声表面波的应用及优势

声表面波（SAW）被用来精确地操纵微通道内或压电基板室流体中的微小物体。由于声表面波的声功率强度和频率与超声成像中使用的声表面波相似，因此声表面波的操作与活细胞和其他生物体兼容，这已被证明是安全的。基于声表面波的设备可以对不同形状、不同类型具有机械、电学、磁性和光学等特性的粒子进行操作。声表面波法是一种非接触式方法，利用产生的声压/压力来操纵微粒，从而避免了样品的污染并使其在原始环境中能保持其生物特性。由于其尺寸较小，声表面波操作涉及的功耗和成本相对较低。此外，为基于SAW设备的IDT供电的射频信号可以与其他可编程微流体和传感技术轻松集成，从而为芯片的实验室应用开辟控制策略。因为它们的工作频率很高，所以基于SAW的设备能够快速有效地操纵微粒。我们使用两对正交的IDT形成了二维的细胞与微粒的图案。

然而，迄今为止，利用SSAW在三维空间中操纵微粒的应用还相当有限。有一份关于使用“3D声学镊子”将微粒捕获到节点的报告，这是通过垂直于每个节点定位两对IDT而产生的。可以通过改变相对IDT对的相对相位来水平平移这些捕获节点。因此，在节点处捕获的微粒也相应地被传输。通过增加施加到IDT的输入功率，可以使被捕获的微粒悬浮。然而，这种技术的垂直操作范围非常有限（约为100μm）。对于较高的腔室，来自顶壁的声波的反射会改变其中的声场。因此，腔室中微粒的垂直分布不同于基于上述“3D声学镊子”模型预测的微粒的分布。

迄今为止，还没有研究探索使用SSAW在毫米级尺度的腔室中操纵和分布微粒。本文通过选择合适的微室几何形状和声学频率，研究了聚苯乙烯微粒子在1 mm高的腔内的三维运动以及RF功率的影响。我们还使用了一个简化的数值模型来研究声表面波声场以及微粒在声辐射力下的运动。我们提出的操作方法可以广泛应用于构建与生物对象和神经元细胞的人工神经元网络相关的大规模结构，而不损害它们。它还可以在声流体学和芯片技术中得到广泛的应用。

在实验工作中，由于PDMS室是透明的，因此光源发出的光可以通过该室到达棱镜，在那里它被弯曲90°，朝向显微镜透镜（见图152.4（a））。图152.4（b）～152.4（d）显示了在打开射频信号后，腔体中10μm微粒沿x、y和z方向的不同视图。结合这3个视图，结果清晰地表明，微粒聚集成三维线，从上到下均匀分布，在x方向也是均匀分布的。在垂直方向上，在两条相邻线之间有14条距离为60μm的微粒子平行线，这个距离可以用λ=v/f近似计算，其中λ是垂直方向的波长，v是水中的声速（1502 m/s），f是工作频率（13.32 MHz）。在水平平面上，相邻两条线之间的距离为150 μm，是波长的一半。因此，在1500 μm的腔长上有10条线。当输入功率为3500 mW时，4.5 s后微粒与节点完全对齐。显然，实验和数值结果在层数和相邻线之间的距离上是一致的。对于微粒轨道，将微粒移动到垂直线上，然后分层，这与图152.4（c）中的观察结果吻合。此外，我们还沿y轴在不同焦距下连续拍摄图像，获得了这些三维线的三维图像。根据实验观察，声辐射力是继重力和浮力作用后，作用于微粒的最重要的力。

当两个正交的IDT对同时提供信号时，微粒子在节点处聚集形成二维水平图形。由于两条正交压力线的交点形成一个压力节点，在双向声辐射力作用下，微粒子形成二维矩阵图形。此项工作中使用的棱镜使我们能够从侧面观察到室中微粒的分布情况，图152.4（f）和（g）分别显示了当两对IDT提供RF电源时，腔室的侧面视图和垂直视图。因此，微粒不仅聚集到二维图形的节点上，还形成类似于晶格的三维结构，如图152.4（e）所示。这种三维结构的均匀性受到以下三方面的影响：

图152.4　（a）基于声表面波叉指换能器设备操控微粒工作原理图；

（b）～（d）获得的信号示例；（e）～（g）二维水平图获取原理和示例(www.xing528.com)

（1）节点处微粒聚集的影响（这可能导致重量增加，并落到聚集的底部）；

（2）RF信号中的任何不稳定性影响；

（3）腔室形状的任何畸变的影响。

使用较小的微粒（1μm尺寸）显著降低了声辐射力，于是三维图案完全消失。相反，观察到显著的声流，其导致腔室内的闭环流动。

（记录人：吴勉　审核：王鸣魁）