液滴中声表面波微流控检测方案(其它行业专用)

-end- 声表面波技术在微流控领域中的应用 近几十年来，微流控已经成为化学、生物和制药领域中的一个重要平台。 而近几年内，在微流控研究领域，人们又对使用声表面波驱动微流体展开了卓有成效的研究。 声表面波(SAW)是一种只能在固体表面传播的弹性声波，其能量大部分集中在表面以下深度约为几个波长范围内。 该波是一种机械波，由于受到边界条件的限制，可以激发出多种声波模式。 目前几乎所有的声表面波器件(包括传感器在内)都采用瑞利波作为声波模式。 相比微流控研究领域中基于其他驱动原理的方法如表面梯度法、热毛细法、电润湿法和磁力法等，基于声表面波原理的方法有着明显的优点。 如基于声表面波技术的微流体装置结构简单、易于制造、适于批量生产、生物相容性良好、能够快速驱动流体且驱动力较大以及易于芯片中集成等。 目前国外对基于声表面波在微流控领域的研究已有不少成果报道，如新加坡学者T.D.Luong 等人利用13 MHz声表面波在微流体内的声流效应研制出高通量微混合器，并对其进行了特性研究； 德国学者 K.Lange 等人使用了一种新方法将声表面波生物传感器装置与试样室集成在一个微流体聚合芯片上； 英国学者J.Rebound 等人构造出一特殊声表面波场场进行微流体操作，对医学诊断的发展作出了贡献。 近年来我国在该方面的研究已呈现出蓬勃发展的趋势，如上海交通大学韩韬等人在基于声表面波的微液滴驱动及无线声波辨识标签的分析和设计方面取得了较大突破； 武汉大学Q.Zeng 等人使用聚焦声表面波对微流道内的流体进行混合，同时将各部件集成于同一芯片上，并通过实验和数值仿真发现该方法相对于传统方法能够使流体混合更加有效。 本文将对声表面波技术在微流控研究领域的应用进行分类，并依次进行较详细的综述和讨论。 声表面波器件的基本构造及工作原理 声表面波器件的基本构造如图所示。图中入0为声表面波的传播波长，d为指间宽度，d'为指条宽度。 在压电基片上制作出由相互交叉的电极所组成的叉指型电型(极指型换能器IDT)，就得到了可以直接激励和接收声表面波的换能器。 传感器技术 声表面波器件的基本构造 声表面波器件基本工作原理图如图所示。当对压电基片换能器的输入端施以交变电信号激励时，压电介质内产生时变电场，通过逆压电效应在基体内激发相应的弹性声场，将电信号转变为声信号，形成沿基体表面传播的声表面波； 声表面波沿压电基片表面传播到基片另一端的输出换能器，基于正压电效应，在压电材料的某些方向上产生电荷并积累在电极上，最终在输出叉指型换能器的汇流条上能够检测到相应的电信号输出。在制作叉指型换能器IDT时，通常使d=d' 因此 d=d'=入0/4 那么换能器的中心频率(f)为 f=v/X0=v/4d 式中v为声表面波传播速度，取决于材料本身。换能器的叉指对数N与声表面波器件的带宽△f之间的关系为 Af=f0/N 式中 f0 为声表面波的中心频率。目前大多使用光刻法将直铝电极对溅镀沉积在压电基片上。 用于制作声表面波器件的压电基片材料可分为压电单晶、压电薄膜和压电陶瓷，目前应用最多的为单晶 127.68°yx切向 LiNbO3 压电基片。 声表面波器件基本工作原理图图 传感器技术 声表面波技术在微流控研究领域中的运用 声表面波技术之所以用于微流控研究领域，是基于声表面波进入流体后所产生的复杂的流-固耦合效应。 如图(a)所示，在基片的叉指型换能器间放置一液滴，该液滴在声表面波的传播路径上。 当声表面波接触到流体的边缘时，由于声表面波在基片的传播速度cs 和在液滴的传播速度 cl不一致，使声表面波能量衍射进入液滴中，如图(b)所示。 