深圳先進(jìn)院開(kāi)發(fā)出新型微尺度細(xì)胞操控全息聲鑷
聲鑷作為一種聲學(xué)操控技術(shù),在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有極大的潛力和廣泛的應(yīng)用前景。它不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微小物體、生物顆粒和液滴的高效操控,而且在材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的價(jià)值。聲表面波具有能量局域的特點(diǎn),得到了廣泛的關(guān)注。聲表面波作為固體彈性波,其傳播依靠固體媒介的介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng),然而,壓電基底一般呈現(xiàn)各向異性物理特性,這將引起表面波在不同傳播方向存在明顯差異,導(dǎo)致聲能量偏轉(zhuǎn),嚴(yán)重影響表面波器件性能。
近日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院孟龍研究員等提出了一種全息聲表面波換能器的設(shè)計(jì)方法。該方法考慮了壓電單晶各向異性引起的能量偏轉(zhuǎn),可以有效地調(diào)控波矢與能流的方向。通過(guò)構(gòu)建陣列聲表面波換能器,表征了壓電單晶的表面相速度分布曲線、能流角偏轉(zhuǎn)和各向異性物理參數(shù)等物理量。采用離散化弧形金屬電極的方法,優(yōu)化設(shè)計(jì)金屬指條的空間分布方式,成功制備了全息聲表面波換能器,有效地抑制了聲波的衍射效應(yīng)。
進(jìn)一步,在設(shè)計(jì)的聚焦位置處(10 ),構(gòu)建了半高寬為78.2 m的表面波聚焦聲場(chǎng),與傳統(tǒng)方法相比,這一方法將焦斑尺寸減少了36%。此外,利用全息換能器的設(shè)計(jì)策略,實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同粒徑顆粒(2 m和5 m)、細(xì)胞的選擇性分選。與傳統(tǒng)方式的表面波換能器相比,全息換能器能夠?qū)?/span>5 m顆粒產(chǎn)生顯著的側(cè)向位移,實(shí)現(xiàn)高效、高通量的分選。另外,該全息換能器在較低輸入能量下,能夠成功驅(qū)動(dòng)0.2 L微液滴產(chǎn)生毫米級(jí)的形變。結(jié)果表明基于各向異性相速度設(shè)計(jì)的全息換能器對(duì)于表面波聲場(chǎng)性能優(yōu)化具有重要意義,全息聲鑷為生物細(xì)胞操控、微液滴分選和超聲霧化給藥等應(yīng)用提供全新平臺(tái)。
相關(guān)成果以Holographic surface-acoustic-wave tweezers for functional manipulation of solid or liquid objects為題發(fā)表在Physical Review Applied上。中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院李鵬奇博士為論文第一作者,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院鄭海榮、孟龍研究員為本文的通訊作者。該研究獲得了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

傳統(tǒng)方式和全息叉指換能器的示意圖和功能應(yīng)用的效果圖
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