方法文章

双频激励下利用驻波表面声波操控微粒

DOI：

10.3791/58085

⸱

2018年8月21日

 , 
1School of Mechanical and Aerospace Engineering, Nanyang Technological University

本文内容

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

介绍了一种利用双频激励在微流控通道中操控微粒的实验方案。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

我们展示了一种在芯片实验室（lab-on-a-chip, LOC）系统中增强用于微粒操控的驻波表面声波（standing surface acoustic wave, SSAW）调谐能力的方法。通过对一对叉指换能器（interdigital transducers, IDTs）同时激发基频及其第三谐波（称为双频激励），可在微流体通道中产生一种新型的驻波声场。通过调节双频激励信号的功率和相位，可实现作用于微通道内微粒的声辐射力场的动态重构。例如，压力节点的数量和位置以及相应压力节点处的微粒浓度）。本文表明，当基频功率比大于约90%时，微粒向单一压力节点运动的时间可减少约2倍。相比之下，当功率比低于该阈值时，微通道内会出现三个压力节点。此外，调节基频与第三谐波之间的初始相位差，可导致三个声表面波（SSAW）压力节点的运动速率不同，并影响微通道中各压力节点处微粒所占的百分比。实验观察结果与数值模拟预测具有良好一致性。这种新型激励方法可轻松、无创地集成到芯片实验室（LOC）系统中，具有广泛的可调谐性，且仅需对实验装置进行少量改动。

引言

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

LOC技术将生物学、化学、生物物理学和生物医学过程中的一个或多个功能集成于微芯片上。LOC可实现亚毫米尺度的实验室装置，具有反应速率快、响应时间短、过程控制精度高、试剂消耗量低（减少废料、降低试剂成本、所需样本量更少）、因并行化而实现高通量、未来大规模生产成本低且可制成经济的一次性耗材、在化学、放射性或生物学研究中具有高安全性，以及设备紧凑便携等优势。1,2精确的细胞操作即，积累与分离）在基于实验室芯片（LOC）的分析与诊断中至关重要3,4然而，微粒操控的准确性和可重复性面临多种挑战。许多技术，例如电渗现象5，介电泳（DEP）6，磁泳7，热泳8,9一种光学方法10一种光电方法11一种流体动力学方法12，以及声泳13,14,15已开发出多种方法。相比之下，声学方法适用于芯片实验室（LOC）应用，因为从理论上讲，只要微粒/细胞与周围流体之间具有足够高的密度和可压缩性对比度，便可实现对多种类型的微粒/细胞进行高效且非侵入性的操控。因此，与其他方法相比，声学方法本质上适用于绝大多数微粒和生物样本，无论其光学、电学和磁学特性如何。16.

来自叉指换能器（IDTs）的表面声波（SAWs）主要在压电基底表面传播，传播深度约为几个波长，随后根据斯涅尔定律（Snell's law）以瑞利角（Rayleigh angle）向微通道内的流体中泄漏17,18,19,20,21,22。由于能量高度局域于表面，SAWs 具有较高的表面能量利用效率，同时在高频下具备良好的设计灵活性，可通过微电子机械系统（MEMS）技术实现与微流控通道的良好系统集成和小型化，并具有大规模生产的潜力23。在本实验方案中，SAWs 由一对相同的 IDTs 产生，并以相反方向传播，从而在微通道内形成驻波，即 SSAW，悬浮的微粒主要在声辐射力的作用下被推向声压节点24。该合力的幅值由激励频率、微粒尺寸及其声学对比因子决定22,25。

这种声致迁移技术存在操控模式预先设定且不易调节的局限性。叉指换能器（IDTs）的激励频率由其周期性间距决定，因此带宽非常有限。已有多种策略被开发出来以增强可调谐性和操控能力。在微通道的不同区域施加声驻波的第一和第二模式，可根据微粒向波节线移动速度的不同更有效地实现分离26。这两种模式也可交替应用于整个微通道并进行切换27,28,29。然而，这种方法需要大量设备（即，三个函数发生器、两个阻抗匹配单元和一个电磁继电器），由于压电陶瓷板在基频和三次谐波频率下的电学阻抗不同，导致实验装置的成本增加且控制复杂度升高30。此外，倾斜指状叉指换能器（SFITs）可通过激励特定数量的倾斜电极以实现某一共振，从而调节细胞和微粒的排列模式20,31。但此时，带宽与倾斜电极的数量成反比。与传统基于SSAW的微粒分离器中的单个波节线相比，多个声压波节线具有更高的分离效率和灵敏度。另一种方法是，通过简单调节施加到两个IDTs上的相位差，即可改变声压节点的位置32,33。

