对千兆赫兹声流体镊进行系统的研究

在现代生物学的许多领域，对生物粒子、细胞和生物分子的有效操控有着重要意义，例如生物传感、细胞分选、治疗和药物筛选等。在多种微纳尺度粒子操控技术中，无接触式声操控技术由于其对粒子物理化学特性几乎不做要求，从而有着很强的普适性，被广泛应用在许许多多的生物系统中。

工作在千兆赫兹频率的薄膜体声波谐振器（FBAR）能够通过声流体效应产生局部范围内的高速微型涡漩。因此，千兆赫兹体声波声流体镊能够提供足够的拖拽力对微纳米粒子进行捕获和富集。然而，其中机理还没得到系统的分析验证，阻碍了高频声流体镊的发展和应用。

基于此，天津大学段学欣课题组从理论分析、三维建模仿真、粒子追踪实验三个方面对千兆赫兹声流体镊进行了系统的研究，揭示了粒子操控中关键的两种力（声流拖拽力和声辐射力）的相互平衡关系，为基于声流体镊的芯片实验室应用发展提供了基础指导。相关研究成果以“Manipulations of micro/nanoparticles using gigahertz acoustic streaming tweezers”为题，发表于Nanotechnology and Precision Engineering期刊上。

行波声流体镊工作原理

该研究提供了一个普适性好的开放式无接触声操控微纳粒子方法，该方法通过高频体声波谐振器在流体中生成声涡流场，使得粒子在其中主要受到声辐射力和斯托克斯拖拽力的作用进行运动。如图1所示，不同尺寸粒子在运动过程中受到不同程度的力。具体而言，由于尺寸越大，在靠近器件边缘时受到的声辐射力越大，越容易被推离原轨道到内部轨道，从而在实现对不同粒子的捕获时进行分离和富集。

图1 基于体行波的声流体镊示意图：（a）器件捕获粒子三维示意图；（b）行波在流体中的声辐射力分布图；（c）沿声涡流内侧运动的大粒子和沿声涡流外侧运动的小粒子。

体声波谐振器

该方法采用的薄膜体声波谐振器采用标准MEMS工艺技术制造，主要包含一个三明治压电结构和一个布拉格反射层结构。图2显示了一个制造完成的2.5GHz的薄膜体声波谐振器，其整体尺寸约为1mm × 1mm。  

图2 薄膜体声波谐振器：（a）在5角硬币上的薄膜体声波谐振器实物图；（b）谐振器SEM照片。

三维仿真

通过COMSOL多物理场仿真软件进行有限元分析可以详细得到声流场的速度分布。如图3所示，通过截取与x-z面平行的平面进行分析，可以充分得到不同区域时的声涡流速度分布：流体沿谐振区域加速进入振动中心，然后减速喷射出，最终沿轴对称形成涡漩。加入粒子进行进一步仿真。通过对粒子施加声辐射力和声流拖拽力，可以发现，随着粒子直径减小，其运动轨迹逐渐向外侧扩展延申（图4）。这是在粒子富集中，通过不同尺寸粒子所受声辐射力和声拖拽力平衡状态的不同，将它们分离在不同轨迹中。  



图3 声流体流场速度分布三维仿真结果：（a-e）与x-z面平行截面上的流场（距离：-200μm、-100μm、0、100μm、200 μm）；（f）x-z面上的速度场。  

图4 粒子富集仿真结果（功率：1mW）：（a）初始状态下随机分布的粒子；（b-e）10μm、5μm、1μm和0.3μm粒子运动轨迹，随着尺寸减小，轨迹逐渐向外扩展。

声涡流场

在三维仿真验证理论分析及方法可行性后，通过设计实验进行进一步验证和探究。通过从x-y和x-z平面对示踪粒子的实时观察，如图5所示，涡流场如仿真结果相匹配，最大速度与功率关系较为线性。  



图5 （a）x-y面上的声涡流（粒径：1μm，功率：1mW）；（b，d）PIV观测的侧向流场分布；（c）功率同最大速度之间的线性关系。  

粒子富集

在理论与仿真分析以及对声流体的实验观测基础上，声流体镊被设计用于不同尺寸粒子的富集。如图6所示，不同尺寸的散乱粒子（10μm-0.3μm）在1分钟内被声流体镊富集在了不同轨道上。因为尺寸越小越不容易被推离原轨道，因此小尺寸粒子所占轨道越向外扩展，而大尺寸粒子则被推到内部轨道，从而在实现捕获的同时进行分离和富集。至此，该研究提出了一种简单有效的三维声流体镊用于微纳米粒子的操控，通过理论、仿真与实验进行了证明阐述，为其在多种生物系统中的应用发展奠定了基础。  

图6 声流体镊实现的粒子富集：随着粒子尺寸的减小（a: 10μm；b：5μm；c：1μm；d：300nm），粒子富集轨迹逐渐向外扩展。

审核编辑：刘清