CN106251925B - 一种基于狭缝声子晶体的微粒操控系统及方法 - Google Patents

一种基于狭缝声子晶体的微粒操控系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于狭缝声子晶体的微粒操控系统及方法，该微粒操控系统包括：狭缝声子晶体结构、微流控器件封装结构、超声电子系统及光学观测系统，所述狭缝声子晶体结构封装于所述微流控器件封装结构内；所述狭缝声子晶体结构由两块刻有周期性结构的平板组成，并且两块平板间隔一设定距离平行设置；所述超声电子系统用于控制发射超声波，激励所述狭缝声子晶体结构内部产生局域场；所述光学观测系统用于观测所述狭缝声子晶体结构的狭缝内的微粒的运动状态。本发明利用狭缝声子晶体这种声人工结构，在尺寸远小于声源波长的狭缝内产生超强局域梯度声场，利用强局域梯度声场产生的声辐射力操控并捕获远小于波长的颗粒。

Description

一种基于狭缝声子晶体的微粒操控系统及方法
技术领域
本发明是涉及超声操控微粒技术领域，特别涉及一种基于人工声场操控微粒的系统及方法。
背景技术
操控微纳米颗粒技术可为研究微观世界提供有效的工具，当前操控微纳米颗粒技术已应用在物理、化学与生物学等多个领域。声波作为一种机械波，可与声场内的微粒进行动量与能量交换，产生声辐射力，控制微粒运动。声波操控微纳米颗粒具有非接触、无损伤与生物兼容性好、易于实现等优点。但由于存在衍射极限的限制，一般超声场还不能直接操控远小于波长微粒(如一般兆赫兹频率段超声无法操控几百纳米，甚至十几纳米的微粒)。随着应用需求的不断增加，操控几百纳米(细菌)到十几纳米(DNA)等物质，研究它们的物理、化学、生物等性质就显得尤为重要。如何利用声辐射力操控纳米尺度的微粒，在声学领域一直是个难题。
目前操控微粒常用驻波【1】或单高斯束【2】产生的声辐射力操控微粒，微粒尺寸在几微米到几百微米不等。若操控尺寸更小的微粒，则需借助二阶声辐射力或利用声流效应操控聚集纳米颗粒。2012年瑞典德隆大学Bjorn Hammarstrom教授课题组用驻波在玻璃管内种“种子”的方法，依靠“种子”与待捕获微粒之间产生的二阶声辐射力，最小可以捕获聚集100nm的聚苯乙烯微球【3】。在2014年T.Laurell教授利用二维驻波场中产生的声流涡旋捕获并富集500nm的聚苯乙烯微球和大肠杆菌【4】。
由换能器直接产生的单高斯束聚焦声场，由于衍射极限的限制，其仅能操控与工作波长相当的微粒，限制了超声在微纳颗粒操控领域的应用。
【参考文献】
1.Wu,J,Acoutiscal tweezers.J.Acoust.Soc.Am.1991.89(5),2140-2143.
2.Lee J,Teh S,Y Lee,A Kim,H.H Lee,Shung K.K.Single beam acoustictrapping.Apl.Phys.Lett.2009.95(7),73701(1)-73707(3).
3.Hammarstrom B,Laurell T,Nilsson J.Seed particle-enabled acoustictrapping of bacteria and nanoparticles in continuous flow systems.Lab on chip2012.12(21),4296–4304.
4.Antfolk M,Muller P.B,Augustsson P,Bruus H,Laurell T.Focusing ofsub-micrometer particles and bacteria enabled by two-dimensionalacoustophoresis.Lab on a chip 2014.14(15),2791-2799.
