的优点在于能够允许样本只污染覆盖层，而不 会污染LiNbO₃压电单晶片。然后，可除掉该覆盖层，且LiNbO₃压电单晶 片可重新用于新的覆盖层和新的样本。这样做节省成本，因为例如通过模 塑可相对高效地制造覆盖层。

然而，本发明人已经发现，虽然上述装置已经在很多方面都有优点， 但是仍然有某些方面可以改进。特别是，该装置的性能可在很大程度上取 决于覆盖层上的压电换能器与SAW散射元件的对齐。在由使用者来控制 对齐的情况下（例如，用新覆盖层来替换一个覆盖层），可能难以预测装 置的后续性能。此外，装置的性能类似地取决于压电换能器与覆盖层之间 的耦合。考虑到这些因素，在诊断应用和其他应用中，仍优选使用这种装 置，其中由于潜在的污染问题，装置可能实际上不能使用一次以上。

本发明的目的在于解决这些问题中的至少一个。优选的是，本发明减 少、改善、避免或甚至克服这些问题中的至少一个。

因此，在第一优选方面中，本发明提供一种用于处理至少一个流体样 本的射流装置，该装置包括：

处理表面，其用于定位该流体样本；

表面声波（SAW）生成材料层；以及

换能器电极结构，其被布置在该SAW生成材料层上，以在该处理表 面提供表面声波（SAW）用于与该流体样本相互作用，

其中该处理表面具有至少一个SAW散射元件，用于影响SAW在该处 理表面的传输、分布及/或行为，且其中所述SAW生成材料选自由下列项 组成的组：多晶材料、纹理化多晶材料、双轴纹理化多晶材料、微晶材料、 纳米晶体材料、非晶材料和复合材料。

在第二优选方面中，本发明提供一种用于处理至少一个流体样本的射 流装置，该装置包括：

处理表面，其用于定位该流体样本；

表面声波（SAW）生成材料层；以及

换能器电极结构，其被布置在该SAW生成材料层上，以在该处理表 面提供表面声波（SAW）用于与该流体样本相互作用，

其中该处理表面具有至少一个表面声波（SAW）散射元件，用于影响 SAW在该处理表面的传输、分布及/或行为，

且其中该SAW生成材料层不是单晶层的形式。

在第三优选方面中，本发明提供一种用于处理至少一个流体样本的射 流装置，该装置包括：

处理表面，用于定位该流体样本；

表面声波（SAW）生成材料层，其中：

该SAW生成材料层的材料选自由下列项组成的组：多晶材料、 纹理化多晶材料、双轴纹理化多晶材料、微晶材料、纳米晶体材料、非晶 材料和复合材料，或

该SAW生成材料层不是单晶层的形式，

换能器电极结构，其被布置在该SAW生成材料层上，以在所述处理 表面提供SAW用于与该流体样本相互作用，

其中该处理表面具有至少一个表面声波（SAW）散射元件，用于影响 SAW在该处理表面的传输、分布及/或行为。

在第四优选方面中，本发明提供一种用于处理至少一个流体样本的射 流装置，该装置包括：

表面声波（SAW）生成材料层，其具有用于定位所述流体样本的处理 表面；

换能器电极结构，其被布置在该SAW生成材料层上，以在该处理表 面提供SAW用于与该流体样本相互作用，

其中该处理表面具有至少一个SAW散射元件，其至少部分地延伸到 该SAW生成材料层中，用于影响SAW在该处理表面的传输、分布及/或 行为。

在第五优选方面中，本发明提供一种用于处理至少一个流体样本的射 流装置的用途，该装置包括：

处理表面，该流体样本被定位在该处理表面上；

表面声波（SAW）生成材料层，其中：

该SAW生成材料层的材料选自由下列项组成的组：多晶材料、 纹理化多晶材料、双轴纹理化多晶材料、微晶材料、纳米晶体材料、非晶 材料和复合材料，或

该SAW生成材料层不是单晶层的形式，

换能器电极结构，其被布置在该SAW生成材料层上，

其中该装置被操作以在该处理表面提供SAW，用于与该流体样本相互 作用，且其中该处理表面具有至少一个SAW散射元件，用于影响SAW在 该处理表面的传输、分布及/或行为。

在第六优选方面中，本发明提供一种用于处理至少一个流体样本的射 流装置的用途，该装置包括：

表面声波（SAW）生成材料层，其具有用于定位该流体样本的处理表 面；

换能器电极结构，其被布置在该SAW生成材料层上，

其中该装置被操作以在该处理表面提供SAW，用于与该流体样本相互 作用，且其中该处理表面具有至少一个SAW散射元件，其至少部分地延 伸到该SAW生成材料层中，用于影响SAW在该处理表面的传输、分布及 /或行为。

在第七优选方面中，本发明提供一种制造用于处理至少一个流体样本 的射流装置的方法，该装置包括：

处理表面，其用于定位该流体样本；

表面声波（SAW）生成材料层；以及

换能器电极结构，其被布置在该SAW生成材料层上，以在该处理表 面提供表面声波（SAW）用于与该流体样本相互作用，

其中该处理表面具有至少一个表面声波（SAW）散射元件，用于影响 SAW在该处理表面的传输、分布及/或行为，

该方法包括在SAW生成材料层沉积步骤中在支撑物上原位形成该 SAW生成材料层。

在第八优选方面中，本发明提供一种制造用于处理至少一个流体样本 的射流装置的方法，该装置包括：

表面声波（SAW）生成材料层，具有用于定位该流体样本的处理表面； 以及

换能器电极结构，其被布置在该SAW生成材料层上，以在该处理表 面提供表面声波（SAW）用于与该流体样本相互作用，

其中该处理表面具有至少一个表面声波（SAW）散射元件，用于影响 SAW在该处理表面的传输、分布及/或行为，

所述方法包括形成该SAW生成材料层，使得所述至少一个SAW散射 元件至少部分地延伸到该SAW生成材料层中。

现在将陈述本发明的优选或可选特征。除非上下文另有要求，否则这 些特征可单独应用或与本发明的任一方面组合应用。

发明人认为（不希望受理论限制）SAW往往至少部分地折射到流体样 本中。这种折射是因为与基板相比，流体样本在一般情况下具有不同的 SAW传播速度。这使流体样本中产生流动。因此，这被认为是样本在SAW 的影响下移动的起源。

流体样本可能是滴状物的形式，例如，小滴（诸如，微流体小滴）。 然而，对流体样本来说，其他布置也是可能的，例如，流体通道，或装在 腔室内的流体。在以下讨论中，使用“小滴”一词，但是如上文所讨论的， 本发明意在不一定受限于对小滴的处理。

流体可包含液体。此外，流体可包含一种或多种颗粒。例如，流体可 以是包含固体（或实质上为固体）颗粒的液体。特别受关注的是载液中包 含悬浮的固体颗粒的流体。

流体样本的体积取决于装置的应用。例如，流体样本的体积可以是至 少1皮升。更优选的是，流体样本的体积是至少10皮升、至少100皮升 或至少500皮升。可以设想更大的体积，例如，至少1纳升、至少10纳 升、至少100纳升或至少500纳升。在一些应用中，更大的体积也是可行 的，例如，至少1微升或至少10微升。流体样本的体积的优选的上限是 约5毫升，更优选约1毫升，再优选约0.1毫升。

该处理表面可经过处理，以使其具有疏水性。例如，水滴与该处理表 面的平面区域之间的接触角可不小于65度。

该SAW生成材料层可由适于产生表面声波的任何材料形成。例如， SAW可通过压电工艺、通过磁致伸缩工艺、通过电致伸缩工艺、通过铁电 工艺、通过热电工艺或通过电磁工艺产生。最优选的是，SAW生成材料层 由压电层形成。在下述公开内容中，使用“压电层”一词，但是此处应理 解的是，类似的考虑也适用于由例如磁致伸缩材料形成的SAW生成材料 层。因此，当由任一种适合的材料形成时，除非上下文另有要求，否则所 述的与“压电层”相关地阐述的可选特征应被理解为更普遍地适用于该 SAW生成材料层。

本发明人进一步认为本发明不一定受限于SAW的生成和处理。认为， 使用本发明的原理，可以产生诸如体声波之类的其他声波。这种声波易于 以与SAW类似的方式被处理。使用至少一个声波散射元件（更优选的是， 这种散射元件的布置）可以进行这种处理（例如，影响声波的传输、分布 及/或行为）。体声波，例如，在自由表面（诸如，该样本处理表面）产生 相应的声波或位移。因此，在本公开中，应理解的是，SAW只是可经处理 进而为样本提供适当处理的适合的声波的一个例子。因此，尽管在此公开 中使用了词语“SAW”和“表面声波”，但是应理解的是，除非上下文另 有要求，否则这些词语可由词语“体声波”或词语“声波”来代替或补充。

本发明人还认为本发明不一定受限于对流体样本的处理。使用该装置 可以处理可视为固体，或实质上为固体（例如，排泄物）的样本，处理方 式将在下文中更加详细地陈述。

优选的是，该压电层是在支撑物上形成的。该支撑物可能只为该压电 层提供机械支撑。该支撑物可由塑料形成。在制造该装置的过程中，若该 装置的剩余部分是自支撑式的，则可除去该支撑物。

该换能器电极结构可在该压电层之上或之下形成。然而，优选的是， 该换能器电极结构至少部分地嵌入到该压电层中。这是优选的，使得该换 能器电极结构的表面可与该压电层的表面连续。这允许简化该装置的构 造，且可允许对该装置中的流体样本的流动特性进行改善。优选的是，该 换能器电极结构具有叉指电极的布置。在一些实施例中，优选的是，该换 能器是可调的，使得SAW发射串（emission train）的横向位置是可移动的。 例如，由Wu和Chang[Wu,T.&Chang,I.,2005.Actuating and detecting of  microdroplet using slanted finger interdigital transducers.Journal of Applied  Physics,98(2),024903-7]提出的倾斜的叉指电极布置可用于该换能器。适用 于本发明的倾斜的叉指电极布置将在下文中更加详细地描述。

该处理表面可以是耦合到该压电层的覆盖层的表面。在这种情况下， 优选的是，从在不损坏该装置的情况下该覆盖层不能从该压电层去除的意 义上来讲，该覆盖层被永久地耦合到该压电层。优选的是，该覆盖层与该 压电层对齐地形成，此对齐在制造所述装置时确定。该覆盖层可在该压电 层之上或之下形成。该覆盖层可以是形成在该压电层上的薄膜。该薄膜的 厚度可能是5μm或以下，更优选的是，厚度为1μm或以下。该覆盖层在 此也可对该压电层起支撑作用。例如，该覆盖层可以是在沉积步骤期间压 电层所沉积的支撑层。需要注意的是，该支撑层在使用中可能位于该压电 层上方或下方。

然而，优选的是，该处理表面是该压电层的表面。这是优选的，因为 无需覆盖层与该压电层对齐地形成。在一些情况下，该压电层的表面可经 过处理，以使其与所关注的流体样本相兼容。在这些情况下，该压电层包 括表面处理和表面钝化的压电层。以前，利用的是单晶压电换能器，允许 样本污染压电表面，这被认为是不经济的，因为这可能意味着压电换能器 不能重复使用。然而，本发明人已经意识到，可以代替地使用非单晶压电 层，使用适合经济的批量加工制造的压电层沉积工艺来制造适合的装置。

在一些实施例中，在SAW的传播方向上，该处理表面与该压电层可 能是分离的。在这种情况下，该处理表面可能不会覆在该压电层上面。相 反，该处理表面可经由SAW传输材料层与该压电层进行SAW通信。以此 方式，SAW可通过换能器电极结构与该压电层的组合而产生，被传输到 SAW传输材料层中，并且被带到该样本处理表面。很明显，该样本处理表 面因此可以是该SAW传输材料层的表面。这样做的优点在于可减少该装 置所需的压电材料的数量。

该处理表面可延伸到，例如，该装置的全长及/或全宽及/或全高。在 这种情况下，该装置的长度末端及/或宽度末端及/或高度末端可另外散射 表面声波。然而，优选的是，至少一个SAW散射元件在由该装置的全长 及/或全宽及/或全高限定的处理表面的外包络线的内部形成。

在一些实施例中，至少一个SAW散射元件包括该处理表面高度的梯 级变化。所述SAW散射元件可包括在该处理表面中形成的脊状物。所述 SAW散射元件可包括在该处理表面中形成的凹槽。更一般地说，所述至少 一个SAW散射元件可包括该处理表面轮廓的线性延伸变化。

优选的是，提供多个SAW散射元件。优选的是，这些SAW散射元件 协作，以提供对在该处理表面的SAW的传输、分布及/或行为所需的影响。

优选的是，所述SAW散射元件的布置以周期性布置为基础。所述周 期性布置可以是一维布置或二维布置。二维布置是优选的。所述周期性的 性质可以是，例如，平移对称及/或旋转对称。此处使用“以…为基础”一 词是因为考虑到所述布置不需要具有精确的周期性。此外，所述布置还可 能故意地偏离真正的周期性布置，以提供对表面声波的特定影响。例如， 所述布置可逐渐偏离真正的周期性布置，在所述布置中与某一个起点有一 段距离。此外，所述布置可包括所述周期性布置中的一个或多个有缺陷的 周期性区域或线。在一些情况下，通过使用梯度可改变单晶的周期性，所 述元件的节距及/或尺寸随梯度变化。这种周期性变化可应用于波导或透镜 （使声功率聚焦）。

通常，所述周期性布置是二维图案，因为周期性在二维中延伸。适宜 的周期性图案包括平移对称的晶格图案，诸如，四角形的、方形的、三角 形的、六角形的等。其他适宜的周期性图案包括旋转对称的图案，例如， 具有小于360度的旋转对称性。

优选的是，所述SAW散射元件至少部分地在压电层内部形成。因此， 在关于SAW散射元件的以下讨论中，参照压电层来加以描述。然而，此 处需要注意的是，所述SAW散射元件可代替地在耦合到该压电层的覆盖 层中形成，在这种情况下，本领域技术人员将理解的是，可以用对覆盖层 的引用来替换对压电层的引用。

所述SAW散射元件可以是提供能够大量散射SAW的界面的元件。优 选的是，在所述界面，所述SAW“经历”弹性模量（例如，杨氏模量）的 锐变。这可通过由与压电层的材料不同的材料形成每一个散射元件来实 现，所述不同的材料的密度通常与压电层的材料不同。例如，所述散射元 件中的一个或多个可由压电层表面上的空隙形成。所述空隙可填充气体， 例如，填充空气。作为另一种选择，所述空隙可充满与所述压电层剩余部 分的材料不同的固体或液体材料。用具有明显差异（例如，具有明显的机 械、结构或功能上的差异）的固体材料来填充所述空隙是理想的，因为允 许形成具有平滑表面的压电层，因此，如果需要的话，允许小滴在散射元 件的布置上移动。所述压电层与所述散射元件之间的机械性能的明显差异 可在使用中改变，例如，通过应用诸如热量的外部刺激。

优选的是，散射元件与压电层的表面相交。这是优选的，因为它们用 于散射表面声波，这主要是表面现象。然而，散射元件可在压电层中延伸 到非零深度。例如，它们可延伸到压电层厚度的至少5%。它们可进一步 延伸到，例如，压电层厚度的至少10%、至少20%或更多。在一些情况下， 散射元件可延伸穿过压电层的整个厚度，尽管深度约为压电层厚度的一半 是有利的。散射元件可以是压电层中的凹陷。作为另一种选择，散射元件 可以是从压电层表面竖起的柱状物。

