Name: 双频激励下驻面声波的微粒操纵 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-08-21T14:30:00.000+00:00
Duration: 6 min 51 s
Description: 学习利用双频激励驻面声波在微流控芯片中操纵微粒的技术。该方法通过调节功率比实现微粒的可控分选，为生物医学工程领域的芯片实验室应用提供了快速灵活的解决方案。

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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。

1. 微流控通道的制备
<ol>
	<li>按10:1的比例将聚二甲基硅氧烷（PDMS）与弹性体基质混合。</li>
	<li>将混合物在真空烘箱中脱气，然后浇注在顶部带有负性光刻胶图案的硅片上。</li>
	<li>再次对带有图案的硅片进行脱气，并在培养箱中于70 °C加热3小时以固化。</li>
</ol>
2. 叉指换能器的制备
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>用丙酮去除未曝光区域的 Cr-Al 层。</li>
	<li>以 30 W 的功率，使用氧等离子体（氮气与氧气比例为 2:1）处理其表面 60 秒。</li>
	<li>对准 PDMS 微通道，并用拇指按压数秒钟，将其键合至 LiNbO3 基底上。</li>
	<li>将集成器件置于 60 °C 的加热腔中 3 小时。</li>
</ol>
3. 双频激发
<ol>
	<li>同时施加两个频率成分（f1 和 f3，分别为所制备的IDT的基本频率及其三阶谐波）之间的相位差 φ 在它们与IDT对之间，使得所产生的SAW可表示如下。 
	<img alt="数学叠加方程：频率成分的谐波分析公式示意图" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 1"> 
	此处， 
	<img alt="静力平衡，ΣFx=0，ΣFy=0 方程，图示说明力的平衡原理。" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 2"> 和 <img alt="静力平衡，ΣFx=0 方程，示意图；用于说明力的平衡，适用于教学" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 3"> 声压。</li>
	<li>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</li>
	<li>改变基频功率与总发射功率的比值 <img alt="概率方程 P1，静态分析，示意图，用于说明数学公式。" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 4"> 从100%（在纯基频处激发）到0%（在纯三次谐波处激发）；为了进行有效比较，改变激发频率但保持总功率不变。</li>
	<li>改变双频激励的相位差 0° 到 360°.</li>
</ol>
4. 数值模拟
<ol>
	<li>用以下方程描述低雷诺数（即，Re = 0.55）和低马赫数下的不可压缩层流运动35。 
	<img alt="纳维-斯托克斯方程，流体动力学，方程，流体流动的数学建模。" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 5"> 
	<img alt="静力平衡原理，方程 ρ₀∇·(u̅)=0，矢量场散度，连续性方程。" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 6"> 
	其中， 
	<img alt="静力平衡 ΣFx=0 ΣFy=0 Στ=0 矢量图 力学分析 物理原理。" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq7.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 7"> = 流体速度， 
	<img alt="静力平衡，ΣFx=0 图示，力学中力的平衡示意图，教学用途。" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq8.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 8"> = 动力黏度， 
	<img alt="静力平衡，公式 ρ₀，方程图示，教学物理概念，密度分析。" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq9.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 9"> = 流体密度， 
	<img alt="抛体运动方程，p(t)=mv 图示；轨迹分析，速度，角度影响研究。" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq10.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 10"> = 流体所受压力， 
	<img alt="光谱学装置；光学激发方法；方程：I(λ)；发射分析结果图示。" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq11.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 11"> = 单位矩阵，以及 
	<img alt="静力平衡方程中的矢量力符号 \( \vec{F} \)。" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq12.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 12"> = 外力。</li>
