CN103203328A - 基于结构声场操控和筛选颗粒的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于结构声场操控和筛选颗粒的系统，包括样本台、超声波发射装置和人工结构，所述样本台用于盛放待筛选颗粒，所述超声波发射装置用于发射超声波，所述人工结构为周期结构，用于调制声场产生更强的声辐射力，并对所述待筛选颗粒进行筛选。本申请还公开了一种基于结构声场操控和筛选颗粒的方法。在本申请的具体实施方式中，由于包括样本台、超声波发射装置和人工结构，超声波发射装置用于发射超声波，人工结构为周期结构，对待筛选颗粒进行筛选，多个颗粒可同时置于样本台上，利用人工结构调制声场产生更强的声辐射力，将特定颗粒同时捕获在人工结构的下表面，实现了对颗粒快速、批量地筛选，提高了效率。

Description

基于结构声场操控和筛选颗粒的系统及方法

技术领域

本申请涉及声波操控技术，尤其涉及一种基于结构声场操控和筛选颗粒的系统及方法。

背景技术

对单个原子或者宏观物质的微操控技术的研究与开发对生物学、量子光学、软物质物理学、生物物理学和临床医学均产生了重大的影响。微操控技术不仅为研究金属、细胞、DNA等微小颗粒基本的力学、物理和生化特性提供了重要的研究手段，而且为用于细胞、血小板等生物颗粒筛选的新型生化分析仪器的研制提供了必要的技术支持。研制精确可靠、成本低廉的对微小颗粒的控制器件，现已成为备受瞩目的前沿方向之一。

目前对微小粒子的操控技术可分为：基于微镊和微吸管的操控技术；基于表面张力、粘附力、静电力等面力的操控技术；基于光、声、磁等外加力场的操控技术。其中，基于外加力场的操控技术由于其具有非接触性等方面的优势而成为主流的发展方向。目前，利用光场、磁场、电泳、水流动力学等方法虽然实现了对微粒的操控，但是这些方法存在一些固有的局限性，例如不易微型化，对颗粒尤其是生物颗粒易产生损伤、需要对微粒进行表面修饰等。

声波操控技术因其具有非接触、无创、普遍适用性等优点而受到了广泛的关注。现有的声操控主要利用聚焦声场和驻波声场对微纳米粒子进行操控。现有技术利用流体或者驻波场先将待分选微纳米颗粒一个接一个地排列成线，再将这些排列好的颗粒输运至声场区域，一个个颗粒依次在流经声场的过程中逐渐被按照不同尺寸或者声学特性分成不同的组，从而达到筛选的目的。现有技术或者对单个颗粒或者是对流经声场的颗粒分别进行处理，这样的分选方式决定了这种筛选技术无法对微纳米颗粒进行批量处理而不能并行处理批量的颗粒。

发明内容

本申请要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于结构声场操控和筛选颗粒的系统和方法。

根据本申请的第一方面，本申请提供一种基于结构声场操控和筛选颗粒的系统，包括样本台、超声波发射装置和人工结构，所述样本台用于盛放待筛选颗粒，所述超声波发射装置用于发射超声波，所述人工结构为周期结构，用于调制声场产生更强的声辐射力，并对所述待筛选颗粒进行筛选。

上述基于结构声场操控和筛选颗粒的系统，所述周期结构包括基板和平行设置在所述基板上且间隔相等的多个凸条。

上述基于结构声场操控和筛选颗粒的系统，所述凸条为长方体、多棱柱或半圆柱。

上述基于结构声场操控和筛选颗粒的系统，所述凸条为长方体，所述长方体的中心线之间的间距为d，所述基板的厚度为h2，则0.15≤h2/d≤0.25。

上述基于结构声场操控和筛选颗粒的系统，所述长方体的宽、所述长方体的高及所述基板的厚度相等。

上述基于结构声场操控和筛选颗粒的系统，所述人工结构采用横波速大于基体水的纵波带的刚性材料制成。

上述基于结构声场操控和筛选颗粒的系统，所述超声波发射装置包括信号发生器、功率放大器和超声换能器，所述信号发生器用于产生发射信号，所述发射信号经功率放大器激励所述超声换能器产生超声波。

上述基于结构声场操控和筛选颗粒的系统，还包括摄像模块和图像分析模块，所述摄像模块用于拍摄释放捕获后被释放的颗粒的图像，所述图像分析模块用于对所述被释放的颗粒进行测量。