声表面波衍射进入液滴的衍射角OR即为瑞利角，即OR=sin-1(cl/ cs) (a)放置在声表面波传播路径基片上的液滴图解 (b)由漏波引起在液滴内的声流 (c)液滴内的体积力使液滴形状变为锥形 声表面波对液滴的流一固耦合效应 传感器技术 声表面波衍射进入液滴的波为漏波，漏波进入液滴后产生一个纵压力波驱动液滴内体液循环，即为声流。 此外，如图(c)所示，漏波的水平分量以瑞利角的角度进入液滴后产生一体积力，该体积力作用于整个液滴上，其方向即为声表面波的传播方向，使液滴变为锥形，锥形的倾斜角大小等于瑞瑞角OR。 随着声表面波输入功率由小到大，液滴会出现不同的响应，依次为振动、平移、喷射和雾化，如图所示。 根据声表面波输入功率由小到大液滴依次出现的四种不同的响应传感器技术 液滴振动及粒子的聚集 如果实验液滴包含有悬浮的胶体纳米粒子，那么由小功率声表面波激发该液滴的振动将会产生粒子聚集现象，如图所示。 图中D为液滴直径，P为施加功率。图为在液滴的自由表面上引起的粒子聚集不同时期的图形。最初胶体体子聚集成中心环状，与小振幅 20 MHz 驻波在自由表面上振动的节点线一致，如图中a所示指纹状图形。 随着声表面波输入功率增大，检测到线性环状聚集的胶体粒子聚集成群簇状态，形成了如图中b所示的胶体岛状结构。 图中b的形成和界面振动的强度增加有关。通过激光多普勒测速仪(LDV)频率扫描发现，在该液滴界面除了有小振幅20 Hz 驻波振动之外，还有大振幅1 kHz的振动。 聚集的胶体岛状结构的数量和位置与液滴的大小有关，如果输入功率连续保持不变，那么液滴就会逐渐蒸发，相应胶体岛状结构的数目就会下降。 当液滴蒸发时，其尺寸就会相应变小，液滴的毛细黏性共振频率就会增大，引起相应波长的下降，环状节圆最终将会收缩。 而声表面波振动再一次加大时，就会引起液滴内部非常明显的流动，引起粒子的分散，从而聚集的胶体岛状结构就会消失，如图中c所示。 该流动只能持续很短的时间，此时胶体岛状结构会重现直到流动再次出现。这种循环现象的出现是不定期的，流动的方向(顺时针或逆时针)也相应是随机的，因此图中c的状态为亚稳定状态。 当声表面波进一步增强时，流动现象就变得更强，并趋于稳定，最终引起粒子永久的离散，如图中d所示。 基于上述声表面波驱动液滴振动的原理和技术已开始应用于流体混合、流体加热、粒子成图及液滴浓缩等领域。 由声表面波引起的液滴振动示意传感器技术 液滴平移及粒子的收集 当液滴位于开放空间、声表面波输入功率增大并超过某一临界值时，就会使位于液滴内的压力梯度(即体积力)大于液滴接触线上的表面张力，从而驱使液滴沿着声波传播的方向移动。 其液滴的平移速度可达1~10 cm/s，比基于其他微流体驱动原理如电湿法的液滴移动速度大1~2个数量级。 不仅如此，叉指型换能器的电启动还能实现程序化，液滴移动也能实现自动化。通过多个液滴的自动控制，使融合、混合、分裂和生化反应等过程可以在“可编程生物处理器"上执行。 图即为一个简单的“可编程生物处理器"示例：三个带有不同流体成分的液滴沿着预定方向移动最终混合在一起。 TM' TM (a)纳米泵泵出液滴 (b)下方右侧液滴向上移动 TM TM (c)下方右侧液滴与上方液滴混合 (d)下方左侧液滴向右移动至下方右侧液滴初始位置 由可编程生物处理器精确控制的液滴移动 传感器技术 此外，还可以在封闭的微流道系统内使用声表面波来来送流体。泵送速度达到1cm/s，比用电动式的微泵泵送速度大出1~2个数量级。 由于声表面波经波状通壁管道横穿进入流体内，因此可以通过转换均匀通流的方法来进行流体输送，当W<入f， 入f~73 um(W为微流道宽度， 入f 为声表面波激励频率)时，流体状态为均匀通流，如图(a)所示；同时也可用混沌振荡流来进行微混合，当W>Xf，入f~73pm， 流体状态为混沌振荡流，如图(b)~(d)所示。 