通常，散射元件是圆柱形的（例如，圆形或椭圆柱形），或它们可以 是棱形或多角形的。作为另一种选择，散射元件可以是压电层中的脊状物 或凹槽。这种形状可具有直型，但是也可具有曲线型或成角度型。如上文 所讨论的，散射元件可以采用压电层表面中的梯级的形式。

优选的是，处理表面包括至少一个散射区域和至少一个样本处理区 域。所述SAW散射元件可被布置在所述散射区域中，所述散射区域在使 用中提供与所述样本处理区域不同的表面声波的传输、分布及/或行为。

优选的是，所述SAW散射元件的布置实际上提供与该处理表面的声 场相互作用或影响该处理表面的声场的声子晶体结构。所述散射元件可对 SAW产生各种影响。除了上文所提到的集中效果以外，所述散射元件还可 反射（或部分反射）SAW，及/或可衍射（或部分衍射）SAW，及/或可折 射（或部分折射）SAW。另外或作为另一种选择，可在基板表面建立SAW 的驻波干涉图案。例如，优选的是，所述散射元件布置有效地将SAW集 中在所述处理表面的一个区域中。

所述散射元件可具有至少10μm的元件间最近的相邻间距。这适用于 在MHz区域（例如，频率约为100MHz）中的SAW。更优选的是，此间 距为至少20μm、至少40μm、至少60μm、至少80μm或至少100μm。 此间距最多可以是5mm（对应于频率相对较低的SAW），更优选最多4 mm，更优选最多3mm，更优选最多2mm，更优选最多1mm，更优选最 多0.9mm，最多0.8mm，最多0.7mm，最多0.6mm。例如，已经证明， 元件间最近的相邻间距在200-500μm范围内是适宜的。对于较高的频率， 例如，在GHz范围内，可以设想较小的间距，例如，在下降到至少1μm 的范围内。

优选的是，该流体样本的处理包括以下中的一个或多个：沿着该样本 处理区域移动该样本；分割该样本；组合两个或多于两个样本；使该样本 处理区域中的样本雾化；加热该样本；集中该样本中的物种；混合该样本； 将流体样本分类；将流体样本内的颗粒或细胞分类。

优选的是，处理所述小滴包括沿着该样本处理区域移动所述小滴。该 样本处理区域可限定小滴移动的轨道。另外或作为另一种选择，处理所述 小滴包括使所述样本处理区域中的小滴雾化。

当使用所述装置来处理两个或多于两个小滴时，所述小滴可能具有不 同的特性，例如，不同的成分、不同的温度、不同的粘度、不同的夹带物 种（例如，生物材料、颗粒、溶质等）。在这种情况下，处理所述小滴可 包括混合所述小滴。混合可通过使所述小滴沿着对应的轨道移动到混合区 域来实现，所述小滴在此会合并混合，以形成一个或多个混合的小滴。然 后，所述混合的小滴可沿着另一个轨道从所述混合区域向前移动。

操作该装置可允许将小滴分为两个或多于两个子小滴。每一个子小滴 可沿着各自的轨道或沿着同一轨道向前运送。

所述轨道在此限定小滴的预期路径。所述轨道可以是笔直的、曲线的、 弯曲的、成角度的、分叉的、分裂的或与另一个轨道结合。所述轨道可能 设有亲水表面，该亲水表面通常邻接一或多个疏水区域。就含水样本来说， 这能协助将所述小滴限制到轨道上。

此外，操作该装置还可允许将一个或多个小滴中的物种浓缩。这可例 如通过允许SAW与所述小滴相互作用以加热所述小滴来实现，从而加速 溶剂的蒸发。作为另一种选择，可通过适当布置散射元件和适当控制到换 能器的驱动信号以驱动所述物种优先朝向所述小滴的一部分来控制声场。 例如，可建立声腔，以提供驻波布置，已经表明，这提供颗粒浓缩[Shi,J.等 人,2008.Focusing microparticles in a microfluidic channel with standing  surface acoustic waves(SSAW).Lab on a Chip,8(2),221-223]。在不刻意促进 蒸发的情况下加热本身是受关注的，例如，对于DNA或RNA的PCR（聚 合酶链反应）应用来说。

操作该装置还可允许通过在小滴内感生流动来集中一个或多个小滴 中的物种，这种流动将物种集中在所述小滴内的一个位置。在本发明的上 下文中，这种集中类型可称作“离心”（即使它可能并不代表真正的离心）， 因为它在液滴的“上清液”内产生物种的类“颗粒状物”沉淀物，且可使 所述流体样本中的颗粒与流体相分离。这种集中可通过提供SAW给所述 小滴以在所述小滴中感生旋转流来实现，例如，通过不对称地提供SAW 给所述小滴（即，使得SAW的分布相对于小滴覆盖区的中心不对称）。优 选的是，该处理表面包括SAW散射元件的布置，所述SAW散射元件被布 置成将在该处理表面提供的SAW散射到用于在所述小滴中感生旋转流的 配置中。所述小滴可位于该处理表面上的与SAW散射元件相关的位置处， 使得SAW被所述散射元件部分地散射，且所述小滴接收相对于所述小滴 覆盖区的中心呈不对称分布的SAW。

该样本处理区域可包括至少一个小滴传感器。所述小滴传感器可操作 以检测小滴是否存在。一个或多个小滴传感器可按顺序布置，以检测沿轨 道是否存在小滴。以此方式，所述装置可操作以检测小滴是否沿轨道移动。 可例如使用回声定位来实施小滴感测，如Renaudin等人所著的[Renaudin,A. 等人,2009.Monitoring SAW-actuated microdroplets in view of biological  applications.Sensors and Actuators B:Chemical,138(1),374-382]中所讨论 的。作为另一种选择，可使用诸如照相机之类的成像装置来实施小滴感测。

基板可能具有一个以上样本处理区域。可提供彼此通信的一系列样本 处理区域，小滴从一个样本处理区域转移到下一个样本处理区域。作为一 个例子，第一样本处理区域可提供从第一位置到第二位置的小滴移动。第 二样本处理区域可提供混合平台，从所述第一样本处理区域接收到的小滴 在此混合（例如，与另一小滴混合或仅混合自己的成分），且可提供混合 小滴的前进移动。第三样本处理区域可提供雾化级，从所述第二样本处理 区域接收到的混合小滴在此雾化。此雾化级可用于分析所述小滴，例如， 使用质谱仪。在这种情况下，为每一个区域提供适当的散射元件布置，从 而以适当的方式影响每一个区域中的声场，以提升每一个区域所需的功 能。因此，更一般来说，所述装置可能具有一系列彼此通信的样本处理区 域，所述流体样本可从一个样本处理区域转移到下一个样本处理区域。优 选的是，提供对应的散射区域，以实现所述流体样本的转移。

压电材料层可以是压电材料的片材（例如，自支撑片材）。适宜的材 料是LiNbO₃。可使用其他铁电材料，例如，PZT、BaTiO₃、SbTiO₃或ZnO。 更进一步，可使用诸如SiO₂(石英)、AlN、LiTaO₃、Al₂O₃GaAs、SiC或聚 偏二氟乙烯(PVDF)之类的材料。

在一些应用中，特别优选的是，所述流体样本被防护以免受外界污染。 此外，在相同或在其他应用中，优选的是，所述流体样本规避于使用者， 以便保护使用者。因此，优选的是，所述装置包括用于所述流体样本的至 少一个封闭通道，所述通道的至少一个侧面以该处理表面为界。

在一些实施例中，所述通道的相对侧面可以由钝化的封装表面界定。 封装层可提供适合的表面。

在其他实施例中，所述通道的两个侧面或更多侧面可由处理表面来界 定，适于为每一个处理表面提供SAW，以与所述通道中的流体样本相互作 用。每一个处理表面可能具有至少一个SAW散射元件，用于影响在该处 理表面的SAW的传输、分布及/或行为，如上文所述。

例如，该装置可能具有：

第一压电层和相关联的换能器电极结构；

第一处理表面，在其提供来自该第一压电层的SAW；

第二压电层和相关联的换能器电极结构；以及

第二处理表面，在其提供来自该第二压电层的SAW，

其中所述第一和第二处理表面限定它们之间的供该流体样本用的通 道。

所述通道可以其横向侧为界，以包围所述流体样本的流动路径。

以此方式，该装置可以层叠结构的设备的形式来提供。此层叠结构允 许该装置经由批量加工技术制成。

为所述通道的两侧设置处理表面，这增加了对所述通道中的流体处理 的控制。所述处理表面中的一个或两者可包括上文所述的SAW散射元件。 所述处理表面可能具有实质上相同的SAW散射元件布置。这些SAW散射 元件可彼此实质上对齐地布置，或它们可能彼此偏离。作为另一种选择， 所述处理表面可能具有不同的SAW散射元件布置，诸如，周期性不同、 形状不同等的SAW散射元件。所述不同的SAW散射元件布置可能彼此偏 离，或它们可能被定位成彼此相对。所述第一和第二压电层的换能器电极 结构可由公共信号来驱动。然而，可能优选的是经由单独的信号来驱动这 些电极，以便能精确控制所述装置中的SAW分布。独立控制所述电极可 允许对所述样本应用不同的处理工艺。例如，将电极组定位成在所述装置 中沿着不同方向提供SAW，这允许对所述样本的移动进行矢量控制。

该装置可进一步包括至少一个传感器。所述传感器可定位在所述流体 处理表面。所述传感器可操作以感测例如流体样本的温度、传导性及/或存 在与否。

该装置可包括至少一个加热器。所述加热器可操作以产生SAW，进而 由于该装置的至少一部分将其吸收而发热。另外或作为另一种选择，所述 加热器可包括电阻加热元件。这可设置在该样本处理表面。将加热器并入 该装置允许该装置可靠地用于PCR。

该装置可进一步包括至少一个贮液囊。所述至少一个贮液囊可设置在 所述压电层中。另外或作为另一种选择，所述至少一个贮液囊可设置在所 述设备的囊封层（若存在的话）中。优选的是，所述贮液囊上设置有开口， 该开口提供与该处理表面的流体连通。以此方式，有用的试剂可储存在所 述贮液囊中，并在该装置操作期间提供给该处理表面（且因此，提供给该 样本）。

该装置可进一步包括至少一个孔径。例如，可在所述SAW散射元件 的上方设置孔径。这可允许该样本从该装置中逸出。这在所述SAW散射 元件协作以使该样本雾化的情况下特别实用，在这种情况下，雾化的样本 可经由该孔径从该装置中逸出。则对诸如质谱仪之类的分析设备而言，该 装置可用作样本输送装置。

优选的是，所述压电层是使用沉积工艺形成的，所述沉积工艺选自由 以下工艺组成的组：溅射、丝网印刷、铸造、刮涂、浸涂、溶液沉积和电 泳。

就溶液沉积来说，可加热前体（例如，通过微波加热）以促进结晶。 这已经在，例如，Yang等人所著(2009)的[C.Yang等人, “Solution-processed flexible ZnO transparent thin-film transistors with a  polymer gate dielectric fabricated by microwave heating,”Nanotechnology,vol. 20,no.46,p.465201,2009]中说明过了。

Pál等人所著(2009)的[E.Pál,T.Seemann,V.M.Busse,and I. Dékány,“Hybrid ZnO/polymer thin films prepared by RF magnetron  sputtering,”Colloid and Polymer Science,vol.287,no.4,pp.481-485,2009] 中公开了压电材料的RF溅射，例如，到聚合基板上。Du等人所著(2007) 的[X.Y.Du等人,“ZnO film for application in surface acoustic wave device,” Journal of Physics:Conference Series,vol.76,p.012035,2007]中公开了溅射 到其他基板上。

所述压电层可以是复合材料的形式。在这种情况下，优选的是，基体 材料中可保持压电材料的颗粒。优选的是，所述基体材料是聚合材料。方 便的是，所述基体材料可以是光敏材料，例如，光致抗蚀剂。这允许所述 复合材料被非常精确地图案化成所期望的形状。然后，在所述复合材料中 可形成复杂的图案（例如，声子结构形式的SAW散射元件的阵列）。

优选的是，所述压电层的厚度为至少1μm。更优选的是，所述压电层 的厚度为至少2μm，或至少5μm或至少10μm。所述压电层的厚度优选 不超过500μm，更优选的是，不超过400μm，更优选的是，不超过300μm， 更优选的是，不超过200μm，更优选的是，不超过100μm。

发明人认为（不希望受理论限制），表面声波往往至少部分地折射到 该流体样本中。一般来说，此折射是由于该流体样本具有与基板不同的 SAW传播速度。这在该流体样本中产生流动。人们认为，将SAW应用于 接触流体样本的处理表面可在该样本中产生特定的压力波和剪应力的结 构。这些压力波和剪应力可使该样本中所包含的细胞受到机械破坏，以实 现细胞溶解。人们认为，在本发明的优选实施例中，SAW介导的细胞溶解 的效率可达到95%以上，与已知的关于细胞溶解的化学方法和机械方法相 比，这是非常有利的。

优选的是，该流体样本是包含细胞（或至少一个细胞）的液体样本。 此外，优选的是，该流体样本是包含细胞的含水液体样本。在优选实施例 中，该流体样本由血液组成或包含血液，且因此包含血细胞。然而，如上 文所提到的，该样本可以是固体或实质上为固体。例如，所述样本可能只 包含占很小的体积比例的液体。适宜的实质上为固体的样本包括排泄物。

优选的是，该流体样本是滴状物的形式，例如，小滴（诸如，微流体 小滴）。然而，对于该流体样本来说，其他布置也是可能的，例如，流体 通道，或保持在腔室中的流体，其形式已经在上文中陈述过。在以下讨论 中，使用“小滴”一词，但是如上文所讨论的，本发明意在并不一定受限 于小滴中的细胞溶解。

所述小滴的体积可能是至少1皮升。例如，所述小滴的体积可能是至 少10皮升、至少100皮升或至少500皮升。所述小滴的体积可能更大， 例如，至少1纳升、至少10纳升、至少100纳升或至少500纳升。优选 的是，所述小滴更大，例如，至少1微升、至少2微升、至少5微升、至 少10微升、至少15微升、至少20微升、至少25微升或至少50微升。 对所述小滴的体积来说，优选的上限是约5毫升，更优选约1毫升，再优 选约0.1毫升。

优选的是，对使用本发明进行细胞溶解而言，适宜的小滴的体积范围 是0.1-100微升，或1-50微升。更优选的是，使用5-25微升的体积的适宜 小滴。

所述小滴的体积可根据小滴与处理表面的接触面积来调整。例如，可 对所述小滴的体积进行调整，以改变接触角（例如，在所述小滴被限制到 特定的流体样本区域的情况下-参见下文）。优选的是，接触角（即，处理 时，处理表面与小滴表面的切线之间的夹角，在包含基板表面的法线的平 面中测量）不小于65度，不小于75度，不小于85度，或不小于95度。 优选的是，接触角是65-115度，或更优选的是，95-115度。