	<li>如下所述描述物体所受的斯托克斯阻力36。 
	<img alt="阻力方程，\( F_D=6\pi\mu r(v_{\text{fluid}}-v_{\text{particle}}) \)，用于流体动力学分析。" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq13.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 13"> 
	其中， 
	<img alt="色谱图；蛋白质分离，色谱图，分析；光谱方法。" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq14.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 14"> = 微粒半径， 
	<img alt="流体速度符号 \(v_{fluid}\)，流体动力学方程中的科学记号。" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq15.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 15"> = 流体速度，以及 
	<img alt="微粒速度，v_particle，方程；物理公式；教学用途；科学研究。" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq16.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 16"> = 微粒速度。</li>
	<li>推导在单频激励下，沿 x 轴方向（横跨微通道宽度）作用于微通道内微粒的声辐射力，如下所示16。 
	<img alt="静力平衡方程；Frad 含变量，正弦函数；物理公式。" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq17.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 17"> 
	其中， 
	<img alt="Vp 符号，物理图示中的静力平衡方程，ΣF=0 原理示意图。" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq18.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 18"> = 微粒体积， 
	<img alt="ρ&lt;sub&gt;p&lt;/sub&gt; 符号，流体动力学或密度计算分析中的方程表示。" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq19.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 19"> = 微粒密度， 
	<img alt="静力平衡，ρ_m 符号，物理方程，平衡分析。" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq20.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 20"> = 介质密度， 
	<img alt="β_p 符号在静力平衡方程中，物理研究与教育用概念图示。" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq21.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 21"> = 微粒的可压缩性，以及 
	<img alt="Beta 符号 βm 方程，静力平衡概念，教学图示" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq22.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 22"> = 介质的可压缩性。</li>
	<li>如下推导双频激励下的合成声辐射力。 
	<img alt="辐射力公式；方程；静力平衡分析；数理物理方程。" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq23.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 23"></li>
	<li>根据牛顿第二定律，如下表达在声辐射力和斯托克斯阻力共同作用下，沿通道宽度方向（y 轴方向）的横向运动。 
	<img alt="质量-弹簧系统公式，m(d²y/dt²)=Fr(y,t)+FD(y,t)，微分方程，动力学。" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq24.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 24"></li>
	<li>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（ODE）。将时间步长和总时长分别设为 1 µs 和 20 s。</li>
</ol>
5. 实验观察
<ol>
	<li>每次测试前，将浓度为 5.9 × 107 个/mL、含 4 µm 绿色荧光聚苯乙烯微球的溶液涡旋振荡约 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。</li>
	<li>将混合液装入 3 mL 注射器中，并使用注射泵以 3 - 5 µL/min 的流速驱动液体流动。</li>
	<li>通过函数发生器输出双频信号，并经功率放大器放大后驱动叉指换能器（IDT）。</li>
	<li>在光学显微镜下以 40 倍放大倍数观察下游微通道中稳定的微颗粒分布，并用数字相机记录图像。</li>
	<li>利用 ImageJ 软件结合已知比例尺测量所捕获数字图像中微颗粒聚集位置，并通过各压力节点处归一化的荧光亮度定量确定聚集微颗粒的浓度。</li>
</ol>