叉指换能器（IDT）的基频与三阶谐波具有相似的频率响应，因此可同时被激发，从而为微粒操控提供更多可调性34。与传统的单频IDT激发相比，调节双频激发的声压及其相位差可带来技术上的独特优势，例如将微粒运动至压力波节线或微通道中心的时间最多缩短约2倍，改变压力波节线的数量和位置，以及实现微粒的浓度调控。

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方案

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. 微流控通道的制备

  1. 按10:1的比例将聚二甲基硅氧烷（PDMS）与弹性体基质混合。
  2. 将混合物在真空烘箱中脱气，然后浇注到表面带有负性光刻胶图案的硅片上。
  3. 再次对带有图案的硅片进行脱气处理，并在培养箱中于70 °C加热3小时以使其固化。

2. 叉指换能器的制备

  1. 在 LiNbO3 晶圆上沉积 20 nm 的 Cr 和 400 nm 的 Al；在塑料光刻掩模上通过在基底上涂覆正性光刻胶，图形化制备 20 条宽度为 150 µm、通光孔径为 2 cm 的条带。
  2. 用丙酮去除未曝光区域的 Cr-Al 层。
  3. 以氮气与氧气比例为 2:1 的氧等离子体，在 30 W 功率下处理其表面 60 秒。
  4. 对准 PDMS 微通道，并用拇指按压数秒钟，将其键合至 LiNbO3 基底上。
  5. 将集成器件置于 60 °C 的加热腔中 3 小时。

3. 双频激发

  1. 同时施加两个频率成分（f1 和 f3，分别为所制备的IDT的基频及其三阶谐波，具有相位差 φ 在它们与一对IDT之间，使得所产生的SAW可表示如下。
    Wave interference equation, p(t)=p₁sin(2πf₁t)+p₂sin(2πf₂t+φ); sinusoidal analysis formula.
    此处，
    historical trade routes diagram with labeled points. 和 Static equilibrium; ΣFx=0, ΣFy=0 equations diagram; force balance analysis; physics study = 声压。
  2. 使用双频波形合成 公式编辑器 以100 MS/s的采样频率使用ArbExpress应用程序软件采集信号，然后将其存储至函数发生器中，作为实验中SAW激励的任意输入信号 通过 USB线缆
  3. 改变基频功率与总发射功率的比值 Probability formula P1; statistical equation; educational math concept. 从100%（在纯基频处激发）到0%（在纯三倍频处激发）；为了进行有效比较，改变激发频率但保持总功率不变。
  4. 改变双频激励的相位差，范围从0°到360°。

4. 数值模拟

  1. 将低雷诺数（即，Re = 0.55）和低马赫数下的不可压缩层流运动描述如下35。
    流体动力学；纳维-斯托克斯方程；数学公式；不可压缩流动分析。
    连续性方程：ρ₀∇·ū=0，表示流体动力学中的质量守恒。
    其中，
    静力平衡方程 ΣFx=0 示意图，包含力矢量，用于说明平衡原理。 = 流体速度，
    静力平衡方程 ΣFx=0 示意图，方法分析，机械系统设置 = 动力粘度，
    静力平衡方程 ΣFx=0，示意图含力矢量，用于平衡计算 = 流体密度，
    静力平衡，ΣFx=0，ΣFy=0，示意图，显示机械系统中的力平衡。 = 流体上的压力，
    光谱学符号 "I"，表示光强，常见于光学测量示意图。 = 单位矩阵，且
    静力平衡方程示意图中的力矢量符号 \( \vec{F} \)，ΣF=0，物理概念。 = 外力。
  2. 将作用在物体上的斯托克斯阻力描述如下36。
    斯托克斯定律阻力方程，流体动力学公式，物理示意图。
    其中，
    色谱装置，纸色谱法，示意图，分离过程分析。 = 微粒的半径，
    流体速度公式；流体动力学分析中的符号表示。 = 流体速度，且
    微粒速度公式，v_particle；物理方程中的概念 = 微粒的速度。
  3. 推导单频激励下沿微通道 x 轴方向（横跨微通道宽度）作用于微粒的声辐射力，如下所示16。
    声辐射力方程，展示辐射压力公式及其正弦依赖关系。
    其中，
    色谱系统示意图，显示DNA分离过程，含用于分析的V<sub>p</sub>方程。 = 微粒的体积，
    静力平衡公式 ρₚ；用于计算密度的方程；教学示意图。 = 微粒的密度，
    ρ-subscript-m 符号，表示物理方程中的密度，用于静力平衡分析。 = 介质的密度，
    β_p 符号的压缩性公式；回归分析中的统计显著性。 = 微粒的压缩性，且
    β sub m 方程；数学符号；用于物理或工程研究的教学用途。 = 介质的压缩性。
  4. 将双频激励下的合成声辐射力推导如下。
    辐射力方程；数学表达式显示正弦分量；物理学。
  5. 根据牛顿第二定律，将受声辐射力和斯托克斯阻力共同作用下的横向运动（沿通道宽度方向，即 y 轴方向）表示如下。
    包含力的运动微分方程，显示加速度，适用于物理分析。
  6. 使用四阶龙格-库塔法在个人计算机上求解上述常微分方程（ODEs）。将时间步长和总时长分别设为 1 µs 和 20 s。