该处理表面可能被设置有流体样本定位区域（pinning zone）的形式的 流体样本区域。优选的是，以点滴的形式提供流体样本定位区域，用于定 位流体样本小滴到达该处理表面。因此，所述流体样本定位区域的周长可 划定流体样本定位线。优选的是，所述流体样本定位区域是亲水区域，用 于定位含水流体样本到达该处理表面。更优选的是，所述流体样本定位区 域是点滴形式的亲水区域，用于定位含水小滴到达该处理表面。所述亲水 区域可由，例如，铌酸锂（LiNbO₃）、硅（Si晶片）、氧化锌（ZnO）、氧 化硅（SiO₂）、玻璃或塑料（聚合物或共聚物，例如，具有聚乙二醇半分子， PEG）形成。使用特定的化学工艺，诸如，硅烷化（例如，利用氨基丙基 三乙氧基硅烷）、多聚赖氨酸或PEG或工艺的组合，可进一步改进这些亲 水区域。所述亲水区域可能被疏水区域包围，疏水区域可由，例如，硅烷， 诸如，1H,1H,2H,2H-全氟代辛基三乙氧基硅烷、十八烷基三氯硅烷或类特 氟隆（Teflon）涂层（C4F8沉积物）形成。所述流体样本定位区域也可由 物理结构形成，例如，所述定位区域可在该处理表面中形成为井。所述定 位区域可由限定所述定位区域的周长的壁形成，所述壁可由柱状物，或由 散射元件（即，有助于基板表面的声子属性的元件）例如，充当散射元件 的柱状物形成。所述流体样本定位区域对细胞溶解来说不是必需的，但是 在表面声波以大功率击中它时它可防止小滴移动，且可方便所述流体样本 与处理表面之间的接触面积的调整，以便改变接触角。

优选的是，所述流体样本定位区域的宽度或直径为（或宽度或直径的 范围上限为）约1毫米，约2毫米，约3毫米，约4毫米，或约5毫米。

所述流体样本定位区域的尺寸（例如，宽度、最大允许宽度，或直径） 及/或形状可改变，以针对特定的流体样本体积改变所述流体样本定位线处 的接触角和表面张力特性，从而影响压力波从入射的SAW通过所述样本 的传播，使得所述流体样本中的细胞被溶解。

可对所述流体样本中的细胞浓度进行调整以优化细胞溶解。优选的 是，所述浓度为约5,000,000个细胞/毫升或以下，约3,000,000个细胞/毫 升或以下，约1,000,000个细胞/毫升或以下，约500,000个细胞/毫升或以 下，或约100,000个细胞/毫升或以下。

所述流体样本可由生物样本组成，或包含生物样本，诸如，血液、唾 液或尿液。例如，所述流体样本可能是全血。优选的是，所述流体样本是 稀释后的血液，例如，在PBS中稀释后的全血。所述样本的稀释用样本: 稀释剂表示，可能约为1:10或更大（稀释系数为0.1或更小），约为1:25 或更大（稀释系数为0.05或更小），1:50或更大（稀释系数为0.02或更小）， 或1:100或更大（稀释系数为0.01或更小）。

本发明人已经表明，使用各种不同的SAW平台和配置，可实现细胞 溶解的必要条件。因此，本发明提供多种途径来将生物样本的制备整合到 微芯片上的完整测定中。

不希望受理论约束，本发明人认为，例如，通过使SAW的声功率在 包含细胞的流体样本内的某个位置聚焦，所述样本内可能产生使所述细胞 溶解的声压场和流动。

优选的是，表面声波被提供给接触小滴的基板表面，使得所述流体样 本小滴中感生旋转的流动。不希望受理论约束，本发明人认为，旋转的流 动导致所述样本中产生一个或多个涡流，且在适当的条件下，涡流中心附 近的压力和剪应力足以溶解细胞。

通过以相对于所述小滴不对称的方式提供SAW给所述小滴，也就是 说，提供SAW使其不对称地击中所述小滴，可在所述小滴中感生旋转的 流动。通过使SAW相对于所述小滴具有不对称性，所述小滴中感生出角 动量，因此感生出旋转。“非对称”一词在此指SAW相对于所述小滴的分 布。提供了适宜的非对称分布的一个例子，其中SAW路径与所述处理表 面上的小滴的覆盖区不完全重叠，这将在下文中加以描述。

本文中使用SAW“束”一词是为了定义在基板表面提供的表面声波的 发射串或路径。在本文中，SAW束、SAW发射串和SAW路径这三个词可 互换使用。从理论上讲，SAW束的宽度由发射SAW束的换能器的孔径限 定。换能器的孔径是产生共振以发射SAW束的换能器的一部分。在本发 明的上下文中，换能器的孔径的横向宽度用于限定所述SAW束的横向宽 度。对于平行的电极叉指换能器来说，孔径通常是指状电极的重叠区域的 横向扩展部分（见w，图6）。在该上下文中，所述SAW束的边缘与IDT 小孔的边缘沿着SAW的传播方向横向对齐。虽然应该理解，为了实现本 发明的目的，实际上SAW束的边缘不一定是尖锐的，这将在下文中加以 说明，但是SAW束的边缘被定义为与换能器孔径的边缘横向对齐的假想 的纵向边缘。应理解的是，SAW的振幅随着与SAW束的边缘的横向距离 而减小。

对于接触处理表面以在该处理表面上形成小滴覆盖区的小滴来说，通 过在所述基板表面提供SAW，使得SAW路径仅与小滴覆盖区部分重叠（至 少就SAW路径的假想边缘相对于所述小滴的位置而言），在所述小滴中可 感生出旋转的流动。例如，小滴的覆盖区可能近似为圆形，且所述SAW 路径可能与所述覆盖区的一段重叠。SAW路径可能与所述小滴覆盖区的约 10%-90%重叠。可在所述基板表面提供SAW，使得所述SAW路径与所 述小滴覆盖区的约50%重叠，其中所述SAW路径的边缘经过所述小滴的 中心附近。

优选的是，通过换能器布置（例如，平行的电极叉指换能器）将SAW 提供在该处理表面，且所述小滴位于该处理表面上的相对于所述换能器布 置的位置，使得所述小滴接收相对于所述小滴的中心非对称分布的SAW。 例如，所述小滴可能相对于叉指换能器（IDT）布置的孔径的边缘纵向偏 离但是横向对齐，其中所述孔径的边缘限定SAW发射串的边缘，使得所 述小滴仅有一部分位于由所述IDT布置提供的SAW发射串上。

另外或作为另一种选择，通过换能器布置将SAW提供在该处理表面， 换能器布置可以控制SAW发射串相对于所述换能器布置的横向位置，例 如，通过调整输入频率。在此实施例中，所述小滴被置于该处理表面上， 且所述SAW发射串的横向位置被调整到该处理表面上的一个位置，使得 所述小滴接收相对于所述小滴的中心不对称分布的SAW。所述换能器布置 可以是倾斜的IDT（也称作倾斜的指状IDT），通过改变输入频率，可以调 整所述SAW发射串的横向位置。此实施例的优点在于不要求将小滴精确 定位在所述基板表面上，这是因为SAW发射串在该处理表面上的横向位 置可相对于所述小滴的横向位置进行调整。就倾斜的IDT来说，更难以限 定所述SAW发射串的假想边缘，这是因为在整个发射串上的SAW的振幅 可能会从所述发射串的中心最大值在横向上逐渐地相对减小。在这种情况 下，所述SAW发射串的假想边缘可被视为SAW振幅分布在横向上的半峰 全宽的横向位置。

不一定必须要SAW感生出旋转的流动，以实现细胞溶解。使用范围 较宽的SAW几何结构（也包含驻波），可感生出细胞溶解所必需的压力场。 本发明人认为，通过使声功率在所述小滴内的某一位置聚焦，可以使用 SAW来使小滴内的细胞溶解，而无需在所述小滴内产生旋转的流动或涡 流。

此外，不一定必须将SAW非对称地提供给所述小滴，以实现旋转的 流动。当多个涡流形成在SAW以更加对称的方式击中所述小滴的配置中 时，可实现细胞溶解。例如，可以设计出一种射流装置以在流体样本小滴 中实现可再生的多个涡流，例如，通过在该处理表面上包括散射元件或声 子结构（也称作声子晶格或声子晶体）的布置。

对分析生物样本来说，一次性装置是特别有用的。在定点照护诊断应 用中，一次性装置可减少样本交叉污染，且可减少可能会损害所关注的分 子（例如，RNAse，其中信使RNA是所关注的分子）的物种对样本的污 染。

为了实现本发明的目的，表面声波的输入功率可在-19dBm与0dBM 之间，约-14dBm与约-6dBm之间，约-14dBm或更高，约-12dBm或更 高，约-10dBm或更高，约-9dBm或更高，约-8dBm，约-7dBm，或约-6dBm 或更高。

对于本文中关于本发明的实施例所述的设备，使用下表可获得到达 IDT的相关功率。通过将以dBm表示的输入功率值转换成以W表示的值 并且将W值乘以5000（被放大器放大）来算出到达IDT的功率。

本发明人发现，对处于特定浓度下的特定的细胞类型来说，若使用的 功率相对较低，则细胞集中在小滴的中心而不会溶解，且若使用的功率相 对较高，则实现细胞溶解。不希望受理论约束，本发明人认为，这种功率 的增大增加了小滴中的压力和剪应力，使得小滴中的细胞被压碎并溶解。 因此，优选的是，将SAW提供给包含细胞的小滴，且逐渐增加输入功率， 从而逐渐增加SAW的功率，直到实现细胞溶解为止。这样，对于给定的 一组条件，使用在那些条件下实现细胞溶解所必需的最小功率可使细胞溶 解。例如，使用对特定的细胞类型来说实现细胞溶解所必需的最小功率可 使这种类型的细胞溶解。

所述表面声波的频率可在约10kHz到约1GHz的范围内，优选的是 约1MHz到约100MHz，更优选的是，约5MHz到约50MHz，更优选的 是，约5MHz到约20MHz，更优选的是，约15MHz到约5MHz，更优选 的是，在约13MHz到约9MHz之间。所述表面声波的频率可能是约12 MHz，约11MHz，约10MHz，或约9MHz。

为了实现本发明的目的，可在所述基板表面提供SAW约0.1秒或更 长时间。可提供所述SAW约0.1-60秒。优选的是，所述SAW被提供约1 秒或以下，约2秒或以下，或约3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、 30或35秒或以下。

本发明人发现，细胞溶解效率受多种因素的影响，包括小滴的表面张 力、小滴在基板表面上的接触角、小滴中的细胞浓度、SAW的功率和将 SAW提供给小滴的时间。每一种因素的最佳数值组合可能取决于细胞类 型。通过基于本文中所提供的教导，以组合形式或单独调整这些变量，本 领域技术人员能够提供可实现细胞溶解的条件。

本文中使用的“细胞”一词是指任一种类型的细胞，包括真核和原核 细胞。在本发明的上下文中，优选的是，细胞是真核细胞。细胞可以是动 物细胞，例如，哺乳动物细胞（例如，血细胞，诸如，红细胞）。细胞可 以是单细胞生物（例如，锥虫）的细胞，它可以是原生动物或原生生物。 在一些实施例中，所述细胞是病原体的细胞，例如，病原性原生动物、原 生生物或细菌的细胞。细胞可能具有细胞壁，或可能是无壁的（即，没有 细胞壁）。

流体样本可包含细胞或细胞类型的混合物。本发明人已经发现，足以 使细胞溶解的最小功率可能随着细胞类型而改变。例如，在特定条件下（例 如，细胞浓度、小滴接触角），特定的功率可能足以使第一种类型的细胞 溶解，但是不足以使第二种类型的细胞溶解。在这样的条件下，若该特定 功率的SAW被应用于包含第一种和第二种类型的细胞的混合物的小滴， 则第一种类型的细胞将实现细胞溶解，而第二种类型的细胞不会实现细胞 溶解。因此，SAW可被应用于包含细胞类型的混合物的流体样本，以使不 同类型的细胞有差别地溶解。不同的细胞“类型”可能意味着不同的分类 群，例如，不同的域（真核细胞类型不同于原核细胞类型）、领域（例如， 动物细胞类型不同于真菌细胞类型）、不同的物理类型或生理类型（例如， 白细胞是与红细胞不同的细胞类型）。特别是，不同的细胞类型是可有差 别地溶解的细胞（例如，第一种细胞类型比第二种细胞类型更易溶解，也 就是说，在给定的一组实验条件下，使第一种细胞类型实现细胞溶解所必 需的最低功率低于使第二种细胞类型实现细胞溶解所必需的最低功率）。

本文中使用“细胞溶解”一词是指任一种类型的细胞破裂。特别是， 使用细胞溶解来指导致细胞内分子释放到细胞外环境的细胞破裂，例如， 通过质膜的裂开。细胞溶解包含所述质膜的裂开，且可包含诸如核被膜及 线粒体外膜和内膜之类的细胞内隔室（例如，细胞器）膜的裂开。细胞溶 解通常是完全且不可逆的质膜裂开，导致细胞死亡。然而，在本发明的上 下文中，细胞溶解可包含细胞膜穿孔，其中质膜不完全裂开（即，质膜暂 时且可逆地裂开）。这种穿孔可以类似于Borthwick等人所著的[Kathryn A. J.Borthwick,Tracey E.Love,Martin B.McDonnell and W.Terence Coakley, Improvement of Immunodetection of Bacterial Spore Antigen by Ultrasonic  Cavitation,Anal.Chem.2005,77,7242-7245]中所述的方式改进某些测定， 诸如，ELISA。

“细胞内分子”或“所关注的细胞内分子”这两个词包括含有代谢物 和信号传导分子的高分子（蛋白质、DNA、脂质、多糖）和小分子（例如， ATP、ADP.cAMP、谷胱甘肽、氨基酸、糖、单糖）。“细胞内分子”一词 包含具有所关注的细胞内部分（例如，跨膜蛋白质）的任何分子。若例如 分子结构变得与其天然结构或细胞内结构明显不同，则所关注的分子受 损，使得所述分子不易被分析（例如，进行免疫分析所需的抗原表位不再 存在或已经无法免疫）。本文中使用的“受损”一词包含变性（例如，所 关注的蛋白质变性）和降解（例如，所关注的多核苷酸、多糖或多肽的水 解）。

下文将陈述本发明的其他可选特征。

附图简述

图1示出了适用于本发明的典型的处理表面形式的示意性平面图，其 示出了“漏斗”型样本处理区域。

图2示出了适用于本发明的另一个典型的处理表面形式的示意性平面 图，其示出了“波导管”型样本处理区域。

图3示出了适用于本发明的另一个典型的处理表面形式的示意性平面 图，其示出了“组合”型样本处理区域。

图4和5示出了从侧面看去的来自在耦合到压电换能器的覆盖层上的 小滴上抓拍到的视频序列的显微图像。图4示出了位于没有SAW散射元 件的平坦硅表面上的小滴。图5示出了在具有SAW散射元件布置的覆盖 层上的小滴。

