本技术介绍了一种利用数字微流控技术实现动态声场调制与微粒操控的装置,主要由溶液槽、数字微流控系统和体声波谐振器组成。该系统能够动态调整由体声波谐振器产生的声波,实现对微粒的精确操控。
背景技术
声学操控具有非接触和远程操作的优势,它的应用领域十分广泛,包括药物输送、细胞筛选、体外诊断等。超声波粒子操纵系统的主要部件是超声波换能器,它将电能转换为机械振动,可以在流体介质中产生声波。当声波与流体介质相互作用时,会产生两种力:声流诱导力(ASF)和声辐射力(ARF)。
声流是由声波的粘性衰减形成的稳定流体流动。声波在流体中传播时,流体体积单元的状态由压力和速度的波动来表征。在理想流体中,流体单元位移的时间平均值,即流体的净流量,在任何地方都为零。然而,在实际流体中,粘性衰减会导致流体单元在每个振荡周期中的净位移不为零。这种局部效应导致在全局范围内形成流动,从而产生声流。
声辐射力的产生是由于波动动量在衰减介质中传递至吸收或散射物体所致。其产生机制包括声能的耗散、入射波的反射、压缩波速的梯度变化,以及驻波中能量密度的空间不均匀性。
超声波可以对微粒施加声辐射力直接操作,也可以通过声压场驱动产生声流,间接带动粒子运动。粒子在流体中运动时还会受到粘性阻力的作用。ARF 与粒子半径的立方成正比,而 ASF 与粒子半径成正比。因此,随着颗粒半径的减小,ARF 的减小速度比 ASF快。在亚微米尺度上,ASF 开始在粒子运动中发挥主导作用。
借助于声辐射力的作用,悬浮细胞可以根据其可压缩性和密度特性被主动引导并精确布置在波节或波腹上。通过改变频率或相位,这些细胞图案可以保持固定或动态重构。例如, Armstrong等人利用声波使水凝胶内的成肌细胞排列,从而形成具有排列成束肌管的肌肉组织。这些声学排列的高密度组织结构更好地复制了天然肌肉组织中的结构,并表现出各向异性拉伸力学性质。声学操作与微流控系统结合,还可以实现不同种类或者不同大小的细胞的分拣。
借助声学超表面可以对体声波声场进行调制。通过设计和制造物理微结构,可以有效地控制声波的反射、吸收、透射等行为,实现声波的定向传输、能量汇聚、超声粒子悬浮等效果。例如,通过声全息透镜聚焦超声,可以经颅聚焦超声,进行非侵入式深脑神经调节。Kai Melde等人通过正交布置三个体声波谐振器和三个声学超表面的组合,可以产生三维的全息声场,进行微粒以及细胞的三维图案化。
上述用声学超表面进行声场调制的方式,或者通过布置多个声学器件产生声学驻波的形式,已经可以做到微粒和细胞的图案化布置。但是这种技术基本都是产生静态的调制声场,或者仅仅生成有规律的线条状或者点状的阵列图案。声场变化,还需要重新设计和制造不同的超表面结构。因此,声场的实时动态调制可以赋予声学操作更多的灵活性,具有更广阔的应用前景。
实现思路