可以通过改变W同时保持入f不变，或者改变入f同时保持W不变，来实现用声表面波泵送流体进而产生混沌振荡流。 不同流道宽度的流结构 传感器技术 在许多应用领域如环境监测，粒子(如真菌和细菌等)需要被载体收集在一个预期的浓度上，因此粒子的收集成为新的研究热点。 澳大利亚学者 M.K.Tan 等人利用液滴移动和液滴内部流动进行粒子收集，使固定的液滴穿过被花粉粒子污染的表面，发现这些液滴可以用来进行粒子收集，并且证明了使用声表面波驱动液滴平移进行粒子收集更加快速和有效，发现憎水性粒子(如聚苯乙烯粒子)的收集效率高于亲水性粒子(如三聚氰胺粒子)的收集效率。 如图所示，当液滴平移穿过带有微粒子的表面时，液滴的声流促使在液滴下方的粒子进入液滴内。 图(a)为10um的三聚氰胺粒子(亲水粒子)的收集，图8(b)为10pm的聚苯乙烯(憎水粒子)的收集，插图为留在流道上聚苯乙烯粒子的放大图，粒子聚集成环状。 (a) 10 pm的三聚氰胺粒子(亲水粒子)的收集 (b) 10 pum 的聚苯乙烯粒子(憎水粒子)的收集 使用声表面波快速进行微粒子子收妆器技术 除利用液滴为载体进行微粒子的收集外，基于声表面波驱动液滴平移原理还可以应用到生物化学等领域。 如传输带有DNA的离散液滴来进行聚合酶链反应；将细胞输送到组织架中进行细胞的种植从而达到辅助组织工程和整形外科研究的目的，并且这些实验用细胞并没有因此变性，其变异和增殖能力依然完整。 喷射 当声表面波的输入功率进一步增大，同时振动强度也变得足够大时，维持液滴形态的毛细力将被克服，引发非常明显的界面变形。 当输入功率达到某一临界值时，足够强度的声表面波会使液滴从压电基片上喷射而出。 喷射角可以根据斯涅耳定律求出，其中声表面波在 LiNbO3 压电基片传播速度 cs 为3900 m/s， 在水中的传播速度 cl为1500m/s， 因此得出喷射角Oj~22.6°，如图(a)所 传感器技术 SAW 引发液滴喷射 基于上述原理，澳大利亚学者 M.K.Tan 等人用两个在基片末端的叉指型换能器产生传播方向相反的声表面波，这一对方向相反的声表面波汇集在液滴处的一点。 (a)t~0 (b) t=0.67 ms (c) 1=1.33 ms SAW 从液滴两边进入产生狭长液传感器技术 声表面波从液滴的两边进入产生狭长的液柱，与水平方向夹角呈90°，如图(b)及图产生狭长液柱所示(图中t为声表面波驱动液滴的时间)。 声表面波引发喷射现象原理如图所示，从图中可以看到，随着时间(单位：ms)的变化，喷射长度和产生单液滴甚至多液滴的能力与韦伯数Wej有关， 即 式中：p为液滴密度； Uj 为喷射速度；Rj为喷射半径；y为界面张力。 当Wej=0时，液滴处于振动状态；当Wej=0.1时，液滴处于喷射状态； 当Wej=0.5时，液滴处于单液滴夹止状态；当Wej=1.0时，液滴处于射流断裂形成多液滴状态。 基于声表面波技术实现微流体喷射已经应用于很多研究领域，它区别于传统喷射方法必须使用喷嘴进行喷射，其喷射效率更高。 不仅应用于喷墨技术，还应用于纤维合成和药物传输，在分析化学研究中包括从蛋白质结晶到喇曼光谱学也有大量应用。 液滴状态 4传感器技术 雾化 若声表面波的输入功率足够大时，整个液滴将完全失去平衡并雾化产生平均直径为5um的单分散分布喷雾液夜. 当液滴尺寸为2~5um时，肺部药物治疗效率达到最大，所以这些单分散微米级喷雾液滴作为携带药物媒介对于肺部药物输送是极其有用的。 这些液滴携带治疗药剂通过呼吸道到达靶器官。