图6示出了本发明的实施例使用的换能器电极结构的平面图。该电极 重叠部分w为15mm，每个电极的指状物宽度为170μm且指状物节距p 为330μm。

图7示出了适用于本发明的实施例的处理表面的示意性平面图，其包 括典型的（但非限制性）尺寸。

图8-11示出了来自流体处理装置的操作的显微视频片段的一连串连 续帧。这些图像清楚地示出了声能被聚焦并被反射。

图12示出了用于自由板的色散曲线，其相速度是激发频率的函数。

图13示出了射流装置的示意图。所示出的呈声子锥体形式的可分离 的声子覆盖层耦合到包含IDT的铌酸锂基板。电源是5W（8至20MHz）。

图14示出了（a）在耦合到压电换能器布置的声子基板上执行雾化期 间射出的小滴的尺寸，以及（b）直接在压电换能器布置的表面上执行雾 化期间射出的小滴的尺寸。

图15（a）、（b）和（c）示出了小滴在声子锥体的腔室之间移动的连 续显微图像。

图16示出了本发明的实施例使用的声子晶格的能带结构。禁带所在 的频率范围为7.5MHz至约15MHz。

图17示出了（a）包括倾斜的IDT的设备的示意图，其中SAW发射 串的横向位置取决于输入频率；以及（b）曲线图示出了输入频率和SAW 位置之间的关系：从理论上（直线）算出的，通过在铌酸锂换能器（水平 阴影区域）和可分离的基板盖玻片（垂直阴影区域）上做实验确定的。图 23（b）中的插图示出了参数S₁₁的幅值。

图18-25示出了根据本发明的射流装置的优选实施例。

图26-28示出了使用本发明的优选实施例（以不同的形式）来制备用 于质谱分析的雾化样本。

图29-37示出了根据本发明的射流装置的另外的优选实施例。

图38和39示出了不同的操作频率对在样本处理表面上的SAW分布 的影响。

图40示出了样本温度与施加功率的图。

图41示出了通过控制所施加的功率对温度周期的影响。

图42-50示出了用于样本处理表面的不同形式，以便通过控制SAW的 吸收来控制温度。

图51示出了在玻璃基板上形成的SU-8层的示意性平面图，该SU-8 层中有开口，以便允许换能器（未示出）耦合到玻璃基板，声子反射器在 SU-8层中形成为SU-8层中的孔的方形晶格阵列。

图52示出了沿着图51中的线1-2发生的表面位移（由振动计测量） 的图。

图53示出了包含颗粒的小滴遇到驻波SAW，导致颗粒聚集在同心环 中的显微图像。

图54-56示出了小滴中的颗粒由于施加SAW（从图像的右侧）和声子 结构的阴影效应（玻璃基板上的SU-8柱状物的方形阵列）而离心分离的 连续显微图像。

优选实施例、其他可选特征的详细描述

进一步的背景和通用的技术考虑

众所周知，微流体技术能够精确地控制试剂、药物和代谢物输送到单 个细胞或成组细胞。这种方法可用于新药品的发现或在诊断技术中试剂和 样本的输送。

尽管微流体或所谓的“芯片实验室”技术在过去的十年中有如此飞速 的发展，然而，很少有在微型通道内产生流体流的新方法被开发。用于产 生这种流的大多数现有的方法依赖于产生压力差以驱使流体流动（特别是 通过使用各种形式的机械泵）。这些方法都依赖于从芯片到泵的外部互连， 连接的方法经常最富挑战性。

目前使用的其它可供选择的方法涉及到使用一种称为电动泵送的现 象（包括电渗或介电泳）以在电控制下驱动流体。然而，在所有的情况下， 这些技术都要求在微通道内启用金属平面换能器。尽管到芯片的这些电气 连接会导致流体流动，但整个芯片（包括换能器）都在每次测定结束后被 丢弃。因此，不论是压力驱动的机械泵送，还是电动泵送，都不能使使用 者以低成本的“非接触”方式分析和移动流体。

本发明人已开发出了用于在微流体状况下处理小滴的新技术。这些技 术是基于在压电设备（诸如，基于铌酸锂LiNbO₃的设备）上产生的表面 声波（SAW）的使用。

瑞利波是耦合的压缩-剪切系统，其纵向和横向运动的相位相差90°。 本发明人已经证明了通过耦合介质（可以是，例如，水或油）可以将这种 纵向的瑞利波（SAW的一个例子）从压电设备传播到由塑料、玻璃或其它 合适的材料形成的薄的一次性微流体芯片基板中。令人惊奇的是，该瑞利 波携带足够的能量，以随后驱动一次性基板上的流体。尽管LiNbO₃压电 设备本身是相对昂贵的，但在这种形式中，它是个可重复使用的平台，并 且只有基板在使用（通常是一次）后被丢弃。用于致动小滴的唯一物理接 触是通过LiNbO₃和一次性芯片之间的介质实现的。本发明人还发现，可 以使用该压电设备自身的表面作为样本处理表面，并在样本处理表面处布 置合适的SAW散射元件。这种方法的优点在于在装置的制造过程中，确 保了换能器与样本处理表面之间的耦合且换能器与样本处理表面之间的 准直性是固定的。

当瑞利波从压电设备传播到耦合到压电设备的表面的基板（例如，薄 芯片）时，该基板中所产生的声波可以被描述为兰姆波。瑞利波和兰姆波 都是表面声波的类型。除非另有说明，否则本文中所用的“表面声波 （SAW）”一词用于描述瑞利波和兰姆波。

可以轻易地将平台的功能扩展到对流体或小滴进行简单泵送以外的 功能。例如，通过在压电设备上微加工出多个SAW换能器，以及随后通 过对这些换能器的差分驱动，可以在各个不同的方向（线性、正交或以任 何夹角）上处理小滴。如果需要的话，通过组合由正交激励器产生的波的 不同的相对分量，可以分割和重组小滴。

通过适当地控制SAW相对于样本的分布，可以在芯片上溶解细胞或 使样本雾化，使得它们可以运输到芯片外。一个特别的应用是产生雾化样 本的羽流，其可以在离子漏斗中被捕获以提供低容量（例如，单个细胞） 生物学和质谱法之间的创新界面。该设备的应用的其它实例涉及相对于颗 粒的大小或质量进行选择性浓缩（即，它们的分馏）。这可以在分离囊泡、 细胞和微生物时起到巩固诊断应用的作用。

声子结构

图1以平面图示出了样本处理表面的示意性实例。通常，该表面的长 度为20mm且宽度为14mm。图1的实例是一种漏斗设计，其中样本处理 区域10由边界区域12界定。边界区域包括在表面中形成的孔的声子带隙 结构。所述孔被排列成二维方形晶格图案。在此实例中，每个孔的半径都 是176μm。在此实例中，相邻孔的中心之间的间距为374μm。

图2类似于图1，不同的是图2的设计是波导管设计。

图3类似于图1，不同的是图3的设计是组合设计。

在本发明的优选实施例中，图1-3中示出的样本处理表面是压电层的 表面。在该层制成后，可以通过使用合适的光致抗蚀剂和使用光刻将图案 转印至抗蚀剂中来涂覆该表面而形成SAW散射元件。该图案可由分别在 图1-3中所示的布置成提供漏斗、与漏斗分离的波导管或与漏斗组合在一 起的波导管的圆孔的方形阵列构成。

光致抗蚀剂图案可以用作干法蚀刻掩模，其中孔被蚀刻到约230μm 的深度，或者更一般地，相当于压电层厚度的大约一半的深度。然后，可 以对该压电层进行清洗（例如，用丙酮）。接着，可以使用氧等离子处理 再次对该压电层进行清洗，然后将其浸入到庚烷和三-氯三-十-氟代辛基硅 烷溶液中，以得到疏水表面，接触角>65°。

换能器电极结构被布置在压电层上，例如，与SAW散射元件（但是 其它的配置也是可能的–参见下文）在压电层的同一侧上。电极结构和压 电层的组合被称为叉指换能器（IDT）。在本发明基于的一些测试实验中， 合适的IDT在6.18MHz的频率下产生谐振，并使用该频率下的SAW进行 测试。使用可编程的信号发生器来提供6.18MHz的、在50Hz下脉动的振 幅为–10dBm(1μW)的输入到增益为40dB的放大器以呈现约10dBm （1W）给IDT。

为了测试移动性和雾化，小滴的大小约为2μL。

在测试期间，图1-3中所示的每一个结构都会影响样本处理表面上的 水滴的移动。似乎最有效地起作用的结构是漏斗（图1），且这主要被认为 是由于该结构的相对尺寸，尽管本发明人并不希望在这点上被理论束缚。 不论小滴在样本处理区域中的最初起点在何处，漏斗都会有效地将滴状物 移动并聚焦到该漏斗的焦点上。虽然测试结构可以多次使用，但它们的功 效会随着使用次数而降低，因为可能难以充分地清洗掉暴露的样本处理表 面上的干的小滴污垢。这表明，在可能的情况下该装置应当仅使用一次随 即丢弃。因此，非常优选的是该装置可以以足够高效的方式制造，以允许 以这种方式丢弃该装置。

波导管结构（图2）提供了对水滴的引导并减少或消除在没有边界区 域的情况下会观察到的在样本处理表面上的小滴轨迹的蜿蜒。通常会观察 到未分离的小滴，尽管可以观察到该小滴移动到任一波导管歧管中。

组合结构（图3）提供了将小滴聚焦到波导管结构中，并且还可以观 察到小滴沿着该结构运送。

水滴的雾化在图1-3中所示的所有结构上都可以实现。这将在下文中 更详细地讨论。

图4和5示出了从侧面看去的来自在可移除地耦合到压电设备上的覆 盖层上的小滴上抓拍到的视频序列的显微图像。图4示出了在没有边界区 域的平坦硅表面上的小滴。图5示出了在具有边界区域的基板上的小滴， 该边界区域具有与上文所述类似的声子带隙结构。每种情况下的图像在表 面声波遇到小滴约250微秒之后被拍摄。可以看出，图5中转移到小滴的 能量比图4中转移到小滴的能量多。每个小滴的体积都是1μL。在这些实 验中所用的功率是0dBm输入，其在IDT处提供的功率是5W。激发频率 是9.56MHz。基板的尺寸为2cm×1.5cm。压电设备与覆盖层之间的耦合 流体的量减少至4μL-这提供了大约13μm厚的层。覆盖层被放置在同一 位置处并且具有相同的厚度（450μm）。

下文陈述其他的细节。

换能器电极结构可以在压电层上形成，每个换能器电极结构都具有20 对电极“指状物”，以形成叉指换能器（IDT）。参见图6，电极“指状物” 被定位成具有约330μm的节距p、180μm的指宽f、15mm的孔径w（重 叠）。指状物的重叠方向可以被认为是IDT的横向方向。可以使用剥离工 艺来使所述电极图案化，在光刻之后，使用醋酸掩模，20nm的钛粘附层 在100nm的金之前被沉积到晶片上，然后在装有丙酮的烧杯中进行剥离 以产生用于该装置的IDT电极。

与微型电路ZHL-5W-1、5-500MHz的放大器相结合，Agilent MXG模 拟信号发生器N5181A250KHz 1GHz可以用来向SAW设备供电。该放大 器可由能够提供3A和±24V直流电的TTi EX354D双电源280W供电。大 约1W的功率可被施加给IDT。用于SAW设备的驱动信号可以每100ms 加脉冲20ms以避免过热（除非需要过热，例如，执行PCR–参见下文）。 当表面声波经过小滴时，可以使用高速照相机（Red Lake M3）以每秒62 帧的速度将小滴拍摄成像，允许捕获到待可视化的来自单个脉冲的雾化。

图7示出了本发明的实施例使用的处理表面的配置的示意性平面图。 锥形图案化表面的尺寸约为15mm×30mm。该锥形的孔径为10mm，且 顶点约为0.57mm（对应于缺失的两个孔）。

为了说明雾化，可以使用两滴1μL的去离子水滴，一个在锥形的顶点， 另一个在距离顶点约10mm的位置处。

边界区域中的声子结构由蚀刻到表面中的深度约为压电层的一半的 方形孔阵列组成。材料的杨氏模量的这种规则扰动为该材料提供了与频率 相关的声波传输或反射特性。

WO2011/023949的图8和9中示出了声子锥体结构的声场强度的曲面 图，图中示出了在频率为11.36MHz和频率为11.56MHz时的强度。这些 图一起示出了根据所使用的频率来限制声场的声子结构的有效性：从11.36 MHz到11.56MHz的200KHz的变化可使强度改变3dB。

本发明人的目的在于找到IDT的谐振频率以获得使来自处理表面的滴 状物雾化的最有效的频率。在这种情况下，发现IDT和来自处理表面的小 滴雾化的谐振频率是12.85MHz。然而，这个操作频率可能无法使边界区 域中的声子结构适当地操作。可以观察到，通过使IDT的激发频率下降到 12.64MHz，在具有声子结构的表面上观察到雾化急剧增加。基板活性的 增加不止是足以补偿IDT声导（可以转化成机械功率的电功率的量）的任 何减少。

SAW的波长取决于IDT的节距。然而，所观察到的声子结构的声学 响应的变化将表明SAW的波长发生了变化，因此叉指电极的节距也发生 了变化。这种变化可以是使用醋酸掩模做原型的结果。这种掩模的电极厚 度可能会发生变化，该变化通常可能被认为是不重要的，但似乎它们可能 确实是重要的。因此，实际上本发明人使用节距在一定范围内的IDT从而 允许许多可能的波长被辐射出去。

在可选实施例中，该换能器使用倾斜的叉指电极结构。其随后被用作 SAW的可调源。通过倾斜电极使得电极间的距离随着电极结构上的横向位 置而变化。这种布置可以由具有不同的电极间的间距的IDT阵列来建模。 SAW的位置取决于所使用的激发频率。

可以设计出一种在某个操作波长（频率）下使用的设备，但由于在制 造期间的制造公差通常总是与设计参数有一些偏差。如WO2011/023949 中所表明的，声子结构是高度频率/波长相关的。因此，通过改变激发频率 使其略微偏离预测的操作频率，就可以调谐到有用的操作状态，其中SAW 波长的偏移足以允许该设备实质上如所设计的那样发挥作用。

对具有压电换能器和可分离的覆盖层的装置的讨论

在本发明的实施例中优选的是，样本处理表面是，例如，压电层的表 面，SAW在该压电层的表面上产生并传播出去。然而，本发明人已经完成 了与使用可移除地耦合到单晶压电换能器的覆盖层相关的详细的初步工 作。该工作与本发明的优选实施例相关，因为它示出了设计和操作该装置 所必需的技术考虑。

图8-11示出了来自在流体处理装置的显微镜操作下抓拍到的视频片 段的一连串连续帧。这些图像清楚地示出声能被聚焦并被反射出去。

在图8-11中，两滴1μL的小滴已被放置在处理表面上。第一小滴正 好在其后方约10mm处的第二小滴所在的路径中。实际上，在声能能够到 达另一第一小滴之前，第二小滴应当会“吸取”一些声能。尽管如此，仅 在声子锥体的顶点观察到第一小滴发生雾化。在这种情况下，基板的长度 为30mm。在这种情况下使用的功率比在上文报告的实验中使用的功率低 五分之一。

已经观察到，在所施加的功率为790mW时，0.5μL滴状物发生雾化。

图8示出了取自以每秒62帧抓拍到的影片的第一系列帧。第一图像 刚好在超声波SAW脉冲以约4000m/s的速度到达小滴之前。大约1W的 功率被施加给IDT。

图9示出了由SAW辐射出去的小滴，第二液滴被明显搅拌但并没有 发生雾化，而在锥体顶点附近的第一滴状物被雾化（atomising）（或更准确 地说是喷雾化（nebulising））。

图10示出了其中20ms的脉冲已经停止，但是可以观察到滴状物中有 一些自由振荡的一帧。有趣的是，注意到正在雾化的滴状物在第二滴状物 的阴影中，并且可能通常其所经受的声学辐射要少得多，因为第二滴状物 将要吸收大量的瑞利波能量。

