利用横向换能器模式的声流体颗粒捕获技术

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引言

声流体技术通过声波操控流体中的颗粒，在医疗、生物和制药应用中具有广泛应用前景。这种非接触方法仅依赖机械特性，无需对样品进行特殊的物理或化学处理。本文介绍创新的声流体颗粒捕获方法，该方法在结构化微通道中使用横向换能器模式[1]。

图1：器件概述，显示了一个结构化微通道的微流体芯片，底部连接两个PZT换能器。蓝色箭头表示换能器横向模式的振动方向。

器件设计和工作原理

系统的核心是使用标准微加工技术制造的硅基微流体芯片。通道通常宽400μm，高100μm，上面覆盖700μm厚的玻璃盖。该设计的独特之处在于沿通道集成了直径从1.00到2.00mm的圆形腔体，作为颗粒捕获的共振结构。

图2：(a)硅/玻璃微流体芯片安装在定制芯片支架上的俯视图和(b)底视图，具有集成的流体连接。使用甘油作为耦合介质将两个PZT板换能器夹在芯片上进行声学激励。(c)显示了流体连接的细节。

激励由两个固定在芯片底部的压电(PZT)板换能器提供。这些换能器尺寸为9×6×1mm，相对彼此旋转90°安装。这种配置能够在通道和腔体的两个横向方向产生驻波。换能器在其二次横向延伸共振频率约550kHz下工作，而不是约2MHz的厚度共振频率。

颗粒操控机理

颗粒操控的主要力是声辐射力（Frad）。对于远小于声波波长的颗粒，该力可以表示为：

其中a是颗粒半径，Φ是声对比因子，k是波数，Eac是声能密度。这些参数共同决定了系统的捕获性能。

图3：在1.5mm直径腔体中20μm聚苯乙烯球的捕获序列。(a)初始均匀分布(b)换能器激活后的聚焦形成(c)颗粒团簇生长(d)稳态团簇(e)停止激活后团簇溶解(f)换能器配置。

实验结果

颗粒捕获性能

系统展示了出色的颗粒捕获能力。使用20μm聚苯乙烯(PS)微球，器件实现圆形腔体中的二维单节点捕获，能够抵抗高达2.5mm/s的流速。系统具有约150ms的聚焦时间，430 J/m³的声能密度，以及0.42-1.7 nN的捕获力。这些性能指标展示了系统在精确颗粒操控方面的优势。

图4：颗粒捕获的宏观视图。(a)换能器激活前(b)连续流动下形成大颗粒团簇。

生物细胞操控

系统已成功用于生物样品测试，特别是人胚肾(HEK293)细胞。实验表明，该器件能在几秒内捕获和浓缩数千个细胞，适合各种生物医学应用。在施加流动条件下，系统可在11nL体积内收集约5000-7000个细胞，展现了良好的生物样品处理能力。

图5：1.5mm腔体中HEK293细胞捕获序列。(a)初始分布(b)活细胞快速聚焦(c)流动条件下细胞团簇形成(d)清洗流完全去除。

图6：显示腔体之间的20μm PS颗粒在节点平面的多重捕获模式。在不同频率下形成各种共振模式，展示了系统的多功能性。

图7：使用正交驻波的二维捕获演示。(a-e)显示了从初始分布到流动条件下捕获颗粒团簇的过程。(f)显示了双换能器配置。

应用与展望

该声流体捕获系统在生物研究、医学应用和环境监测等领域具有广泛应用价值。在生物研究方面，可用于细胞富集和浓缩、有序细胞模式形成、细胞间相互作用研究和类器官开发。在医学应用领域，可进行药物筛选、单一生物体研究和诊断工具开发。环境监测方面则可用于水样中微塑料检测、微生物分析和传感用途的颗粒浓缩。系统能够处理较大体积（高达35nL）并同时捕获数千个颗粒，特别适合需要高通量分析或操控较大生物结构的应用。

结论

利用横向换能器模式进行声流体颗粒捕获提供了稳健且多功能的颗粒操控平台。与传统厚度模式器件相比，虽然工作频率较低，但能实现相当的捕获力，同时处理更大体积。这使其特别适合需要操控大量颗粒或较大生物结构的应用。系统已证明能够捕获合成颗粒和生物细胞，加上设计和操作简单，使其在生物技术和医学诊断等领域具有良好的应用潜力。