在現代生物學的許多領域，對生物粒子、細胞和生物分子的有效操控有著重要意義，例如生物傳感、細胞分選、治療和藥物篩選等。在多種微納尺度粒子操控技術中，無接觸式聲操控技術由于其對粒子物理化學特性幾乎不做要求，從而有著很強的普適性，被廣泛應用在許許多多的生物系統中。

工作在千兆赫茲頻率的薄膜體聲波諧振器（FBAR）能夠通過聲流體效應產生局部范圍內的高速微型渦漩。因此，千兆赫茲體聲波聲流體鑷能夠提供足夠的拖拽力對微納米粒子進行捕獲和富集。然而，其中機理還沒得到系統的分析驗證，阻礙了高頻聲流體鑷的發展和應用。

基于此，天津大學段學欣課題組從理論分析、三維建模仿真、粒子追蹤實驗三個方面對千兆赫茲聲流體鑷進行了系統的研究，揭示了粒子操控中關鍵的兩種力（聲流拖拽力和聲輻射力）的相互平衡關系，為基于聲流體鑷的芯片實驗室應用發展提供了基礎指導。相關研究成果以“Manipulations of micro/nanoparticles using gigahertz acoustic streaming tweezers”為題，發表于Nanotechnology and Precision Engineering期刊上。

行波聲流體鑷工作原理

該研究提供了一個普適性好的開放式無接觸聲操控微納粒子方法，該方法通過高頻體聲波諧振器在流體中生成聲渦流場，使得粒子在其中主要受到聲輻射力和斯托克斯拖拽力的作用進行運動。如圖1所示，不同尺寸粒子在運動過程中受到不同程度的力。具體而言，由于尺寸越大，在靠近器件邊緣時受到的聲輻射力越大，越容易被推離原軌道到內部軌道，從而在實現對不同粒子的捕獲時進行分離和富集。

圖1 基于體行波的聲流體鑷示意圖：（a）器件捕獲粒子三維示意圖；（b）行波在流體中的聲輻射力分布圖；（c）沿聲渦流內側運動的大粒子和沿聲渦流外側運動的小粒子。

體聲波諧振器

該方法采用的薄膜體聲波諧振器采用標準MEMS工藝技術制造，主要包含一個三明治壓電結構和一個布拉格反射層結構。圖2顯示了一個制造完成的2.5GHz的薄膜體聲波諧振器，其整體尺寸約為1mm × 1mm。

圖2 薄膜體聲波諧振器：（a）在5角硬幣上的薄膜體聲波諧振器實物圖；（b）諧振器SEM照片。

三維仿真

通過COMSOL多物理場仿真軟件進行有限元分析可以詳細得到聲流場的速度分布。如圖3所示，通過截取與x-z面平行的平面進行分析，可以充分得到不同區域時的聲渦流速度分布：流體沿諧振區域加速進入振動中心，然后減速噴射出，最終沿軸對稱形成渦漩。加入粒子進行進一步仿真。通過對粒子施加聲輻射力和聲流拖拽力，可以發現，隨著粒子直徑減小，其運動軌跡逐漸向外側擴展延申（圖4）。這是在粒子富集中，通過不同尺寸粒子所受聲輻射力和聲拖拽力平衡狀態的不同，將它們分離在不同軌跡中。



圖3 聲流體流場速度分布三維仿真結果：（a-e）與x-z面平行截面上的流場（距離：-200μm、-100μm、0、100μm、200μm）；（f）x-z面上的速度場。

圖4 粒子富集仿真結果（功率：1mW）：（a）初始狀態下隨機分布的粒子；（b-e）10μm、5μm、1μm和0.3μm粒子運動軌跡，隨著尺寸減小，軌跡逐漸向外擴展。

聲渦流場

在三維仿真驗證理論分析及方法可行性后，通過設計實驗進行進一步驗證和探究。通過從x-y和x-z平面對示蹤粒子的實時觀察，如圖5所示，渦流場如仿真結果相匹配，最大速度與功率關系較為線性。



圖5 （a）x-y面上的聲渦流（粒徑：1μm，功率：1mW）；（b，d）PIV觀測的側向流場分布；（c）功率同最大速度之間的線性關系。

粒子富集

在理論與仿真分析以及對聲流體的實驗觀測基礎上，聲流體鑷被設計用于不同尺寸粒子的富集。如圖6所示，不同尺寸的散亂粒子（10μm-0.3μm）在1分鐘內被聲流體鑷富集在了不同軌道上。因為尺寸越小越不容易被推離原軌道，因此小尺寸粒子所占軌道越向外擴展，而大尺寸粒子則被推到內部軌道，從而在實現捕獲的同時進行分離和富集。至此，該研究提出了一種簡單有效的三維聲流體鑷用于微納米粒子的操控，通過理論、仿真與實驗進行了證明闡述，為其在多種生物系統中的應用發展奠定了基礎。

圖6 聲流體鑷實現的粒子富集：隨著粒子尺寸的減小（a: 10μm；b：5μm；c：1μm；d：300nm），粒子富集軌跡逐漸向外擴展。

審核編輯：劉清