在图11中，振荡已经停止并且仅可以看到羽流从第一滴状物中排出。 此图示出了该设备的功效。

现将更详细地描述图8-11中所示设备的设计、构造和研究。需要注意 的是，图8-11中所使用的设备是一种经由耦合介质耦合到压电换能器的可 移除的覆盖层。

表面声波通过叉指换能器（IDT）在LiNbO₃压电晶片上产生并以单一 速度的非分散方式作为瑞利波进行传播。根据等式（1），谐振频率f₀与材 料中的瑞利波速度C_R（3996m/s）、SAW波长λ和叉指电极的节距D直接 相关：

$\lambda =\frac{c_R}{f_0}=2D---\left(1\right)$

瑞利波经由中间的水薄膜耦合进薄片或板（基板薄片或板可以被称为 芯片）的形式的基板中。作为自由板，基板支持许多传播模式，称为兰姆 波（以第一个进行分析的兰姆命名）。有两类不同的兰姆波传播模式，对 称模式和反对称模式，这两种模式可以使用瑞利-兰姆频率等式（2）和（3） 来解析。

其中

d是板厚度，且C_L（8433m/s）和C_T（4563m/s）分别是纵向速度和 横向速度。

这些有许多实解的超越方程揭示了兰姆波是分散的，因为相速度C_phase是频率厚度乘积fxd的函数。因此，对于固定的频率，在基板薄片中传播 的波长和模式可以通过其厚度来控制。

图12示出了自由板的色散曲线，其中相速度是激发频率的函数。在 12.6MHz，可以激发两个不对称模式和三个对称模式。最低阶模式的相速 度A₀和S₀最接近于瑞利波在基板薄片中传播的相速度（C_phase,3996m/s）， 这是本发明人所研究的，因此这些模式比高阶模式优先激发。本发明人使 用这些数据连同先前针对声子板结构公布的标准[Djafari-Rouhani B等人 (2008)Absolute band gaps and waveguiding in free standing and supported  phononic crystal slabs.Photonics and Nanostructures-Fundamentals and  Applications 6:32-37]来设计处理流体的声子结构。

然后将这些声子结构建模成简单的2-D衍射问题，其中使用时谐 Helmholtz（亥姆霍兹）波等式（4）描述声波，其中在特定的（fd）乘积 根据兰姆波数k计算出的一系列波长上，将压力波P发射到结构（密度ρ） 中。

$-▿.(\frac{1}{\rho }▿P)-\frac{k^{2}P}{\rho }=0---\left(4\right)$

本发明人开发了简单的声子结构，其中晶格包括孔阵列，并且在所有 的情况下都用Neumann（诺伊曼）边界条件来处理。本发明人利用这些设 计标准生产出了一系列的方形晶格2D声子晶体，其在基板薄片内放大或 使声场成形。声子晶体用于产生在不同的波长下激发的声腔，导致能量散 射或反射。这可以将能量聚焦在芯片的特定区域中。因此，兰姆波和声子 晶格之间的相互作用产生了声场强度的空间变化，这与芯片内不同的传播 状态相关联。

重要的是，在声波从铌酸锂晶片耦合进入基板薄片的过程中发生的能 量损耗通过可以将功率聚焦在芯片的特定区域中的声子结构减轻。

在芯片中传播的兰姆波以类似于压电材料中的瑞利波的方式与置于 其表面上的液滴相互作用。在瑞利波的情况下，与液体的相互作用减弱了 表面-传播波，表面-传播波在沿表面传播时衰减。于是被称为泄漏瑞利波， 并将压缩波辐射到不能支持剪切波的液体中。类似地，放置在基板上的液 滴使兰姆波表现为易消散的，声能以称作瑞利角θ_R的角度被折射到液体 中，瑞利角θ_R由与固体和液体中的波速有关的Snell（斯涅耳）定律（等 式5）来确定：

${\sin \theta }_R=\frac{c_{\mathrm{liquid}}}{c_{\mathrm{solid}}}---\left(5\right)$

根据所施加的功率，可在小滴中诱生出不同的流体状态，该状态从 （声）流动（其中体积流动通过再循环在滴状物中产生）到导致小滴移动 的接触线的扰动，以及通过破坏滴状物的自由表面使其分裂为较小的小滴 的雾化和喷射。在声子覆盖层上不同状态的声能的空间控制的实例将在下 文中更详细地描述。

SAW设备在128°Y切割X方向传播的3英寸LiNbO₃晶片上制成， 每个设备由20对电极组成以形成节距为160μm、宽度为80μm和孔径为 10mm的叉指换能器（IDT）。使用剥离工艺来图案化SAW IDT，其中将 图案转印到S1818抗蚀剂中之后，使20nm的钛粘附层蒸发掉，然后沉积 100nm的金。然后在丙酮中进行剥离，从而形成图案。

Agilent Technologies MXG模拟信号发生器N5181A结合微型电路 ZHL-5W-1、5-500MHz的放大器和3A、±24V的直流电源一起使用来给 SAW设备供电。对于雾化实验，将SAW设备的驱动信号每100ms加脉冲 20ms以避免加热。使用安装在Leica（徕卡）直立式显微镜上的Red Lake  M3高速照相机以62fps对小滴成像，这允许当表面声波传播通过小滴时， 捕捉到待可视化的小滴雾化。使用Agilent Technologies E5071C ENA系列 网络分析器表征IDT。

覆盖层是使用厚度约470微米的硅晶片制成的。4英寸的Si晶片被涂 覆有AZ4562光致抗蚀剂并使用标准光刻来图案化。图案包含圆孔（半径 82微米）的方形阵列（节距为203微米）并被转移到光致抗蚀剂层中。光 致抗蚀剂图案然后使用其中蚀刻孔的干法蚀刻（STSICP）被转移到硅中。 在丙酮中清洗晶片并将它们分开以提供覆盖层。图案化的覆盖层的尺寸约 为20mm×30mm。就射声器来说，锥体的孔径被制成10mm以与IDT孔 径一致，且锥体的顶点约为1.22mm宽。（就将在下文中进一步描述的离 心滤波器来说，使用了相同的圆孔的方形阵列并用10微米聚苯乙烯珠 （Duke Scientific G1000）观察流体的致动）。将5微升体积的去离子水放 置在基板和换能器表面之间以提供约50微米厚的耦合层从而促进SAW耦 合。

图13中示出该设备的示意图，描绘了从5Wrf电源20（在8-20MHz 范围内可操作）施用正弦波于孔径为10mm的叉指换能器（IDT）22以产 生瑞利波（SAW）24。LiNbO₃晶片表面上的SAW在耦合到LiNbO₃晶片 表面的覆盖层26中感生出兰姆波，其中强度聚焦在1μL的滴状物28上。 IDT电极的节距为160微米，电极宽度为80微米和孔径约为10mm。声子 晶体包含半径为82微米、节距为203微米的孔，用来提供0.8的填充系数， 所述孔被蚀刻到[100]硅中（其中结构与硅晶片的[011]方向对齐，兰姆波的 传播方向平行于[011]方向）。

将声子覆盖层设计成声子锥体的形式（作为一系列梯级（或腔室）） 使声能聚焦，其中每个特征在于在特定的频率处产生谐振，并且起到Fabry  Perot cavity（法布里珀罗腔）的作用[Qiu C,Liu Z,Mei J,Shi J(2005) Mode-selecting acoustic filter by using resonant tunneling of two-dimensional  double phononic crystals.Appl.Phys.Lett.87:104101-104103;Wu TT,Hsu  CH,Sun JH(2006)Design of a highly magnified directional acoustic source  based on the resonant cavity of two-dimensional phononic crystals.Appl.Phys. Lett.89:171912-171913]。

确定了声子锥体的六个梯级或腔室。本发明人回顾了在雾化之前或过 程中以62fps捕获的影片中的静止的显微图像（这里未示出），该设备在12.6 MHz用1.25W的施用功率激发。在雾化之前，第四腔室中的小滴是静态 的，并且它所在的位置只能从光反射中看到。接着，第四腔室中的小滴被 雾化，同时在不同的腔室中的小滴被搅拌，从而变得可见，但并没有被雾 化。这里所提到的图像被示出为WO2011/023949中的图17b、c和d。

使用白光干涉量度法观察到了声子结构内的覆盖层表面上的声波，并 且在LiNbO₃晶片和声子结构内的覆盖层上测量波长。为了激发声子覆盖 层内的特定腔室模式（即，上文提到的腔室1至6），本发明人选择IDT的 激发频率来驱动SAW。例如，第四腔室容易容纳滴状物的接触面积并在 12.6MHz下激发。

当分别在12.6MHz和13.2MHz被激发时，对声子锥体结构进行了模 拟。由于有作为一系列Fabry Perot（法布里珀罗）标准器的侧壁而产生了 驻波。依频率而定，腔室中的驻波至多为大于未经改进的覆盖层（没有声 子晶格的覆盖层）上的声场的量级。每个腔室都可以在不同的频率下被激 发，其中在每个腔室之间（即，腔室1和2之间；腔室2和3之间等等） 都有约300KHz的间距。例如，第二腔室在13.2MHz下显示出约为10的 最高增强系数，而第四腔室在12.60MHz的激发下显示出约为6的增强系 数。使用COMSOL Multiphysics v3.5a（多物理场耦合分析软件v3.5a），声 子锥体被建模为简单的2-D衍射问题。

模拟表明该设备的不同腔室可以在不同的频率下被激发。该设备已被 设计成使得声子结构用作有效的反射器并且极少的能量被耗散到晶格中。 所述模拟还表明声强度的空间变化以及驻波的产生垂直于兰姆波的传播 方向。0.6MHz的频率变化可以使声场强度产生显著变化，通过实验证实 了这一事实。

对雾化现象已经有了进一步的研究。当施加相对较高的功率时，声能 会克服将滴状物固定在表面上的表面张力，使得其在液体薄膜中铺展并使 液体中产生毛细管谐波，所述毛细管谐波由滴状物的内部粘性阻尼和惯性 力来确定。这些毛细波的波长近似于体积低于皮升范围的雾化滴状物的直 径。已经监测到了1微升的小滴在声子覆盖层上进行雾化。将小滴放置在 锥体声子覆盖层的腔室中，并使用以12.6MHz的频率和4W的功率激发 的SAW进行雾化。图14示出了雾化过程中喷出的小滴的大小。水滴（1-2 微升）的雾化以约12MHz（+/-1.2MHz）的激发频率在锥体声子覆盖层上 进行，该锥体声子覆盖层耦合到压电换能器布置（图14a）或直接位于压 电换能器布置的表面上（图14b）。喷出的小滴的大小用相位多普勒粒子分 析器来测量。来自每次实验运行的数据集（每种条件下运行多次）用Weibull 分布拟合并使用Matlab（R2010a,The Mathworks,Inc.）来提取模式。叠加 在直方图上的拟合分布的实例针对每种条件的一次运行显示。所呈现的值 是具有标准偏差的每种条件下所获得的模式的平均值。有趣的是，该数据 还表明在声子覆盖层上雾化的小滴小于在IDT上雾化的小滴。然而，当雾 化直接从压电层表面进行时，小滴的大小分布就变得更加锐利。观察到了 与雾化不相关联的两种其它模式，小滴的大小以50μm和150μm左右为 中心，这是由喷射现象所致。从声子锥体覆盖层表面雾化的小滴的直径被 测量出为5.2微米（+/-0.9微米），这与非结构化覆盖层上发生的雾化相比 没有显著不同。

然而，与使用非结构化覆盖层的主要区别在于在声子覆盖层上的雾化 程度有大的变化，这取决于将小滴放置在锥体内的何处。声场的这种精确 的空间控制也已经在实验中看到。在锥体的喇叭状物内的腔室中，第四腔 室内的小滴在12.6MHz下的激发导致了雾化，而10mm以外没有激发。 如将在下文中进一步所述，声能的空间控制还能够使滴状物在声子覆盖层 上被重复放置，因为当滴状物在激发腔室周围沉积时，其可以使自己与激 发腔室对齐。

还观察到小滴的移动和分离，如下所述。

当施加或耦合到覆盖层中的声辐射大于或等于等式（6）给出的滑动 力F_s时，可以实现小滴的移动。

$F_s={2\mathrm{R\gamma }}_{\mathrm{LG}}\sin \left(\frac{{\theta }_a+{\theta }_r}{2}\right)({\cos \theta }_r-{\cos \theta }_a)---\left(6\right)$

在等式（6）中，R是滴状物半径，γ是表面张力，且θ_a和θ_r是没有施加 声波时，滴状物的前进接触角和后退接触角。

通过将小滴放置在两个腔室之间，其中一个腔室是谐振的，声能密度 的空间变化导致小滴上产生声力，该声力使得小滴朝向具有较高能量的腔 室移动时发生分离和/或移动。通过调整腔室中相对于彼此的场的强度和频 率，小滴将对称或者不对称地分割。小滴移动或分割的过程由折射波（一 个方向）和在相反方向上的反射波（从声子锥体反射回的）驱动。滴状物 的可移动性可以通过减小接触角度滞后、通过使表面具有疏水性来提高。 例如，观察到5微升的水滴在用疏水性硅烷处理过的声子锥体的3个腔室 之间来回移动。图15示出了当输出频率以0.1MHz的增量从12.23MHz （a）变化到12.43MHz（c）时，5微升水滴在不同的时间（a.0秒；b.0.2 秒；c.0.6秒）在声子锥体的三个腔室之间的移动。

SAW直接在压电晶片或耦合到压电晶片的非结构化覆盖层上传播导 致了小滴在与SAW相同的方向上移动，而在声子覆盖层上，通过将频率 从12.23MHz增加到12.43MHz（-3dBm），小滴在与SAW相反的方向上 移动。通过将频率从12.43MHz减小到12.23MHz，小滴又被带回到相同 的位置。

样本处理-“离心”

通过使用耦合到换能器布置的不同覆盖层，上述用于小滴雾化、分离 或移动的相同的换能器布置可以用来创建芯片上的“离心机”（如上所讨 论，更正确地说是“分离器”、但本领域的其他人员使用术语“离心机”）， 如下所述。当考虑到在使用可分离的声子覆盖层和使用SAW生成材料层 的表面作为样本处理表面之间识别出的差异时，进一步认为芯片上的“离 心机”可以在本发明的装置的样本处理表面上创建。在下面的讨论中，本 公开主要集中在使用可分离的覆盖层上，但本公开相应地适用于本发明的 优选实施例。

在WO2011/023949的图20a中示意性示出用于流体小滴内的颗粒的离 心的设备。除了声子晶格形成为方形而不是锥体外，换能器布置和覆盖层 都按上文所述来制造。

对压力波以12.6MHz在覆盖层中传播且其对称性被声子晶格破坏的 情形的模拟（Comsol multiphysics 3.5a）进行了研究。这些结果显示，该声 子结构使在覆盖层中所感生出的兰姆波的速度产生差异，破坏了声波的对 称性并在样本内感生出角动量。所产生的流动图案将颗粒集中在液体内， 这归因于流体移动，与Batchelor所描述的那些具有类似性[Batchelor GK (1951)Note on a class of solutions of the Navier-Stokes equations representing  steady rotationally-symmetric flow.Q.J.Mech.Appl.Math.4:29-41; Raghaven RV,Friend JR,Yeo LY(2010)Particle concentration via acoustically  driven microcentrifugation:microPIV flow visualization and numerical modelling studies.Microfluid.Nanofluid.8:73-84]。