<ol><li>Chin, C. D., Linder, V., Sia, S. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Commercialization+of+microfluidic+point-of-care+diagnostic+devices%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Commercialization of microfluidic point-of-care diagnostic devices.</a> Lab on a Chip. 12 (12), 2118-2134 (2012).</li>
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<li>den Toonder, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Circulating+tumor+cells%3A+the+Grand+Challenge%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Circulating tumor cells: the Grand Challenge.</a> Lab on a Chip. 11 (3), 375-377 (2011).</li>
<li>Yu, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advances+of+lab-on-a-chip+in+isolation%2C+detection+and+post-processing+of+circulating+tumour+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Advances of lab-on-a-chip in isolation, detection and post-processing of circulating tumour cells.</a> Lab on a Chip. 13 (16), 3163-3182 (2013).</li>
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<li>Yamada, M., Seki, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrodynamic+filtration+for+on-chip+particle+concentration+and+classification+utilizing+microfluidics%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Hydrodynamic filtration for on-chip particle concentration and classification utilizing microfluidics.</a> Lab on a Chip. 5 (11), 1233-1239 (2005).</li>
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<li>Lin, S. -C. S., Mao, X., Huang, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+acoustic+wave+%28SAW%29+acoustophoresis%3A+now+and+beyond%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Surface acoustic wave (SAW) acoustophoresis: now and beyond.</a> Lab on a Chip. 12 (16), 2766-2770 (2012).</li>
<li>Petersson, F., Åberg, L., Swärd-Nilsson, A. -M., Laurell, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Free+flow+acoustophoresis%3A+microfluidic-based+mode+of+particle+and+cell+separation%5BTitle%5D)+AND+%22Analytical+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Free flow acoustophoresis: microfluidic-based mode of particle and cell separation.</a> Analytical Chemistry. 79 (14), 5117-5123 (2007).</li>
<li>Ding, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On-chip+manipulation+of+single+microparticles%2C+cells%2C+and+organisms+using+surface+acoustic+waves%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">On-chip manipulation of single microparticles, cells, and organisms using surface acoustic waves.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 109 (28), 11105-11109 (2012).</li>
<li>Friend, J., Yeo, L. Y. <a target="_blank" href="https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.83.647">Microscale acoustofluidics: Microfluidics driven via acoustics and ultrasonics.</a> Reviews of Modern Physics. 83 (2), 647(2011).</li>
<li>Destgeer, G., Lee, K. H., Jung, J. H., Alazzam, A., Sung, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Continuous+separation+of+particles+in+a+PDMS+microfluidic+channel+via+travelling+surface+acoustic+waves+%28TSAW%29%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Continuous separation of particles in a PDMS microfluidic channel via travelling surface acoustic waves (TSAW).</a> Lab on a Chip. 13 (21), 4210-4216 (2013).</li>
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<li>Glynne-Jones, P., Hill, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Acoustofluidics+23%3A+acoustic+manipulation+combined+with+other+force+fields%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Acoustofluidics 23: acoustic manipulation combined with other force fields.</a> Lab on a Chip. 13 (6), 1003-1010 (2013).</li>
<li>Winkler, A., Brünig, R., Faust, C., Weser, R., Schmidt, H. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924424716302916">Towards efficient surface acoustic wave (SAW)-based microfluidic actuators.</a> Sensors and Actuators A: Physical. 247, 259-268 (2016).</li>
<li>Chen, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Standing+surface+acoustic+wave+%28SSAW%29-based+microfluidic+cytometer%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Standing surface acoustic wave (SSAW)-based microfluidic cytometer.</a> Lab on a Chip. 14, 916-923 (2014).</li>
<li>Devendran, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+importance+of+travelling+wave+components+in+standing+surface+acoustic+wave+%28SSAW%29+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">The importance of travelling wave components in standing surface acoustic wave (SSAW) systems.</a> Lab on a Chip. 16, 3756-3766 (2016).</li>
<li>Destgeer, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Submicron+separation+of+microspheres+via+travelling+surface+acoustic+waves%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Submicron separation of microspheres via travelling surface acoustic waves.</a> Lab on a Chip. 14, 4665-4672 (2014).</li>
<li>Ding, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Standing+surface+acoustic+wave+%28SSAW%29+based+multichannel+cell+sorting%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Standing surface acoustic wave (SSAW) based multichannel cell sorting.</a> Lab on a Chip. 12, 4228-4231 (2012).</li>
<li>Chen, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Continuous+enrichment+of+low-abundance+cell+samples+using+standing+surface+acoustic+waves+%28SSAW%29%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Continuous enrichment of low-abundance cell samples using standing surface acoustic waves (SSAW).</a> Lab on a Chip. 14, 924-930 (2014).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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...