5. 实验观察

  1. 每次测试前，将浓度为每1 mL含有5.9 × 107个4 µm绿色荧光聚苯乙烯微球的溶液涡旋震荡约2 - 3分钟，随后置于超声波清洗仪中处理10分钟，以破坏任何可能的团聚现象。
  2. 将混合液装入3 mL注射器中，然后通过注射泵以3 - 5 µL/min的流速驱动。
  3. 由信号发生器输出双频信号，经功率放大器放大后驱动IDT。
  4. 在光学显微镜下以40倍放大观察下游微通道中稳定的微粒，并用数码相机记录图像。
  5. 利用ImageJ软件和已知标尺测量所捕获数字图像中微粒聚集位置，并通过各压力节点处归一化的荧光亮度定量测定聚集微粒的浓度。

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结果

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

在双频激励（6.2 和 18.6 MHz）下，SSAW 的声压分布和声辐射力分布如图1所示。此处，双频激励作用于微通道中直径为 4 µm 的聚苯乙烯微粒，微通道宽度为 300 µm，声功率为 146 mW。当P1 > 90% 时，合成声压始终同相，因此仅在y = 150 µm 处存在一个压力节点。相比之下，在P1 = 90% 时，压力节点出现在y = 75、150 和 225 µm 处；在P1 = 0% 时，压力节点位于y = 50、150 和 250 µm 处。该P1 = 90% 的阈值在所有测试条件下几乎保持恒定，测试条件包括微粒直径为 4 - 10 µm、总声功率为 73 - 648 mW，以及驱动频率为 6.2 - 18.6 MHz。

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讨论

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本研究深入探讨了在双频激励下表面声波（SSAW）作用时微通道中微粒的运动行为，并开发和测试了一种通过调节双频激励信号实现有效可调图案化的方法。此类波形的产生可由大多数函数发生器轻松实现，调节方法十分便捷。两种12- 和 S11所制备的叉指换能器（IDTs）的频率响应显示出多个共振模式34测得的基频为6.1 MHz，三次谐波为17.8 MHz，与设计值（6.2 MHz和18.6 MHz）接近，且具有相似的传输系数-8.34 dB。 与 -9.75 dB。因此，在单个IDT的双频激励下，这两个组分的声学能量输出预计相近。这种组分组合不仅限于 f1 和 f3。其他如 f1 和 f5，以及 f3 和 f5，也同样适用。尽管压电陶瓷也能产生体声波的不同谐波，但无法同时激发这些谐波。切换声场可增强微粒的分...

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披露

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本工作由新加坡教育部学术研究基金（AcRF）第一层次（RG171/15）资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
聚二甲基硅氧烷Dow CorningSylgard 184
聚二甲基硅氧烷弹性体基底Dow CorningSylgard 184
硅晶圆Bonda TechnologySI8PSPD
负性光刻胶MicrochemSU-8
双面抛光 LiNbO3 晶圆University WaferY-128°
正性光刻胶Nicolaus-Otto-StraßeAZ 9260
氧气等离子体Harrick Plasma
塑料掩模Infinite Graphics

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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