图16示出了方形声子阵列的带隙。使用二维平面波扩展的方法研究 了波的传播[Hsu J and WuT,(2006)Efficient formulation for band-structure  calculations of two-dimensional phononic-crystal plates.Phys Rev.B,74, 144303]。本领域技术人员将理解的是，这种类型的简化的波矢图是描述对 称结构中的带隙的便利方式。因此，在本实例中，在声子晶体具有特定对 称性的情况下，并不一定要考虑该晶体中波的所有可能的传播方向。但是 通过考虑该结构的对称性，只需考虑减少数量的方向上的传播；对于方形 晶格（如本实例中）来说，我们只需取相对于该晶体的倒易晶格矢量之一 的0到π/4（0到45度）弧度的方向。倒易晶格是晶体的傅立叶图（或 其衍射图案），其中，波的波矢量是相对于倒易晶格的传播方向。对于各 向同性的材料来说，只需考虑一个传播方向或一个波矢量。禁止区域对应 于从7.67MHz到14.48MHz的绝对带隙。这些数据为模拟提供补充，并 示出了在12.6MHz下传播时由声子结构过滤的波。

为了更好地理解这种类型的声子结构所产生的流动模式，本发明人对 这些流内部的小珠的行为进行了探究。结果示于WO2011/023949的图20c 和20d中以及该文献的相关文本描述了这些附图。

作为生物应用的相关实例，论证了来自稀释后的血液样本的血细胞的 集中，如WO2011/023949的图22所示及WO2011/023949中的相关描述所 述。

本发明人已经证明了微流体的一种新概念，该概念表明了复杂的微流 体处理，包括例如对血液进行离心处理可以在一次性的声子芯片上进行。 选择SAW激发频率以在换能器-覆盖层的界面上进行耦合，在此实现了小 滴处理。声子结构与声场相互作用，为入射声波提供了优良的反射或散射。 本文中所述的实验示出了小滴致动是如何取决于声子晶体内部的几何设 计与弹性对比度还有声波频率，并且示出一次性芯片上的各种不同的流体 运动是如何在芯片上产生的，所述的流体运动包括小滴移动、分割、雾化 以及离心（例如，不需要电极、通道或泵）。这种灵活并且功能强大的方 法不需要复杂的互连技术，也不需要高电压（在许多电动技术中需要）。 在将来，通过组合不同的声子结构，将可以产生一种具有不同射流功能（通 过声波的几何结构以及频率来调制每个功能）的“工具箱”。正如在电子工 业中，组合不同的部件以形成电路，因此，声子晶格的组合将在芯片上产 生复杂的微量分析系统。公认的是，此处所述的换能器布置（即单晶LiNbO₃压电晶片）是相对昂贵的。解决这种问题的一种方法就是使用低成本的一 次性覆盖层来与换能器布置耦合。然而，更优选的方法是制造一次性压电 换能器，该换能器具有形成于压电层内的样本处理表面，由于避免使用单 晶压电材料，所以该换能器的制造费用要便宜得多。

***********************

总结与声子结构相关的这部分，所述声子结构可以具有高度的频率和 /或波长选择性。如果声子结构在为入射声波提供良好的反射率的正确操作 状态下运行，该声子结构就会与声场相互作用。已经显示，这样的结构可 以用于操纵声场以对来自基板表面的液滴提供增强的处理（诸如，雾化）。 应用于流体样本的处理过程可以是以下各项中的一个或多个：

-移动

-混合（例如，在单个流体样本内部）

-分割流体样本

-组合两个或多于两个流体样本

-将流体样本或流体样本内的颗粒（或细胞）分类

-雾化

-浓缩，包括离心

此外，通过考虑由在压电层的一个或多个换能器拾取的机械波的衰 减，本发明的实施例允许感测流体样本（例如，感测一个或多个流体样本 所在的位置）。

换能器电极结构

如上所述，在本发明的一些优选的实施例中，换能器包括倾斜的叉指 电极布置，称为倾斜的IDT或倾斜的指状IDT。

倾斜的指状IDT在数据终端被用作中频带以及宽频带滤波器。在微流 体中采用倾斜的电极的理论已在[Wu,T.& Chang,I.,2005.Actuating and  detecting of microdroplet using slanted finger interdigital transducers.Journal  of Applied Physics,98(2),024903-7]中有描述。然而，无论是小滴直接在压 电材料上或是小滴在分离的（例如，一次性的）覆盖层上，这种设备的实 际实现都还未经证实。本发明人研究了倾斜的IDT在微流体中的用途，特 别是倾斜的IDT与可分离的覆盖层相结合的用途。

通过倾斜的IDT激发的SAW振幅是不均匀的，并且通过调节输入频 率可以获得不同的振幅剖面。谐振频率f取决于指状物的节距D以及压电 晶片上的声速c（上述的等式1，以稍微不同的形式再现为以下的等式1^*）。 因此，对于给定的输入频率，当IDT之间的间隙（D/2）满足电极支持谐 振的能力时，SAW输出才会产生。

$2D=\lambda =\frac{c}{f}$等式1^*

发明人制造了分散的IDT电极，其中这些电极间距（D/2）以及它们 的宽度（D/2）沿着孔径从62.5微米到125微米线性变化。这对应于处于 128度的Y切割X方向传播的3英寸LiNbO₃晶片上的250微米到500微 米的波长以及从16MHz到8MHz的频率范围，其中c=3990m/s。使用了 十对长度为15mm的指状物。使用剥离工艺来使IDT图案化。在图案转印 到AZ4562抗蚀剂后，蒸发20nm的钛黏附层，然后沉积100nm的金。然 后在丙酮中进行剥离，得到IDT。测量出S-参数来表征IDT并且示出处于 8MHz和14MHz之间的频率的稳定响应（图17b的插图）。

图17a示出了倾斜的IDT的示意图，其中在13MHz的选定输入频率 下SAW在铌酸锂晶片上传播。仅激发IDT中支持谐振条件的那部分，导 致与平行电极IDT相比，SAW以较小的孔径传播。因此，如图17b中理 论和实验上所示出的，通过调节频率，可以控制激发波的横向位置。

图17b示出了致动LiNbO₃晶片表面上的小滴以及耦合到LiNbO₃晶片 的盖玻片上的小滴所需的实验的输入频率，它是位置的函数，并示出了 SAW路径中心的理论计算。使用水平阴影示出了铌酸锂晶片的结果，以及 使用垂直阴影示出了该盖玻片的结果。使用直线示出了理论响应。图17b 中的插图示出了使用Agilent Technologies E5071C ENA系列网络分析器获 得的S-参数的幅值。Agilent Technologies MXG模拟信号发生器N5181A 与微型电路ZHL-5W-1、5-500MHz放大器以及3A、24V直流电源结合使 用以向SAW设备供电。用导热膏将晶片固定在散热器上以避免其过热。 通过观察布置在IDT前方的1微升的小滴阵列的搅动，针对每个输入频率 在–12dBm的功率上表征孔径。本发明人随后指出，通过使用激发频率对 SAW进行相同的空间控制可以扩展到涉及使用耦合到LiNbO₃晶片的可分 离的覆盖层的应用。在这种情况下，未经改进的玻璃盖玻片被用作可分离 的覆盖层，并且直接比较在给定频率下SAW在盖玻片上的位置与处于天 然的铌酸锂晶片上的SAW的位置（图23b）。已经发现，由于在耦合的过 程中波发生衍射，所以在给定频率下处于基板（盖玻片）上的SAW束的 横向宽度比直接处于压电晶片上的SAW束的横向宽度更大（平均16%）。

通过使用倾斜的IDT，SAW束的可移动的横向位置随后被用于致动微 流体小滴。本发明人证实了，可调谐的IDT可以向小滴提供SAW用于在 小滴中感生出旋转的流动，并因此使小滴内的颗粒离心以便于将它们集中 在小滴的中心。结果示于WO2011/023949的图24中以及WO2011/023949 的相关描述中。

远非受限于颗粒集聚，倾斜的IDT提供使用单个电极来编程多个功能 的机会。本发明人证实，通过调节输入信号的频率可以移动、合并、混合 和离心玻璃覆盖层上的小滴。结果示于WO2011/023949的图25中以及 WO2011/023949的相关描述中。

可以将芯片上胶体的形成与表面增强的拉曼散射（SERS）以及表面增 强的谐振拉曼散射（SERRS）相结合以用于灵敏的生物分析检测。本发明 人已经指出，倾斜的IDT可以用来直接在芯片中设计复杂的射流功能，其 中，SAW发射串的横向位置取决于输入频率。本发明人已经证实了这种功 能强大的工具处理小滴以及小滴中颗粒的潜力。与已知的技术相比，这种 灵活的方法的明显的优点在于能够在小滴中的任何位置并且在选定方向 上感生出流动。虽然已知的技术也局限于通过改变输入功率来控制颗粒浓 度，但是本发明人已经证明了通过移动SAW的位置（即移动SAW发射串 的横向位置），因此其所在区域与小滴的相互作用可以控制小滴中颗粒的 浓度。通过证实两个小滴可以在覆盖层（在这种情况下，覆盖层是一次性 玻璃覆盖层）上进行移动、合并、混合以及离心，发明人也证实了复杂的 任务可以被依次地编程到单个IDT设备中。后面的这个实例表明了芯片实 验室技术中所需的用于基本流体操作的平台的灵活性。

在SAW微流体领域中，已经报道了通常在压电晶片中传播的SAW瑞 利波，可以作为兰姆波耦合到一次性覆盖层中，这提供了“芯片实验室” 技术能够应用到低成本的定点照护诊断中的清晰的路线。在这种已知的配 置中，压电晶片中的表面声激发通常穿过薄的液膜界面被耦合到覆盖层 中。本发明人现在已经证实了SAW微流体中的新概念，该概念结合了使 用耦合到，包括，例如，倾斜的指状IDT的换能器布置的可分离的覆盖层。 在上述设备中，一次性玻璃盖玻片被用作可分离的覆盖层。本发明人已经 提出一种功能强大的方法，通过该方法可以以可编程的方式来处理小滴和 颗粒，并且也已经证实，例如，在相同的覆盖层上的小滴移动、合并以及 离心只需要改变SAW的激发频率来实现高度的功能整合。

样本处理-细胞溶解

本发明人已证实了表面声波（SAW）在溶解微升大小的小滴中的细胞 和血液中的用途。样本制备是“芯片实验室”系统（LOC）的关键组成部 分。更具体地说，在诊断应用中，广泛的生物测定通常需要进行细胞溶解 和血液处理。近来，非化学的机械方法克服了微流体平台上转换传统过程 的限制，涉及到溶解剂以及随后进行的洗涤，这些限制来源于化学品对待 分析的分子会产生有害影响。然而，这些新技术通常需要外部压力驱动系 统（这些系统限制了它们集成到独立的LOC系统中），或需要使用可能会 损害分子的高能量（热、电或超声降解）。本发明利用声压场以及通过SAW 在小滴中感生出的液体流动。根据本发明的方法在生物样本上进行实施， 导致样本中所有细胞的99.8%以上被溶解。使用光学吸收率测量来研究所 得的悬浮液中细胞内物质的可用性，并且其可用性与基于实验室的化学过 程相当。本发明人还证实了，通过使用不同的SAW平台可以实现溶解所 必需的条件，这提供了多种途径将样本制备整合在微芯片上的完整测定 中。

本发明人在细胞溶解方面的相关工作在WO2011/023949中示出，具体 来说是与WO2011/023949中的图26-30以及WO2011/023949中的相关描 述相关。

本发明的优选实施例

本发明的各种优选实施例要求要在该装置中进行处理的流体样本应 该装在该装置内。尤其是要避免用户对其的潜在污染。同样优选的是，该 装置是耐用的。此外，特别优选的是，该装置应是一次性的（即作为单次 使用的装置操作，以有效节省成本）。在这种装置中，重要的是，处理表 面的特征应该相对于SAW以及换能器电极结构被正确地以及可反复地对 齐。

在PCT/GB2010/001600(由与本申请相同的申请人于2010年8月24 日提交并且公开，公开号为WO2011/023949)中所公开的配置使用了可移 除地耦合到换能器基板的覆盖层。可以在覆盖层上运行测定，SAW被传送 到该覆盖层的表面上并且在该表面上进行传播。该覆盖层可以是单次使用 的覆盖层。然而，对于诊断之类的要求高的应用，这种装置可能会面临挑 战。尤其是，覆盖层和换能器基板之间的耦合对于传输功率来说至关重要。 效率较低的耦合降低了性能。在操作的可预测性方面，重复性较差的耦合 进一步减小了设备的性能。覆盖层上的声子结构与在换能器基板上传播的 激发SAW孔径的对齐也对声子晶格的性能有显著影响。盖上覆盖层将会 涉及到另外的对齐问题。

在本发明的优选实施例中，声子结构（以SAW散射元件布置的形式）， SAW激励器（通常是叉指换能器，IDT）和射流（作为通道或者小滴）被 分层放置在单个装置中。这种装置的形式允许样本处理表面与换能器电极 结构的对齐在装置的制造期间受到控制。类似地，可以使换能器和处理表 面之间的耦合可靠和高效。此外，该装置结构非常适用于通过分层制造类 型的工艺进行制造，进而有助于允许批量生产该装置。合适的生产技术依 赖于通过，例如，丝网印刷、溅射、铸造、溶液沉积、刮涂、电泳或层压 来沉积SAW生成材料层(例如，压电层)。例如，这些工艺可以以卷到卷的 形式进行。该装置的一层或多层可以由相对便宜的材料，诸如，塑料或纸 形成。其它层可以通过层沉积（例如，上文提到的丝网印刷、溅射、铸造、 层压等）形成。

图18示出了根据本发明的实施例的穿过射流装置的示意性剖视图。 第一压电层102在基板104上形成。基板104可以由，例如，塑料(例如， PET、PC等)形成，并且在压电层102形成期间用于支撑压电层102，且还 用于在使用中支撑整个装置。在一些实施例中，基板104不一定存在，例 如，在该装置以其它方式自支撑的情况下。第二压电层106位于第二基板 108的下侧。

压电层可以形成为一种复合材料，例如，在SU-8或陶瓷的基板上具 有ZnO层。复合物可以是散布在聚合物基体中的压电颗粒，以下将更详细 地描述。或者，压电层均由，例如，LiNbO₃形成为主体层。

第一和第二压电层的表面是样本处理表面。接着，这些表面之间的区 域限定了流体样本的通道110。

第一换能器电极结构112被嵌入到第一压电层102的下侧。如上文所 详述，换能器电极结构是叉指电极的形式。同样地，第二换能器电极结构 114被嵌入到第二压电层106的上侧。

SAW散射元件116的第一布置在第一压电层102中形成，并且与第 一换能器电极结构112纵向偏移。每个SAW散射元件都采用了在压电层 中形成的腔室的形式。SAW散射元件可以通过，例如，蚀刻或压印形成。 在可选实施例中，每个SAW散射元件可以改为由具有明显的机械差异的 材料形成，例如，用填充材料填充合适的腔室。合适的具有明显的机械差 异的材料可以是毛细管介质（例如，液体、凝胶、聚合物、纸等）或其它 材料（金属、聚合物、复合材料等）。SAW散射元件的第二布置118以相 似的方式在第二压电层106中形成。每个SAW散射元件都与样本处理表 面相交。