发明内容
本发明提供一种基于狭缝声子晶体的微粒操控系统，包括：
狭缝声子晶体结构、微流控器件封装结构、超声电子系统及光学观测系统，所述狭缝声子晶体结构封装于所述微流控器件封装结构内；其中，
所述狭缝声子晶体结构由两块刻有周期性结构的平板组成，并且两块平板间隔一设定距离平行设置；
所述超声电子系统用于控制发射超声波，激励所述狭缝声子晶体结构内部产生局域场；
所述光学观测系统用于观测所述狭缝声子晶体结构的狭缝内的微粒的运动状态。
一实施例中，两块所述平板相背的两个面上分别设置所述周期性结构。
一实施例中，所述周期性结构深4μm、宽4μm、结构周期为200μm、所述平板厚度为20μm。
一实施例中，所述平板由单一材料制成或多种材料复合而成。
一实施例中，所述超声电子系统包括：信号发生器，功率放大器及超声换能器；信号发生器产生连续正弦信号或脉冲正弦信号，经过所述功率放大器放大后激励所述超声换能器产生超声波；所述超声换能器设置于所述微流控器件封装结构内。
一实施例中，所述微流控器件封装结构中设置有入口、出口、用于容置狭缝声子晶体结构的卡槽及用于容置所述超声换能器的卡槽。
一实施例中，所述光学观测系统包括：显微镜、CCD及采集卡。
本发明提供一种基于狭缝声子晶体的微粒操控方法，应用于上述基于狭缝声子晶体的微粒操控系统，包括：
选择狭缝声子晶体结构周围的液体及所述微粒操控系统的工作频率；
根据选择所述液体及所述工作频率确定所述狭缝声子晶体结构的基板的密度及结构尺寸；
根据所述基板的密度及结构尺寸制作所述狭缝声子晶体结构；
将所述狭缝声子晶体结构设置在所述微流控器件封装结构内，组装得到所述微粒操控系统；
通过所述微流控器件封装结构的入口注入含有第一微粒的液体；
根据所述工作频率驱动所述超声换能器发射超声波，以使狭缝声子晶体结构在狭缝内捕获所述第一微粒。
一实施例中，根据选择所述液体及所述工作频率确定所述狭缝声子晶体结构的基板的密度及结构尺寸，包括：
预先选定若干基板，计算选定的若干基板在所述液体中的A0模式色散曲线；
根据所述A0模式色散曲线确定每个基板在该液体中产生非泄露的A0模式Lamb波的截止频率；
根据所述截止频率与所述工作频率从选定的若干基板中确定基板；
根据确定的基板的材料声学性质、基板厚度及所述微粒操控系统的工作频率确定选定的基板的间距；
根据所述间距及所述微粒操控系统的工作频率计算多少基板的凸条或凹槽间距；
根据所述微粒操控系统确定所述凸条或凹槽的高度及宽度。
一实施例中，所述微粒操控方法还包括：
通过所述入口向所述微流控器件封装结构注入第二微粒；
利用捕获的所述第一微粒的化学键的吸引力，筛选出所述第二微粒。
一实施例中，所述微粒操控方法还包括：通过出口收集被捕获的所述第一微粒及第二微粒。
本申请的微粒操控系统在远小于波长(亚波长)狭缝内，利用声辐射力捕获并排列纳米颗粒，具有更为简单、高可控性、实用性更强等优点，且有望操控小至十几纳米的物质。并且，亚波长狭缝(远小于声源工作波长)内无障碍，适合微粒的操控，排列与收集。
当然实施本发明的任一产品或者方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例基于狭缝声子晶体的微粒操控系统的结构示意图；
图2为本发明一实施例狭缝声子晶体结构100的结构示意图；
图3为本发明实施例数值模拟狭缝声子晶体结构单包计算结构示意图；
图4为本发明实施例狭缝声子晶体结果的声透射率曲线示意图；
图5为本发明实施例狭缝声子晶体单包在共振频率时的声压力场示意图；
图6为本发明实施例狭缝声子晶体在共振频率时500nm微粒受声辐射力分布示意图；
图7为本申请一实施例基于狭缝声子晶体的微粒操控方法流程图；
图8为本申请另一实施例基于狭缝声子晶体的微粒操控方法流程图；
图9为本申请又一实施例基于狭缝声子晶体的微粒操控方法流程图；
图10A为厚度h＝0.17p的玻璃板在水中的色散曲线；
图10B为狭缝间距w和凸条间距p之间为w＝0.05p时的色散曲线；
图10C为狭缝间距w和凸条间距p之间为w＝0.1p时的色散曲线；
图10D为狭缝间距w和凸条间距p之间为w＝10p时的色散曲线；
图11为本发明另一实施例狭缝声子晶体结构100的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例基于狭缝声子晶体的微粒操控系统的结构示意图。如图1所示，该微粒操控系统包括：狭缝声子晶体结构100、微流控器件封装结构200、超声电子系统300及光学观测系统400。其中，狭缝声子晶体结构100封装于微流控器件封装结构内200。