根据本申请的第二方面，本申请提供一种基于结构声场操控和筛选颗粒的方法，使用上述的人工结构，包括以下步骤：

将待筛选颗粒置于样本台上，将人工结构设置于所述样本台上方；

超声波发射装置发射超声波；

所述人工结构对声场进行调控；

所述人工结构基于所述调制产生的声辐射力筛选所述待筛选颗粒。

上述基于结构声场操控和筛选颗粒的方法，所述人工结构对声场进行调控，具体包括：

将信号发生器的发射频率设定为人工结构的共振频率，通过改变电压的方式实现对超声波的调控；

或者将信号发生器的激励电压设为定值，通过改变频率的方式实现对超声波的调控。

上述基于结构声场操控和筛选颗粒的方法，还包括以下步骤：

释放被捕获的颗粒，并拍摄被释放的颗粒；

测量所述被释放的颗粒。

由于采用了以上技术方案，使本申请具备的有益效果在于：

⑴在本申请的具体实施方式中，由于包括样本台、超声波发射装置和人工结构，超声波发射装置用于发射超声波，人工结构为周期结构，对待筛选颗粒进行筛选，多个颗粒可同时置于样本台上，利用人工结构调制声场产生更强的声辐射力，将特定颗粒同时捕获在人工结构的下表面，实现了对颗粒快速、批量地筛选，提高了效率。

⑵在本申请的具体实施方式中，将信号发生器的发射频率设定为人工结构的共振频率，通过改变电压的方式实现对超声波的调控；或者将信号发生器的激励电压设为定值，通过改变频率的方式实现对超声波的调控，由于声压或者频率与微纳米颗粒存在着一定的、稳定的关系，使得在特定的声压或者频率下，人工结构只能对特定尺寸的颗粒进行捕获，从而使得筛选的结果具有可重复性，且不易受外界因素干扰，可靠性更高。

附图说明

图1为本申请基于结构声场操控和筛选颗粒的系统在一种实施方式中的结构示意图；

图2为本申请基于结构声场操控和筛选颗粒的系统在另一种实施方式中的结构示意图；

图3为本申请基于结构声场操控和筛选颗粒的系统在一种实施方式中的人工结构的结构示意图；

图4为本申请基于结构声场操控和筛选颗粒的方法在一种实施方式中的流程图；

图5为使用本申请对两种玻璃微球混合颗粒进行筛选的效果图；

图6为使用本申请对三种玻璃微球混合颗粒进行筛选的效果图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。

实施例一：

如图1至图3所示，本申请的基于结构声场操控和筛选颗粒的系统，其一种实施方式，包括样本台、超声波发射装置和人工结构，样本台用于盛放待筛选颗粒，超声波发射装置用于发射超声波，人工结构为周期结构，用于调制声场产生更强的声辐射力，并对待筛选颗粒进行筛选。

在一种实施方式中，样本台为由凝胶制成的透声仿体，其高度可根据需要进行设置。在本具体实施方式中，样本台的高度为4cm。

在一种实施方式中，超声波发射装置包括信号发生器、功率放大器和超声换能器，信号发生器用于产生发射信号，发射信号经功率放大器激励超声换能器产生超声波。超声换能器可以是单阵元超声换能器、相控阵超声换能器、线阵超声换能器、凸阵超声换能器和叉指换能器中的一种。待操控或筛选的颗粒的大小决定了人工结构的各项参数，从而决定了人工结构的共振频率。而人工结构的共振频率决定了发射超声的驱动频率，从而决定了超声换能器的中心频率。在本具体实施方式中，超声换能器采用单阵元超声换能器，其中心频率为1.22MHz，焦距为120mm。信号发生器的发射信号可以是连续正弦信号，或是脉冲正弦信号。在一种实施方式中，信号发生器可以是可编程信号发生器（AFG3021，Tectronix），功率放大器可以是50dB的线性功率放大器（325LA，ENI）。信号发生器产生正弦连续信号，正弦信号经功率放大器后激励超声换能器产生超声波。