图19示出了沿图18中的第二条A-A′截取的视图，该视图示出了SAW 散射元件布置的规则晶格的几何形状。

例如，可以通过压印/光刻、溅射、电沉积等来制造换能器电极结构 112、114。电极结构的材料可以是任何合适的材料，诸如，金、铂等。

图18和19中所示的装置的结构可以改进为如图20和21中所示的那 样。在图20（上图）中，可以使用改进的换能器电极结构120，其中，电 极被嵌入到第二压电层106的下侧。通过这种方法，电极在与样本处理表 面相同的表面中形成。

在图20（下图）中，可以使用另一个改进的换能器电极结构122，其 中，电极被嵌入到第二压电层106中，使其延伸穿过第二压电层106的厚 度。

在图21（上图）中，SAW散射元件124相比于图18和19中的SAW 散射元件116进行了改进。在图21（上图）中，SAW散射元件124延伸 穿过第一压电层102的厚度。

在图21（下图）中，SAW散射元件126相比于图18和19中的SAW 散射元件116也进行了改进。在图21（下图）中，SAW散射元件126仅 延伸穿过第一压电层102的大约一半的厚度。

通过向第一和第二换能器电极结构112、114施加相同的信号（或不同 的信号），以便在样本处理表面上产生SAW，可以对图18中的装置进行操 作。因此，位于通道110中的流体样本以上述方式经受SAW。SAW散射 元件116、118与SAW相互作用以便于影响，例如，它们的传输或分布， 进而影响流体样本。已经详细讨论了由于SAW与SAW散射元件相互作用 而使得流体样本受到SAW影响的方式，并且会在下面的优选实施例的上 下文中做进一步的描述。

图22-25示出了图18中的装置的结构的改进。相似的参考数字用于相 似的特征，并且在此不再对其进行描述。

在图22中所示的装置中，通道130在样本处理表面与囊封层132之 间形成。囊封层132的功能只是封闭通道130，因此流体可以在毛细管作 用下或通过作为泵的SAW的作用沿着通道移动。

在图23中所示的装置中，样本处理表面被暴露。小滴134可位于样 本处理表面上，用于与SAW（由SAW散射元件116改变的）相互作用， 如上所述。

图24示出了图23中的装置的改型，其中，钝化层136在压电层102 的上表面上方形成。该钝化层允许独立于压电层102和流体之间的化学相 互作用的任何相关性来选择所关注的流体。该钝化层本质上充当上述覆盖 层的角色，但是在这种情况下，在制造该装置时，就压电层上的位置而言， 该钝化层是固定的，并且在使用时不会被移除并且也不打算将其移除。

图25示出了图22中的设备的改型。在这种改型中，SAW散射元件 138延伸穿过压电层、越过通道并到达囊封层132。显然，可以对图31-34、 36-37中所示的装置进行类似的改进。此处的SAW散射元件138是由与囊 封层132相同的材料形成的，但是它们可以由不同的材料形成。因此，SAW 散射元件提供了附加的功能，例如，捕获或过滤（充当具有特定的孔隙大 小的膜），或者可以取决于它们的几何形状的方式来改变流体动力流。例 如，沿该通道行进的不同尺寸的小珠将以特定于尺寸的方式发生偏斜 （Keith J.Morton等人PNAS 2008 105(21)7434-7438; doi:10.1073/pnas.0712398105））。

可以选择换能器电极结构的设计，以便控制声波的孔径。这已经参照 倾斜的IDT（其中，指状物间距沿着换能器电极结构的宽度而变化）或聚 焦的IDT（其中，能量被聚焦在毛细管通道中的特定点上-参见下文）在 上文中讨论过了。

可以引入其它电换能器或电极使其与样本处理表面进行通信以用作 额外的处理装置，诸如，进行介电电泳，执行溶解和/或检测颗粒或分子或 量化所述流。此外或作为另一种选择，一个或多个传感器可以和样本处理 表面进行通信。合适的传感器包括阻抗传感器、电化学传感器等等。

图26-28示出了使用该装置来进行样本雾化。已知使用SAW设备来制 备样本以便进行分析，例如，用于质谱分析。参见，例如，Heron等人(2010) [S.R.Heron et al“Surface Acoustic Wave Nebulization of Peptides As a  Microfluidic Interface for Mass Spectrometry”Anal.Chem.2010,82, 3985–3989]，其内容通过引用全部并入本文。使用SAW设备来使流体样本 雾化用于质谱分析有一些优于已知的基质辅助的激光解吸电离（MALDI） 和电喷雾电离（ESI）方法的优点。

在图26中，图28中的装置被用于进行雾化。控制该装置使得允许雾 化的样本150从通道110的端部离开该装置。

在图27中，图18中的装置被改进以提供装置的开口部分154，以便 于允许雾化的样本152从该开口部分离开该装置。

在图26和27中，雾化的样本被引导到质谱仪（图未示出），或其它 的气相分析设备中，以便于进行进一步的分析。

在图28中，图18中的装置被进一步改进以便提供贮液囊用于提供待 雾化的样本156。因此，该装置用作泵。样本156保存在贮液囊158中。 按照图26中所指出的方式，操作该装置以从该装置的出口提供雾化的羽 流160。此外，样本156在箭头162所示的方向上沿着装置中的流动通道 被拉动，以代替因雾化从该装置丢失的样本。

应当理解的是，除了或者替代雾化，图26-28中所示的装置也可用于 提供样本的蒸发。在每个装置中，通道130都可以打开，或可包含纸之类 的毛细管介质。

图18-28中所示的装置的优点在于制造成本合算以及材料可用。如上 文所说明的，在制造时，声子结构可以与换能器对齐。在提供封闭通道的 情况下，这可以减轻污染和/或蒸发。可制造声子结构以便额外提供射流结 构（例如，图25中所示）。另外，且将在下文中进一步说明的是，可以将 试剂定位在该装置中，以使得试剂被预先封装在该装置中。

图29-37示出了根据本发明的实施例的装置的其他合适的配置。在这 些附图中，相似的特征使用相同的参考数字，并且没有必要重复描述相似 的特征。

在图29中，压电层200具有嵌入地形成到压电层的样本处理表面一 侧的换能器电极结构202。SAW散射元件也在压电层的样本处理表面一侧 形成，并且是以开口腔室204的形式形成的。

除了换能器电极结构206嵌入地形成到压电层200的样本处理表面一 侧的相对侧之外，图30类似于图29。

图31类似于图30，不同之处在于，在压电层的样本处理表面一侧形 成的SAW散射元件是以直立的柱体或柱状物208的形式形成的。这些都 可以由与压电层相同的材料形成。

图32对应于一种结构，该结构是通过采用根据图30的两个装置，并 且倒置其中一个装置以使SAW散射元件在通道210两侧相对而形成的。 该装置类似于图18中所示的装置。

图33中所示的装置不同于图32所示的装置，不同之处在于，第二压 电层具有不同的SAW散射元件212布置。第二压电层中的SAW散射元件 具有与第一压电层中的SAW散射元件214不同的周期性，并偏离第一压 电层中的SAW散射元件214。其效果是使SAW在样本处理表面上的分布 更复杂，并且相应地控制通道210中流体样本的处理。这种结构具有特殊 效用的情况是样本流体经受相分离，使得一个相与第一压电层的样本处理 表面接触并且另一相与第二压电层的样本处理表面接触。因为这两个相一 般可具有不同的机械特性，通常使用不同的SAW散射元件布置来控制它 们更方便。

图34中所示的装置具有第一压电层216和第二压电层218。这两个层 具有相关联的换能器电极结构，但图中仅示出了第一换能器电极结构220。 在第一和第二压电层各自的样本处理表面之间限定了样本流动通道222。 SAW散射元件224和226被布置成分别从第一和第二压电层延伸出去。在 图34中，SAW散射元件224和226具有相似的周期性，但是它们彼此偏 移，使得两种SAW散射元件布置是异相的。在操作中，SAW散射元件的 作用在于既影响SAW在样本处理表面的传播和分布又影响流体沿着通道 的流动。SAW散射元件提供了直立的柱状物的矩阵。这可以提供分离功能， 用于使样本流体的一种组分与该样本流体的另一种组分分离。例如，在装 置的操作过程中，该布置可允许例如，流体样本中的一个相与另一个相分 离，产生不同的相。

图35示出了另一个实施例，其中，通道230被限定在压电层的样本 处理表面和囊封层232之间。另外，传感器234被设置在样本处理表面上。 该传感器可以是，例如，对检测SAW灵敏的传感器。或者，该传感器可 以是热传感器（例如，用于确定温度）。或者，该传感器可以是电导(或阻 抗)传感器。尤其是，可以使用电导传感器来确定在通道230中存不存在（导 电的）流体样本。或者，该传感器可为电化学传感器，诸如，适于感测预 定的电化学反应的传感器，或pH传感器。

在其它实施例中，传感器234可以由激励器来代替。合适的激励器包 括加热器。在一个实施例中，加热器可以通过换能器操作以产生SAW来 形成，SAW随后作为热量消散在该装置中。在另一个实施例中，可以提供 加热器作为电阻加热元件。有关引入加热器(在PCR的上下文中)的进一步 细节将在下文中给出。

图36示出了可选择的雾化装置。喷嘴236在囊封层232中形成并且 处于与SAW散射元件的布置对准的位置。在操作中，通过该装置使流体 样本雾化并且允许流体样本经由喷嘴236离开该装置。

图37示出了图35中的装置的一种改型，其中，该压电层具有在其中 形成的腔室240，并且囊封层具有在其中形成的腔室242。试剂可以被储 存在这些腔室中，在设备的操作期间用于，例如，进行测定。

在其他实施例中，样本处理表面可以进行改进，以便为所关注的生物 分子或物种（例如，DNA、RNA、抗体等）提供结合位点。

在上文所讨论的每个实施例中，SAW散射元件布置包含（实质上为） 点缺陷的周期性阵列以用于SAW的散射。

本发明人认为，通过在样本处理表面上使用脊状物、通道(或更一般 地，线性梯级)以便提供对SAW分布的有用影响，可获得相似效果。例如， 覆盖层可以设置有形成锥形的脊状物，以便控制小滴，从而代替基于腔室 的SAW散射元件的周期性阵列。

压电层（或其它SAW生成材料层）的材料可以选自由LiNbO₃、PZT、 BaTiO₃、SbTiO₃、ZnO、SiO₂、AIN、LiTaO₃、Al₂O₃ GaAs、SiC和聚偏氟 乙烯（PVDF）组成的组。其中，Li NbO₃或ZnO是特别优选的。

为了按照与相对低成本的批量处理相容的方式形成射流装置，必需要 考虑使用不是单晶形式的压电材料层。大块单晶的生长费用是很高的，且 外延薄膜的形成通常需要使用单晶基板（也是昂贵的）。外延生长通常也 是相对较慢的。

因此，优选的是使用沉积工艺形成压电层，该沉积工艺选自由以下各 项组成的组：溅射、丝网印刷、铸造、刮涂、浸涂、溶液沉积和电泳。另 外，也可通过印刷一种包含保持在流体悬浮液中的压电材料颗粒的油墨进 行沉积。

其他作者已经综述了用于基于SAW的生物传感器的ZnO膜的形成， 在Fu等人(2010)[Y.Q.Fu et al“Recent developments on ZnO films for  acoustic wave bio-sensing and microfluidics applications:a review”Sensors  and Actuators B:Chemical 143(2010)606-619]。在该论文中，讨论了使用射 频磁控管溅射法来沉积ZnO的多晶薄膜，该专利的内容通过引用全部并入 本文。可以在相对较低的温度（明显低于200℃）下进行溅射。依所述条 件而定，可以表明，ZnO膜可以形成多晶、非晶、纳米晶或微晶微结构。 此外，示出了纹理化多晶膜是可能的。基于此，根据射流装置将被使用的 特定目的，本领域技术人员能够在合适的基板上由不同的压电材料制造适 合的压电层。

对SAW生成材料层来说，不一定仅使用压电材料。将为本领域技术 人员所知的是存在产生超声波的众多方法，例如，使用压电换能器、电磁 换能器或磁致伸缩换能器。这种换能器可在GHz状态下运行。例如，已知 可以形成磁致伸缩式SAW设备，如同在G.Scheerschmidt等人(2010)[G. Scheerschmidt et al“Resonance modes of magnetically generated surface  waves in acoustic wave guide systems”Journal of Magnetism and Magnetic  Materials 322(2010)1628-1630]中讨论的，其内容通过引用全部并入本文。

图38和39示出了SAW频率对该装置的操作模式的影响。在图38中， 声子阵列在12.62MHz的SAW频率下进行建模。这样做的效果是在样本 处理表面上建立SAW的特定分布。在图39中，相同的声子阵列在9.45MHz 的SAW频率下进行建模。这样做的效果是在样本处理表面上建立SAW的 不同分布。

温度控制

在另一个实施例中，本发明的关注点在于进行需要温度变化，尤其是 需要热循环的测定或反应。

定点照护(POC)诊断通常依赖于分析生物样本中的核酸，以用于检测 流感或衣原体之类的特殊疾病。尽管新近开发的传感器的灵敏度有所提 高，但是在检测之前仍然需要增强所关注的分子以实现显著的信噪比。选 择的方法仍然是聚合酶链反应(PCR)及其多种变形，其依赖于激活生物 酶的循环温度。为了执行PCR，该样本与基于模板来复制DNA分子（聚 合酶）的酶进行混合，其中该模板是由样本以及加入的引物短DNA序列 制成，并且利用了加入到反应混合物中的核苷酸。一些变形，诸如，等温 PCR（例如，环介导等温PCR、LAMP）不需要循环，但是需要恒定的温 度。

当特定的生物反应发生时，POC测定的其它步骤可能需要加热。例如， 患者的细胞，诸如，T淋巴细胞，可以在加热的反应器（37℃）中培养以 用于表达被检测为结核病潜伏性感染的生物标记的细胞因子[Quantiferon  kit,Cellestis,Australia]。

已经开发出了芯片实验室（LOC）系统，以用于执行温度循环或加热， 通常基于微芯片表面上的金属加热器[Neuzil P.et al,Mol.BioSyst.,2006,2, 292-298]。除了存在刚性的设计约束之外，由于它们的位置是固定的，这 些加热器需要外加的电连接和电源，这对于用电池操作的POC系统是一个 挑战性问题。

众所周知，用于产生SAW的压电换能器或波传播通过的任何材料由 于振动引起的机械损耗而变热。实际上，在该领域中，需要投入大量的努 力来减小这种热量以防止早期的设备故障。这种现象已经被用来加热水滴 [Kondoh J.等人,IEEE transactions on ultrasonics,ferroelectrics,and frequency control,52,2005 1881-1883]with the intent of performing PCR [Kondoh J.等人,Sensors and Actuators A 149(2009)292-297]。

本发明人发现，使用用于激发SAW所施加的功率可以控制在批量制 造的结构（或甚至在覆盖层上）上的热量。SAW产生的热量通过散热器来 消散以冷却样本，从而提供一种用于循环温度的装置。能使声能成形的声 子结构可用于通过使用激发频率来控制样本的加热，作为不同功能之间的 切换器。对于一种频率来说，声能可被导向加热元件，但用于其它微流体 功能的声能在其它频率下带有较小的热量。

