声表面波在微流控领域的应用

声表面波简介

声表面波是一种在固体材料表面传播的机械波，主要类型包括瑞利波（Rayleigh wave）、兰姆波（Lamb waves）、B-G 波和拉夫波（Love wave）。

瑞利波由英国物理学家 Lord Rayleigh 于 1885 年在研究地震波时首次提出，并被广泛应用于声表面波技术领域。

瑞利波的特点是振动模式多样，既有垂直于表面的纵向振动，也有平行于表面的横向振动，具备横向和纵向振动成分的结合，这为其在科学和工程中的应用提供了独特的优势。

尽管瑞利波早在 19 世纪末被发现，但由于当时的科技水平和制造工艺的限制，实际应用并不广泛。

随着微电子机械系统 (MEMS) 技术的快速发展和新型压电材料的出现，声表面波技术在 20 世纪中后期取得了重大进展。

特别是在 1965 年，美国加州大学伯克利分校的 R.M. White 和 F.W. Votmer 的研究实现了关键突破，他们成功研制出首个声表面波器件，开启了声表面波在现代科技应用中的新纪元。

近年来，研究者将声表面波技术引入微流控芯片领域。声表面波微流控芯片具备多重优势，如制备简便、成本效益高、生物相容性好、高效流体驱动及非接触式粒子操纵等。

声表面波引发的声流效应（Acoustic streaming）可用来操纵流体的运动。随着声表面波能量增加，流体会出现振动、移动、喷射和雾化等现象。

由于其在微纳米尺度上精确操控流体的能力，声表面波技术在微流控领域受到极大关注，特别是在处理流体中悬浮微粒方面。通过声辐射力可以精确控制微流体中的悬浮粒子，为微流控领域的研究和应用开辟了新途径。

声表面波在微流控领域的应用

(1)混合：

基于声流现象的混合，声表面波可以产生高频振动，这种振动能够迅速混合微流道中的流体，导致液体内部的快速流动和湍流，从而实现液滴内部的混合。

已有研究团队开发出一种基于聚焦声表面波（Focused Surface Acoustic Wave, FSAW）的高效微混合器，该混合器利用 FSAW 产生强烈的流体扰动，促进溶液的快速、均匀混合。

另一个研究团队开发的混合器通过激发声表面波产生两个互相作用的流场，实现了更高效的主动混合。

(2)液滴驱动：

声表面波产生的压力梯度可以用于推动液滴。当声波传递到液体与基底的接触界面时，液滴会在声波的作用力下沿波的传播方向移动。

声表面波技术能够实现液滴的无接触驱动，减少污染和损伤。莫纳什大学的研究显示，声表面波可以以 1 到 10 cm/s 的速度迅速推动微液滴在平面基底上移动。

随着输入功率的增加，液滴可能会经历喷射和雾化等状态变化。2015 年，澳大利亚的学者提出了一种创新的微流控平台，利用非对称排列的叉指换能器在液滴的两端，使两个液滴能够碰撞和合并。在声表面波作用区域内，处于不对称电极中的液滴也会发生分离。

(3)泵送：

通过在液体介质中形成表面波，这些波在液体中产生流动，从而实现泵送作用。声表面波技术能够实现无接触的流体泵送，无需外部设备，简化了微流控系统的复杂性。

2012年，德国研究团队成功开发了一种利用SAW驱动的微流控平台，在泵送红细胞悬浮液等多种流体时，显示出卓越的驱动压力、效率和快速响应能力。研究表明，随着输入频率的增加，流道内的流动特性会降低，但流体泵送速率却相应增加。

(4)液滴加热：

声表面波在传播过程中会产生热能，这种热能可以用来加热液滴。通过调整声波的频率和振幅，可以实现对液滴的精确加热，尤其适用于需要快速热处理的生物样本。

2015年，意大利理工学院的研究人员构建了一个特殊的SAW加热实验平台，并使用热感摄像机监测液滴的温度变化。实验显示，液滴在SAW作用下能够在短时间内迅速加热并稳定。随着SAW能量的增加，液滴的加热速度也相应加快。

(5)液滴雾化：

当声表面波接触液滴表面时，会产生强烈的振动，将液滴分解成更小的微粒或使其雾化。这种雾化方式能够产生极小的液滴，适用于药物吸入、细胞培养等需要雾化处理的样本。

2015年，电子科技大学的研究团队采用ZnO作为SAW器件的基底材料，并对叉指换能器输入低频高功率的射频信号。结果显示，微小液滴在短时间内经历了显著的雾化现象，并通过高速摄像机捕捉到了这一变化过程。

(6)粒子操纵：

声表面波设备通常位于微流控通道的两侧，能够产生高频声波。这些波沿基底表面传播并进入流体介质中，形成压力节点和反节点。

流体中的粒子会受到声辐射力的作用，这些力源于粒子与周围流体在声学属性上的差异。根据粒子的大小、密度和可压缩性的不同，它们对这些力的响应也不同。

通常，粒子会移动到压力最小的压力节点处，这种现象称为声学捕获。通过精确控制，可以实现对微粒的精细操作，包括捕捉、运输和排列这些微小颗粒。

2008年，澳大利亚莫纳什大学的研究表明，在低功率SAW作用下，粒子倾向于在液滴表面形成圆形波浪状结构。

随着SAW功率逐渐增加，胶体粒子开始聚集成岛状结构，表现出较强的局部集聚特性。进一步增加SAW功率时，液滴内部的流动特性变得更加显著，导致岛状结构的破裂和粒子的分散。

这种流动特性显示，液滴内部粒子的分布和结构受到SAW功率强度的显著影响。随着功率继续提升，液滴内部的流动现象变得更加剧烈和稳定，最终导致粒子在液滴中的永久性分散。

这种现象揭示了SAW技术在微流控领域实现高效混合和粒子控制的潜力，通过调节SAW的功率，可以实现对液滴内部粒子结构和动态的精细调控。