摄像模块和图像分析模块，摄像模块用于拍摄捕获后被释放的颗粒的图像，图像分析模块用于对被释放的颗粒进行测量。在一种实施方式中，摄像模块由高清连续变倍镜头（XDS-N0745i）、高清工业相机CCD（DL-300）、显微镜支架（DT-100）和CCD厂商提供的摄像软件组成。图像分析模块为公共领域的Java图像处理程序Image J。

本申请的基于结构声场操控和筛选颗粒的系统还可以包括三维位移模块，用于控制人工结构和超声发射装置的空间位置。在一种实施方式中，三维位移模块包括高精密电移台（KSA,ZOLIX）和电移台控制箱（MC600,ZOLIX）。

在一种实施方式中，周期结构可以包括基板11和多个凸条12，多个凸条12平行设置在基板上且多个凸条12之间的间隔相等。本申请的人工结构可以是一种栅栏结构。

凸条12可以为长方体、多棱柱或半圆柱，凸条12也可以为其他形状。在本具体实施方式中，凸条为长方体，若长方体的中心线之间的间距为d，基板的厚度为h2，则0.15≤h2/d≤0.25。长方体的中心线之间的间距d为人工结构的周期，人工结构采用硬性材料制成，具体采用横波速大于基体水的纵波带的硬性材料制成。该硬性材料可以为金属材料，如铜、铝、钢或其他金属材料，该硬性材料也可以为非金属材料。在本实施方式中，人工结构为在厚度0.3mm的铜板上加工制得的周期0.82mm，高度0.15mm，宽度0.15mm的栅栏结构。

在一种实施方式中，长方体的宽、长方体的高及基板的厚度可以相等，即若长方体的宽为w,长方体的高为h1，则w=h1=h2。在本实施方式中，人工结构为在厚度h1+h2=0.3mm的铜板上通过激光刻蚀加工得到的周期为d=0.82mm，高度为h1=0.15mm，宽度为w=0.15mm的栅栏结构。

实施例二：

如图4所示，本申请的基于结构声场操控和筛选颗粒的方法，其一种实施方式，包括以下步骤：

步骤402：将待筛选颗粒置于样本台上，将人工结构设置于样本台上方；在本实施方式中，待筛选的颗粒可选用微小的玻璃球，具体为西格玛奥德里奇公司生产的酸洗的玻璃微球G4649-100G、G1145-100G和G8772-100G。这三种玻璃微球的直径分别为<106μm，150-212μm和425-600μm。

步骤404：超声波发射装置发射超声波；

步骤406：人工结构对声场进行调控；

步骤408：人工结构基于调制产生的声辐射力筛选待筛选颗粒。人工结构可将筛选出的颗粒吸附在人工结构的下表面。

本申请的基于结构声场操控和筛选颗粒的方法，在一种实施方式中，其中步骤406具体包括：

将信号发生器的发射频率设定为人工结构的共振频率，通过改变电压的方式实现对超声波的调控；信号发生器产生频率1.282MHz的连续正弦信号，电压从100mVpp升至1500mVpp，或者电压从1500mVpp降至100mVpp，步长1mVpp。正弦信号经功率放大器后激励超声换能器产生超声波；超声波激励人工结构振动并在人工结构表面产生吸附力。

本申请的基于结构声场操控和筛选颗粒的方法，在另一种实施方式中，其中步骤406具体包括：

将信号发生器的激励电压设为定值，通过改变频率的方式实现对超声波的调控。信号发生器产生电压1500mVpp的连续正弦信号，频率从1.171MHz升至1.282MHz，或者频率从1.282MHz降至1.171MHz，步长0.001MHz。正弦信号经功率放大器后激励超声换能器产生超声波；超声波激励人工结构振动并在人工结构表面产生吸附力。

本申请的基于结构声场操控和筛选颗粒的方法，在一种实施方式中，还可以包括以下步骤：

步骤410：释放被捕获的颗粒，并拍摄被释放的颗粒；

步骤412：测量被释放的颗粒尺寸、数量。测量后可检查颗粒粒径是否符合要求，是否能达到筛选目的。

图5为对含有150-212μm和425-600μm两种直径的玻璃微球混合颗粒捕获和筛选的结果。信号发生器产生频率1.282MHz的连续正弦信号，经功率放大器后激励超声换能器产生超声波；超声波激励人工结构振动在结构表面产生吸附力。图5（a）所示，当电压为1500mVpp时，显微摄像模块拍摄的人工结构表面吸附了两种尺寸分布的玻璃微球；图5（b）所示，当电压降至1000mVpp时，425-600μm的大玻璃球从人工结构表面掉落，表面仅剩尺寸150-212μm的小玻璃球；如图5（c）所示，当电压降至240mVpp时，尺寸150-212μm的小玻璃球从人工结构表面掉落。在驱动频率一定时，通过降低电压的方式实现了对颗粒的捕获和筛选。