这种性能构成了可使用SAW执行的微流体功能中的又一模块，这有 利于在单个平台上整合从样本制备、扩增以及检测的整个生物测定。

尽管在样本处理表面为压电层表面的情况下，该概念同样适用于呈多 晶膜形式的压电层的使用，但是本发明人进行了基于覆盖层和单晶 LiNb₂O₃的测试。该覆盖层利用凝胶耦合到定位在散热器上的IDT表面。

当设备中的功率倾斜上升时，覆盖层的温度上升，样本的温度也上升。 在一个实例中，对在硅覆盖层上加热两滴10μl的矿物油滴进行了研究。在 19.13MHz下，这里使用的功率为-4dBm。FLIR（Fluke）照相机所用的辐 射率值为0.95。

如图40中所示，样本的温度与激发信号的功率相关。在9.77MHz下， 在硅覆盖层上加热10μl的水滴的结果被绘制在图40中。使用IR摄像机来 观察温度。

将功率用作控制温度的方式，可以实现温度循环。图41示出了为了 避免蒸发囊封在在硅覆盖层上的10μl油中的1μl水滴的温度循环。循环 中的水滴的温度是98℃、72℃和58℃。

使用声波对材料进行加热取决于这些材料从变形中吸收能量的方式。 软材料（低杨氏模量）吸收的能量应该大于较硬的材料，这就转化为更多 的热量。依赖于处理表面上的热传导，该增加的热量扩散到被置于附近的 样本中。

使用声子结构，可以在软材料区域屏蔽波从而在一些激发频率下减少 热量，同时波可以在其他频率下聚焦在该区域，从而提高温度。这在改进 的加热功能和其它的微流体功能（可能不需要热量（移动、离心））之间 提供了切换。该原理示于图42和43中，这两个图示出了经由吸收区域300 的依赖于频率的加热。在频率f₁（图42）下，声波主要朝向样本302传播， 然而在频率f₂（图43），声波朝向吸收区域传播，这导致了温度上升。用 于提供不同的SAW强度(由图42中的箭头304、306的大小来表示)的合 适的装置将在下文中进行说明。

如所理解的那样，该装置优选地包括温度传感器，使得其能够对SAW 的产生实现定向控制从而控制温度。

通过使用倾斜的IDT或如图44-50中所详示的各种声子配置，可以容 易地控制声能的空间分布，以便提供依赖于频率的加热。

在图44中，通过使用倾斜的IDT308，SAW的孔径可以被定位在指 状间距支持在特定频率下谐振的位置。此处频率f₁（SAW序列310）被用 于加热吸收材料300，然而频率f₂（SAW序列312）被用于激活样本302。 此处f₁<f₂。

在图45中，声子滤波器314可以过滤掉在频率f₁下传播的波，导致 通过减小能够到达吸热材料300的SAW的振幅，使热量受限，但是样本 被活化，但对于在滤波器带隙外部的频率f₂来说，热量可能提升，如图46 中所示。这种配置的优点是，使样本在这两种配置中活化，这在加热过程 中可以促进混合。

在图47和48中，声子透镜316将不同频率f₁和f₂的声波聚焦在不同 的位置。聚焦效应进一步增加热量。

在图49和50中，为了防止样本302在加热过程中活化（例如，对于 细胞培养），可使用双滤波器配置，其中第一滤波器318允许频率为f₂的 SAW传输但是阻挡频率为f₁的SAW，并且第二滤波器320允许频率为f₁的SAW传输，但是阻挡频率为f₂的SAW。

声子晶体结构本身也可以用作特定的吸收结构。当在声子结构的带隙 中选定激发频率时，波可能会在其内部散射。相比于使用带隙外部的频率， 当在吸收材料（软）中形成声子结构时，这种散射会引起热量增加。通过 使用在刚性较高的基体（例如，硅中的PDMS）中的填充软性材料的塑料 柱状物（PDMS、聚苯乙烯）或孔可以形成这种声子结构。

固体样本处理

尽管常见的诊断性测定是针对血液或尿液之类的体液中的分析物进 行的，但是由于固体样本的可接近性，导致检测固体样本中的分析物也很 受关注。这些固体样本包括各种癌症中肿瘤的活组织或排泄物，例如，有 血液存在可能是肠道癌症的生物标记。这些固体样本难以处理，尤其在通 常依赖于微流体的定点照护测定中，这是因为需要破坏固体样本。依赖于 直接测量的其它方法受到这些样本是高度异质性的限制，使得需要在不同 位置多次采样以避免假阳性结果概率很高。

破坏固体样本的常用装置通常依赖于通过使用来自液体流的剪切力， 加入小珠或施加非常高的压力梯度将其机械地粉碎在液态基体中。另一种 方法是使用超声范围中的声能，通过感生出空穴[Timothy L.Hall等人, IEEE transactions on ultrasonics,ferroelectrics,and frequency control,54, 2007,569-575]或使用与小珠耦合的声流来破坏组织和细胞。然而，这些技 术中的大多数必须在芯片外执行，限制了它们在POC环境中的应用。

在本发明的另一个实施例中，SAW用于将流动与机械振动结合以检测 固体(或实质上为固体)样本（诸如，组织）中的分析物。其优点是，使该 样本快速地同质化以提高诊断测试结果的可信度并且可以容易地与其它 微流体功能集成在一起。

除了提供支撑物的机械振动以及置于其表面上的组织来引起剪切应 力和压力应力外，SAW还在样本的液态基体中提供声流，增强了液相中的 分析物的释放以便于进行检测。该方法可能没有空穴，因此对于通过传统 的超声技术可以被变性的所关注的生物分子来说更温和，并且该方法不需 要额外的支撑物，诸如，可能需要进行分离以用于进一步分析的小珠。

如前所述，声子结构可用于将声能聚焦到设备的特定区域中以增强处 理。它们也可用作固体支撑物以增加剪应力，方式类似于滤波器或小珠。 例如，可以使用通道中心处的柱状物的声子阵列或表面上的孔的声子阵 列。

复合的SAW生成材料层

SAW生成材料层的材料可以是复合物形式。在一个实施例中，压电颗 粒被散布在聚合物基体中以形成复合材料。然后将复合材料进行极化（施 加高电场）以便使压电颗粒定向。随后，施加电场导致压电颗粒变形，导 致复合材料整体变形。在合适频率下施加电场则会导致变形作为波（例如， SAW）来传播。

以下是一种用于制备示例性复合材料的合适方案。

用于制备示例性复合材料的方案

材料：PZT粉末（PZ26 Ferroperm，颗粒大小约为500nm）、SU-8-50 光致抗蚀剂，IGEPAL CA630（分散剂，Aldrich）、丙二醇甲醚乙酸酯 （PGMEA）。

目标合成物：分散体中固体的体积分数为40%，用（PZT+SU8/（PZT +SU8+PGMEA）算出。在最终薄膜中PZT的体积分数为40%，用PZT/(PZT +SU8)算出。

混合方法：

1.加入PZT、IGEPAL（相对于PZT为1%wt）以及过量的PGMEA。

2.使用Silverson搅拌器（以8000rpm进行7分钟）以打碎附聚物并 且促进分散。

3.以2500rpm离心4分钟。

4.通过控制倒出来除去过量的PGMEA。

5.加入所需的SU8-50。

6.手动摇动并对样本进行超声处理（30分钟），以促进粉末在粘性 SU8-50中的分布。

7.在铸造之前允许分散体静置以允许气泡逸出。

铸造方法：

1.使用聚酰亚胺带将柔性基板固定到支撑用的载玻片上以有助于它 们保持水平。

2.低粘附性Nitto胶带（80微米厚）的两个平行条带随后被应用到基 板上以标记出铸造区域并且提供用于“铺展边缘”的有效的铸造高度。

3.此装置接着在20W下接受O2/Ar等离子体蚀刻3分钟。（请注意， 即便是基板先前接受过等离子体蚀刻，在铸造前也需要进行这种附加处 理，否则分散体将不会润湿基板）。

4.两至三滴分散液被滴到Nitto胶带之间的基板上，并且洁净的载玻 片边缘被用作铺展边缘以铸造最初的80微米湿膜。

5.将该膜置于热板上在95℃下部分地干燥2分钟，剥去Nitto胶带， 然后在95℃下在烘箱中干燥20分钟。

UV固化：

1.将干燥的薄膜在UV掩模对准器上进行整片曝光7分钟 （12mW/cm²）。

2.在95℃下在烘箱中对样本进行15分钟的后烘烤。

通过这种铸造方法获得的典型的干燥固化膜的厚度约为14微米。

电晕成极法：

距离基板的销高度：约25mm。

用于可听/可视放电所施加的电压：约15KV。

在约105℃-110℃下施加场

<65℃（冷却时间约30分钟）移除场

应该注意的是，通过卷到卷工艺可以容易地操纵此制造方法，从而使 其制造具有高成本效率。这种高成本效益允许整个设备作为一次性用品来 使用。

结构和测试

在此报告的每个样本使用了IDT上的8微米的一层PZT加载的SU-8 （40％的体积），其中IDT的交叉指状物的宽度以及间距为60μm，通过使 用卷到卷工艺使其图案化。在第一设备中，基板是PET薄片。在第二个设 备中，基板是一片5毫米厚的PMMA。在这些设备中，电极被夹在基板和 SAW生成材料层之间。

当使用矢量网络分析仪（下图）来测量S₁₁参数时，每个设备在约30 MHz下具有基频谐振。SU-8的声音的纵向速度约为2880m/s，尽管其在 一定程度上会取决于加工途径，这是因为SU-8可能会有不同程度的交联。 在更高的频率上，该值可能会随着矿物加载而减小。PZT的声音的纵向速 度约为4300m/s。通过使用混合物的简单规则，复合材料的声音的纵向速 度约为3400m/s，这在根据S₁₁测量算出的约3600m/s的值的范围内。

就这些设备进行测试来说，不确定是否正在产生SAW，但是显然存在 换能。PMMA样本在大约45MHz下表现出更大的电气下降，这是由于具 有接近50Ω阻抗的另一种模式的激发（可能是Sezawa模式）和/或该基板 由于其相对于基于PET的设备的厚度而具有更高的机械刚性导致的，因为 PET和PMMA的机械特性是非常相似的。

PZT/SU-8材料容易产生介电加热，正如在没有压电材料存在的情况下 PET上IDT的介电加热。应注意的是，PZT/SU-8样本将持续更长的时间， 这可能是由于该层充当了散热器。使用FlukeIR照相机，明显的是，热量 可以容易被引入到材料中，且更令人惊奇的是以局部化的方式。在30MHz 下将约为0.1W的功率施加到叉指电极上揭示了叉指电极上方非常局部化 的加热，从而在5s内使温度达到约77℃。在电极区域上，温度变化超过 了20℃。

加热量与施加到设备上的功率量成比例。PZT/SU-8的某些加热是有益 的，因为这些样本使用的时间越长，观察到置于活性材料的表面上的5μl 的小滴受到的致动越大。基于观察到的悬浮在溶液中的一行涂覆银的1微 米的玻璃珠的集合，观察到SAW和随后的流动。很显然，对于这种一次 性设备平台来说，PCR是受人关注的应用。

聚合物声子结构层

设备已经制造出来并进行了测试，其中声子晶体是玻璃上的SU-8的 图案化层，其带有孔或柱状物的方形晶格阵列。在SU-8层内设置了间隙 以便于将具有在其上表面上形成的叉指电极结构的LiNbO₃单晶换能器耦 合（通过粘接层）到玻璃基板上。

玻璃基板的厚度约为1.5mm，LiNbO₃单晶换能器的厚度约为500微 米，且SU-8层的厚度约为100微米。

首先，具有以穿过SU-8层的孔的形式存在的声子结构的设备的特征 在于其使用了振动计（Polytec GmbH）。叉指电极具有相对较大的间距，从 而使LiNbO₃中所感生出的表面机械波能够向下延伸到材料的底面。在该 设备中，在激励电极被放置的相对表面上的机械致动的量不到一半，仍然 有足够可用的机械振动发挥一些作用。可以进行耦合优化以提高声波从 LiNbO₃到玻璃的传递效率，因为在换能器和基板之间似乎存在50％的插 入损耗，这表明其本身进行了接触区域的局部加热。振动计数据表明，一 旦进行耦合，到SU-8层中的声能的传递就是相对有效的。

振动计测量在该设备的各个位置的表面位移。测量表明，SU-8表面上 的在接近在SU-8中形成的开口（以容纳换能器）的表面位移有所增加。 这是由于SU-8相对于玻璃的较慢声速引起的聚束导致的。然而，进一步 远离该开口，这种增加很快平息到与针对玻璃所观察到的相同水平上。

以平行于开口边缘的方式进行扫描，在声子晶格与SU-8/玻璃界面之 间观察到位移幅度的明显增加。声子晶格与SU-8/玻璃界面充当反射器， 其创建了腔室，其中由部分驻波的振幅引起的表面位移相对于来自换能器 的入射的耦合SAW有所增加。图51中说明了这一点，其示出了SU-8层 以及开口边缘的示意性平面图，其中该换能器（图未示出）位于该开口处。 图52示出了沿着SU-8表面上的位置1和2之间的线的振动计扫描的结果。 曲线示出了测得的垂直位移（y轴–任意单位）与距离（x轴-任意单位）。 在位置1，SAW没有遇到声子反射器。然而，在位置2，SAW遇到了声子 反射器，从而形成了腔室。因此，声子结构影响SAW在SU-8层上的传播， 因为与腔室外部（位置1）相比，在腔室内（位置2）测得的平面外的位 移显著增加。

当包含1微米的玻璃珠的水滴位于腔室中时，如图53中所示，小珠 由于所产生的驻波在同心环中对齐。图53示出了在施加1.6W的功率下在 6.5MHz下使用SAW致动的5微升水滴中所产生的这种效果。

接下来，制造由玻璃形成的覆盖层，其具有在玻璃上表面上形成的 SU-8柱状物的声子结构。

已示出，通过使用该系统，1微米的玻璃珠可以在定位于声子晶格边 缘的5微升水滴的中心处进行离心。图54、55和56示出了在施加约1.26 W的功率下使用10.4MHz的激发信号致动的水滴中的玻璃珠的连续显微 图像，SAW是从每一幅图像的右侧施加的。如图56中所示，SAW由声子 SU-8柱状物晶格进行过滤，其驱动旋转的流来引起离心，并且所述颗粒最 终集中在滴状物的中心处。

本研究工作证实了使用SAW的微流体致动，其中SAW是由在玻璃 覆盖层上形成的SU-8声子结构声子地成形的。因此，该设备形成了并入 颗粒浓缩级的低成本诊断设备的基础。该设备以低成本就可以形成，这是 因为与LiNbO₃或其他压电材料的处理相比，玻璃可以进行廉价地处理。

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本公开中所提及的现有专利申请和现有出版物的全部内容在此通过 引用全部并入本文。

本发明的优选实施例已经通过举例的方式描述过了。这些实施例的变 型、其它实施例及其变型对阅读了这些公开的本领域的技术人员来说是明 显的，且正因如此，都在本发明的范围内。

缩写

ATP   三磷酸腺苷

ADP   二磷酸腺苷

cAMP  环腺苷酸

ELISA 酶联免疫吸附测定

IDT   叉指换能器（也称为交叉指型换能器）

PBS   磷酸盐缓冲液

PCR   聚合酶链反应

SAW   表面声波