對(duì)千兆赫茲聲流體鑷進(jìn)行系統(tǒng)的研究

在現(xiàn)代生物學(xué)的許多領(lǐng)域，對(duì)生物粒子、細(xì)胞和生物分子的有效操控有著重要意義，例如生物傳感、細(xì)胞分選、治療和藥物篩選等。在多種微納尺度粒子操控技術(shù)中，無接觸式聲操控技術(shù)由于其對(duì)粒子物理化學(xué)特性幾乎不做要求，從而有著很強(qiáng)的普適性，被廣泛應(yīng)用在許許多多的生物系統(tǒng)中。

工作在千兆赫茲頻率的薄膜體聲波諧振器（FBAR）能夠通過聲流體效應(yīng)產(chǎn)生局部范圍內(nèi)的高速微型渦漩。因此，千兆赫茲體聲波聲流體鑷能夠提供足夠的拖拽力對(duì)微納米粒子進(jìn)行捕獲和富集。然而，其中機(jī)理還沒得到系統(tǒng)的分析驗(yàn)證，阻礙了高頻聲流體鑷的發(fā)展和應(yīng)用。

基于此，天津大學(xué)段學(xué)欣課題組從理論分析、三維建模仿真、粒子追蹤實(shí)驗(yàn)三個(gè)方面對(duì)千兆赫茲聲流體鑷進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，揭示了粒子操控中關(guān)鍵的兩種力（聲流拖拽力和聲輻射力）的相互平衡關(guān)系，為基于聲流體鑷的芯片實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用發(fā)展提供了基礎(chǔ)指導(dǎo)。相關(guān)研究成果以“Manipulations of micro/nanoparticles using gigahertz acoustic streaming tweezers”為題，發(fā)表于Nanotechnology and Precision Engineering期刊上。

行波聲流體鑷工作原理

該研究提供了一個(gè)普適性好的開放式無接觸聲操控微納粒子方法，該方法通過高頻體聲波諧振器在流體中生成聲渦流場(chǎng)，使得粒子在其中主要受到聲輻射力和斯托克斯拖拽力的作用進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。如圖1所示，不同尺寸粒子在運(yùn)動(dòng)過程中受到不同程度的力。具體而言，由于尺寸越大，在靠近器件邊緣時(shí)受到的聲輻射力越大，越容易被推離原軌道到內(nèi)部軌道，從而在實(shí)現(xiàn)對(duì)不同粒子的捕獲時(shí)進(jìn)行分離和富集。

圖1 基于體行波的聲流體鑷示意圖：（a）器件捕獲粒子三維示意圖；（b）行波在流體中的聲輻射力分布圖；（c）沿聲渦流內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)的大粒子和沿聲渦流外側(cè)運(yùn)動(dòng)的小粒子。

體聲波諧振器

該方法采用的薄膜體聲波諧振器采用標(biāo)準(zhǔn)MEMS工藝技術(shù)制造，主要包含一個(gè)三明治壓電結(jié)構(gòu)和一個(gè)布拉格反射層結(jié)構(gòu)。圖2顯示了一個(gè)制造完成的2.5GHz的薄膜體聲波諧振器，其整體尺寸約為1mm × 1mm。

圖2 薄膜體聲波諧振器：（a）在5角硬幣上的薄膜體聲波諧振器實(shí)物圖；（b）諧振器SEM照片。

三維仿真

通過COMSOL多物理場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行有限元分析可以詳細(xì)得到聲流場(chǎng)的速度分布。如圖3所示，通過截取與x-z面平行的平面進(jìn)行分析，可以充分得到不同區(qū)域時(shí)的聲渦流速度分布：流體沿諧振區(qū)域加速進(jìn)入振動(dòng)中心，然后減速噴射出，最終沿軸對(duì)稱形成渦漩。加入粒子進(jìn)行進(jìn)一步仿真。通過對(duì)粒子施加聲輻射力和聲流拖拽力，可以發(fā)現(xiàn)，隨著粒子直徑減小，其運(yùn)動(dòng)軌跡逐漸向外側(cè)擴(kuò)展延申（圖4）。這是在粒子富集中，通過不同尺寸粒子所受聲輻射力和聲拖拽力平衡狀態(tài)的不同，將它們分離在不同軌跡中。



圖3 聲流體流場(chǎng)速度分布三維仿真結(jié)果：（a-e）與x-z面平行截面上的流場(chǎng)（距離：-200μm、-100μm、0、100μm、200μm）；（f）x-z面上的速度場(chǎng)。

圖4 粒子富集仿真結(jié)果（功率：1mW）：（a）初始狀態(tài)下隨機(jī)分布的粒子；（b-e）10μm、5μm、1μm和0.3μm粒子運(yùn)動(dòng)軌跡，隨著尺寸減小，軌跡逐漸向外擴(kuò)展。

聲渦流場(chǎng)

在三維仿真驗(yàn)證理論分析及方法可行性后，通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證和探究。通過從x-y和x-z平面對(duì)示蹤粒子的實(shí)時(shí)觀察，如圖5所示，渦流場(chǎng)如仿真結(jié)果相匹配，最大速度與功率關(guān)系較為線性。



圖5 （a）x-y面上的聲渦流（粒徑：1μm，功率：1mW）；（b，d）PIV觀測(cè)的側(cè)向流場(chǎng)分布；（c）功率同最大速度之間的線性關(guān)系。

粒子富集

在理論與仿真分析以及對(duì)聲流體的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)基礎(chǔ)上，聲流體鑷被設(shè)計(jì)用于不同尺寸粒子的富集。如圖6所示，不同尺寸的散亂粒子（10μm-0.3μm）在1分鐘內(nèi)被聲流體鑷富集在了不同軌道上。因?yàn)槌叽缭叫≡讲蝗菀妆煌齐x原軌道，因此小尺寸粒子所占軌道越向外擴(kuò)展，而大尺寸粒子則被推到內(nèi)部軌道，從而在實(shí)現(xiàn)捕獲的同時(shí)進(jìn)行分離和富集。至此，該研究提出了一種簡(jiǎn)單有效的三維聲流體鑷用于微納米粒子的操控，通過理論、仿真與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了證明闡述，為其在多種生物系統(tǒng)中的應(yīng)用發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

圖6 聲流體鑷實(shí)現(xiàn)的粒子富集：隨著粒子尺寸的減小（a: 10μm；b：5μm；c：1μm；d：300nm），粒子富集軌跡逐漸向外擴(kuò)展。

審核編輯：劉清