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。

<table><tbody><tr><td>聚二甲基硅氧烷</td><td>Dow Corning</td><td>Sylgard 184</td><td></td></tr><tr><td>聚二甲基硅氧烷弹性体基底</td><td>Dow Corning</td><td>Sylgard 184</td><td></td></tr><tr><td>硅晶圆</td><td>Bonda Technology</td><td>SI8PSPD</td><td></td></tr><tr><td>负性光刻胶</td><td>Microchem</td><td>SU-8</td><td></td></tr><tr><td>双面抛光 LiNbO&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt; 晶圆</td><td>University Wafer</td><td>Y-128&amp;deg;</td><td></td></tr><tr><td>正性光刻胶</td><td>Nicolaus-Otto-Stra&amp;szlig;e</td><td>AZ 9260</td><td></td></tr><tr><td>氧气等离子体</td><td>Harrick Plasma</td><td></td><td></td></tr><tr><td>塑料掩模</td><td>Infinite Graphics</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

双频激励下利用驻波表面声波操控微粒

Microparticle Manipulation by Standing Surface Acoustic Waves with Dual-frequency Excitations

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。

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 &gt; 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，压力节点出现在y = 50、150 和 250 µm 处。P1 = 90% 的阈值在所有测试条件下几乎保持恒定，微粒直径范围为 4 - 10 µm，总声功率范围为 73 - 648 mW，驱动频率范围为 6.2 - 18.6 MHz。
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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。

我们展示了一种提高芯片实验室中用于微粒操控的驻波表面声波（SSAW）调谐能力的方法。

该方法有助于解决生物医学领域中的关键问题，例如操控微粒并协助芯片实验室中微流控通道内的分选。该技术的主要优势在于能够增强行驻表面声波组合的可调谐性。演示该实验步骤的是我课题组的研究生Yannapol。从微流控通道的模具开始。该模具是在硅片上形成的负性光刻胶图案。其具体细节由用于制作该模具的光刻图案提供。按10:1的体积比混合PDMS与固化剂。将混合物置于真空烘箱中脱气约15分钟。脱气后，将混合物转移至模具中。然后，将其浇注在硅片的光刻胶上。接着，将覆盖后的硅片再脱气15分钟。之后，将硅片放入培养箱中加热，以固化PDSM。当PDMS冷却后，将其从硅片上取下。微流控通道已准备好进行后续步骤。准备基底以制造换能器。在此情况下，使用直径为四英寸的铌酸锂晶圆。在匀胶机上，将正性光刻胶旋涂于晶圆表面。然后，采用光刻技术在两厘米的开口区域内，将光刻胶图案化为20条宽150纳米的条带。光刻之后，这是基底横截面变化的示意图。光刻胶显影后，在基底上溅镀20纳米铬，随后溅镀400纳米铝。使用丙酮去除非曝光区域上的铬和铝层。将基底置于氧气等离子体中进行表面处理。使用氮气与氧气比例为2:1的混合气体，功率为30瓦，处理60秒。处理完成后，同时操作基底和微通道。将PDMS微通道与铌酸锂基底对齐，并将其键合。按压两者数秒钟以实现粘合。将集成器件置于60摄氏度的加热腔中持续三小时。加热腔室后，该装置即可用于基于双频激发的表面声波驻波研究。观察时，将装置置于倒置显微镜的载物台上进行。确保带有叉指换能器的晶圆与载物台接触，并使微通道位于上方。将换能器连接至函数发生器的放大信号输出端。安排来自注射泵的流体经过磁力搅拌器。制备实验所需的溶液。将4微米的聚苯乙烯微球与去离子水混合。在旋涡振荡器中旋转混合物2至3分钟，随后将混合物置于超声波破碎仪中处理10分钟。将混合物转移至一个3毫升的注射器中。同时向注射器中加入一个搅拌子。接着，将注射器放置在注射泵上。确保注射器位于磁力搅拌器上方，并连接至设备入口。将注射泵流速设置为每分钟几微升。现在，使用叉指换能器的基本频率和三阶谐波驱动设备。在显微镜下观察稳定的微粒，并使用数码相机记录图像。首先不进行激发，然后改变两个频率之间的相位差。利用所记录的图像确定每个压力节点处的微粒浓度。这是表面声波在 6.2 兆赫和 18.6 兆赫激励频率下驻波压力波形的图示。纵轴表示沿宽度为 300 微米的微通道的位置。曲线代表不同的功率比，即基模功率占总功率（146 毫瓦）的百分比。这是在相同功率条件下，同一通道内四个微米级微球所受的声辐射力。当功率比高于90%时，力始终同相，在通道150微米位置形成单一压力波节。当功率比低于90%时，会出现额外的波节。当四个微米的聚苯乙烯微球初始置于通道壁时，其运动由功率比决定。注意：当功率比高于90%时，粒子会移动至中心节点；当功率比为90%及以下时，粒子则移动至侧边节点。将实验数据（用符号表示）与模拟结果（用虚线表示）在粒子位置随功率比变化关系上的对比显示，两者具有良好的一致性。请注意，此图显示了上侧和下侧的节点。在粒子浓度随功率比变化的图中，同样可以观察到良好的一致性。在进行此操作时，重要的是要记住通过调节双频激励的功率比来调节微流控通道中的驻波声场。该技术问世后，为生物医学工程领域的研究人员探索在芯片实验室中快速、高效且灵活地操控微粒铺平了道路。请务必注意，使用电气设备可能存在极高风险，在进行该操作时应始终采取预防措施，防止触电。