使用声表面波对微流体进行雾化所需的功率至多是使用郎之万振子的超声波雾化器和单向钛酸锆成分活塞雾化器所需功率的1/10，其操作频率为 10 kHz~1MHz。 另一个声表面波雾化技术的优势在于：该雾化技术不需要喷嘴或孔口，装置得到简化，相比于其他雾化技术成本低并且增加了可靠性。 雾化技术也能用来直接生产生物可降解的聚合物纳米粒子。J.R.Friend 等人利用该方法制作出直径为150~200 nm 并且包含直径小于50 nm 微粒的聚合纳米粒子集群。 图为使用透射电子显微镜 TEM 观测其中之一的纳米粒子，右侧图为直径小于50 nm微粒聚集形成直径200 nm 集群的放大图。 由于该纳米粒子合成方法只有一步，因此其相对于传统缓慢且繁琐的多步骤方法如喷雾干燥法和纳米沉淀法等要更加高效快速。 M.Alvarez 等人也运用该方法制作出包含直径100 nm 的蛋白质(胰岛素)纳米粒子的直径3um的喷雾液滴，这也论证了吸入治疗法具有可行性。 此外，进行可控释药物输送时使用一种生物可降解聚合纳米粒子外壳作为介质也已经成为可能，这种外壳携带蛋白质和其他治疗用分子。 使用可降解聚合物进行药物的封装能够使药物免于快速分解和退化，从而达到延长药效的目的。 A.Qi 等人也设计出一个声表面波雾化器应用于药物输送质谱分析及细胞悬浮液的产生。 声表面波波化直径为150~200 nm 的聚合纳米粒子合成图 传感器技术 声表面波雾化还能使常规、长期、空间有序且没有物理/化学模板或其他表面处理程序的聚合斑点花样的可控生产成为可能。 如图(a)和(b)所示，声表面波驱动包含聚合物溶液的液滴平移，聚合物溶液在平移的同时留下一层进行扰动的薄膜。激烈的表面振动使声表面波横向和纵向振动波腹处的薄膜不断变薄，并不断被消耗。 (a)声表面波驱动聚合物溶液平移并留下一层薄膜 (b)使用高速摄像机显示液滴发生变形以及平移 (c)薄膜不断变薄最终形成图案聚合物斑点图案的可控生成 传感器技术 整个基片的薄膜在这些位置的解体以及随后溶剂的蒸发将产生如图(c)和图(a)所示的均匀分布固化的聚合物液滴图案。 观测发现该图案周期性和聚合物光斑大小与声表面波频率或波长有很大关系，如图(b)所示，图中D'为光斑直径， a为纵向节距，b为横向节距，入为波长。因此其可控性和微调性相对传统成图方法是一个重要的优势。 (a)均匀分布固化的聚合物斑点花样 (b)D'、a和b与入的关系 生成聚合物斑点图案的实验研究传感器技术 结语 本文回顾了声表面波技术近年来有代表性的研究进展和成果，充分显示了其在微流控应用领域所蕴藏着的巨大应用。 声表面波技术已经被应用到流体混合、液滴平移、微流道内泵送流体、流体喷射及雾化等方面，同时在粒子聚集、分选及成图等方面也有着很大的应用。 在微流控研究领域使用声表面波技术有着诸多的优点：低成本、易于制造、可扩展、易于集成、操作简单以及高效，在相同条件下相对于其他驱动原理其流体驱动速度高出1~2个数量级。 此外，使用声表面波驱动微流体可以实现传统方法无法实现的功能，比如在原生细胞环境内完成非侵入细胞操作。 这有助于干细胞分化、细胞间交流及组织工程等方面研究的开展。由于声表面波技术在微流控研究领域的应用尚处于起步阶段，因此到目前为止在该方面仍然需要做大量的工作： ①在声表面波、流体和粒子之间的非线性相互作用需要被进一步研究，在该方面仍然缺少量化研究和数值模拟工作； ②目前报道的关于声表面波技术在微流控领域中的应用均为单相，因此多相声表面波技术在微流控领域上将有着巨大的空间； ③目前使用的压电基片的材料较为单一，研究中主要使用的仍然是以 LiNbO3为材料的压电基片，因此使用新材料的压电基片来替代 LiNbO3 基片也将成为今后声表面波技术在微流控领域中应用的一大创新点。