图6为对<106μm、150-212μm和425-600μm三种直径的玻璃微球混合颗粒捕获和筛选的结果。信号发生器产生频率1.282MHz的连续正弦信号，经功率放大器后激励超声换能器产生超声波；超声波激励人工结构振动在结构表面产生吸附力。图6（a）所示，当电压为220mVpp时，显微摄像模块拍摄的人工结构表面吸附了呈周期排列的尺寸<106μm的玻璃微球；图6（b）所示，当电压升至240mVpp时，150-212μm的玻璃球被吸附到从人工结构表面，并呈周期排列；如图6（c）所示，当电压升至1000mVpp时，尺寸425-600μm的玻璃球又被吸附到人工结构表面，此时可见人工结构表面吸附了三种尺寸分布的玻璃微球。在驱动频率一定时，通过升高电压的方式实现了对颗粒的捕获和筛选。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (12)

1.一种基于结构声场操控和筛选颗粒的系统，其特征在于，包括样本台、超声波发射装置和人工结构，所述样本台用于盛放待筛选颗粒，所述超声波发射装置用于发射超声波，所述人工结构为周期结构，用于调制声场产生的声辐射力，并对所述待筛选颗粒进行筛选。

2.如权利要求1所述的基于结构声场操控和筛选颗粒的系统，其特征在于，所述周期结构包括基板和平行设置在所述基板上且间隔相等的多个凸条。

3.如权利要求2所述的基于结构声场操控和筛选颗粒的系统，其特征在于，所述凸条为长方体、多棱柱或半圆柱。

4.如权利要求3所述的基于结构声场操控和筛选颗粒的系统，其特征在于，所述凸条为长方体，所述长方体的中心线之间的间距为d，所述基板的厚度为h2，则0.15≤h2/d≤0.25。

5.如权利要求4所述的基于结构声场操控和筛选颗粒的系统，其特征在于，所述长方体的宽、所述长方体的高及所述基板的厚度相等。

6.如权利要求1至5中任一项所述的基于结构声场操控和筛选颗粒的系统，其特征在于，所述人工结构采用横波速大于基体水的纵波带的刚性材料制成。

7.如权利要求1至5中任一项所述的基于结构声场操控和筛选颗粒的系统，其特征在于，所述超声波发射装置包括信号发生器、功率放大器和超声换能器，所述信号发生器用于产生发射信号，所述发射信号经功率放大器激励所述超声换能器产生超声波。

8.如权利要求7所述的基于结构声场操控和筛选颗粒的系统，其特征在于，所述信号发生器还用于将发射频率设定为人工结构的共振频率，通过改变电压的方式实现对超声波的调控；或者所述信号发生器还用于将信号发生器的激励电压设为定值，通过改变频率的方式实现对超声波的调控。

9.如权利要求1至5中任一项所述的基于结构声场操控和筛选颗粒的系统，其特征在于，还包括摄像模块和图像分析模块，所述摄像模块用于拍摄释放捕获后被释放的颗粒的图像，所述图像分析模块用于对所述被释放的颗粒进行测量。

10.一种基于结构声场操控和筛选颗粒的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将待筛选颗粒置于样本台上，将人工结构设置于所述样本台上方；

超声波发射装置发射超声波；

所述人工结构对声场进行调控；

所述人工结构基于所述调制产生的声辐射力筛选所述待筛选颗粒。

11.如权利要求10所述的基于结构声场操控和筛选颗粒的方法，其特征在于，所述人工结构对声场进行调控，具体包括：

将信号发生器的发射频率设定为人工结构的共振频率，通过改变电压的方式实现对超声波的调控；

或者将信号发生器的激励电压设为定值，通过改变频率的方式实现对超声波的调控。

12.如权利要求10所述的基于结构声场操控和筛选颗粒的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

释放被捕获的颗粒，并拍摄被释放的颗粒；

测量所述被释放的颗粒。

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