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双频激励下驻面声波的微粒操纵

在本视频中，我们首先介绍表面声波（SAW）声学对流装置的 fabrication 和操作流程。随后，我们展示了一种实验装置，该装置能够同时实现对 SAW...

利用表面声波驱动的声学逆流微流控器件的制备、操作与流场可视化

液体在受到功率超声作用时产生的声学空化现象，会在气泡崩塌的瞬间形成极端条件，从而导致异常的化学反应活性和发光现象，后者被称为声致发光。当存在惰性气体时，会形成非平衡等离子体。崩塌气泡所产生的高能粒子和光子能够激发溶液中的物种。...

利用声致空化激活分子、离子和固体颗粒

本方案描述了一种利用微流控装置实现小体积（0.15–1.5...

用于精确小体积样品处理的微流控平台及其在声学微装置中按尺寸分离生物颗粒的应用

声流控器件利用微流控通道内的超声波来操控、富集和分离悬浮的微米及纳米级微粒。本方案描述了一种支持体声驻波的此类器件的制备与操作方法，可在无需鞘流液辅助的情况下将颗粒聚焦于中心流线。...

用于无鞘聚焦颗粒的体声驻波声流控器件的制备与操作

本方案通过同时使用近红外脉冲激光和高强度聚焦超声（HIFU）照射凝胶模型，实现了空化成核的可控诱导。所产生的空化效应可用于增强HIFU的成像效果和/或治疗应用。...

通过等离子体金纳米颗粒可控成核空化以增强高强度聚焦超声应用

我们展示了在铌酸锂上通过剥离光刻、纳米深度反应离子刻蚀以及单晶铌酸锂的室温等离子体表面活化多层键合技术，集成表面声波驱动器件以制备纳米高度通道的方法，该工艺同样适用于铌酸锂与氧化物之间的键合。...

利用铌酸锂表面声波驱动构建纳米高度通道用于声学纳米流控

本文描述了两种在压电基底铌酸锂上制备叉指电极换能器的加工技术：剥离法和湿法刻蚀。铌酸锂是一种广泛用于产生表面声波的材料，目前在微米至纳米尺度的微流控领域具有广泛应用。所制备的电极能够高效激发兆赫级的瑞利表面声波。...

在铌酸锂上制备表面声波器件

本文介绍了通过在铌酸锂上采用直流溅射法沉积板电极来制备压电厚度模式换能器的方法。此外，通过使用换能器支架和流体供给系统实现了可靠运行，并通过阻抗分析、激光多普勒测振、高速成像以及基于激光散射的液滴尺寸分布对器件性能进行了表征。...

用于雾化与声流体学的厚度模式压电器件的制备与表征

提出了一种快速且可靠的控制单个被捕获声学气泡形状振荡的技术，该技术基于两个气泡之间的聚并方法。这种稳态、对称性可控的气泡形状振荡可用于分析气泡界面附近产生的流体流动。...

声悬浮系统中非球形气泡振荡诱导的微流现象

该方案展示了一种在微通道中产生10-1000...

用于在微通道中产生亚千赫兹振荡流的外置驱动器的组装与表征

学习利用双频激励驻面声波在微流控芯片中操纵微粒的技术。该方法通过调节功率比实现微粒的可控分选，为生物医学工程领域的芯片实验室应用提供了快速灵活的解决方案。

双频激励下利用驻波表面声波操控微粒

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