如图1及图2所示，狭缝声子晶体结构100由两块刻有周期性结构101的平板102组成，两块平板(又称为基板)102间隔一设定距离平行设置，并且两块平板102的大小完全相同。具体设置时，两块平板102正对设置，并且周期性结构101设置在两块平板102相背的两个面上，即在平板102朝外的面上设置有周期性结构101。
两块平板102的材质和尺寸可以完全相同，可以由单一材料制成，也可以多种材料复合而成。平板102的各项参数，如平板的厚度、结构周期、结构形状、结构宽度以及板子的材料决定狭缝声子晶体结构的工作频率(共振频率)，具体地参数可以根据具体情况而定。在狭缝声子晶体结构的共振频率点处，狭缝声子晶体结构内会产生超强局域场，若共振频率在兆赫兹范围内，该微粒操控系统即可对微粒进行捕获与排列，且排列方向与波的传播方向平行。
周期性结构101为在平板102上间隔相同距离均匀设置的结构，一实施例中，周期性结构101为纵向设置。
具体实施时，周期性结构可以包括：周期性凹槽(如图1)及周期性凸条(如图11所示)，周期性凹槽及周期性凸条的截面(垂直于基板的截面)可以为三角形、矩形、菱形、半圆形或其他多边形。
以周期性凸条为例，凸条可以是以水平、竖直或倾斜的方向设置于基板上，只需确保各个凸条相互平行且间距相等。凸条的数量越多，整个声操控微粒器件狭缝内的强局域梯度场越强，但是制作成本也会随之增加，一般情况下，凸条的数量设置为10条以上。
具体实施时，狭缝声子晶体结构100的表面可以进行化学或生物特异性修饰，可以增强靶向粘附微纳米颗粒效率，用于生物微粒捕获，生物传感器等用途。
超声电子系统300可以用于控制发射超声波，激励狭缝声子晶体结构内部产生局域场，以使得狭缝声子晶体结构在狭缝(两块平板102直接的缝隙)内捕获注入到微流控器件封装结构200内的微粒。
光学观测系统400可以用于观测狭缝声子晶体结构狭缝内的微粒的运动状态，并据以掌控实验进程。
如图1所示，超声电子系统300包括：信号发生器301，功率放大器302及超声换能器303。信号发生器301可以产生连续正弦信号或脉冲正弦信号，连续正弦信号或脉冲正弦信号经过功率放大器302放大后激励超声换能器303产生超声波。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,Eectronix)，功率放大器可以是50dB的线性功率放大器(325LA,ENI)。
超声换能器303设置于微流控器件封装结构200内。超声换能器303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。上述狭缝声子晶体结构100的共振频率决定了超声换能器303发射超声的驱动频率，和所选换能器的中心频率。本发明具体实施时，超声换能器可以采用单阵元超声换能器，其中心频率为4MHz。
微流控器件封装结构200中设置有入口201及出口202，入口可以用于注入含有微粒的液体或者直接注入微粒。狭缝声子晶体结构200及超声换能器303设置在微流控器件封装结构中的方式可以有多种，如嵌入式，通过粘合的方式或者通过螺钉固定的方式等。一实施例中，狭缝声子晶体结构200及超声换能器303通过嵌入的方式置入微流控器件封装结构200内部，在微流控器件封装结构200内部设置用于容置狭缝声子晶体结构的卡槽及用于容置所述超声换能器的卡槽，并非用于限定本发明。
本申请包括但不限于在微流控器件封装结构200内对微粒的捕获与筛选，也可扩展到其他环境下，利用狭缝声子晶体捕获微粒等应用。
一实施例中，光学观测系统400可以包括：显微镜、CCD及采集卡等元件，显微镜及CCD可以用于观测狭缝内微粒的运动状态，采集卡可以用于采集显微镜及CCD输出端图像信息。
在将狭缝声子晶体结构100封装于微流控器件封装结构200之前，需要先理论预测并实验测量其狭缝内产生局域场模式的共振频率。实验时可以将狭缝声子晶体板放在水中，通过获取声透射信号，得到声透射率曲线。从声透射率曲线中可以找到共振频率点。一实施例中，狭缝声子晶体结构采用单晶硅材料，周期性结构为周期性凹槽，平板及其上的周期性凹槽的参数如下：深4μm、宽4μm、凹槽周期为200μm、所述平板厚度为20μm，如图2所示。通过数值模拟此结构，可以预测出其共振频率为4MHz。
测量出将狭缝声子晶体结构100的共振频率后，可以组装微粒操控系统，将狭缝声子晶体结构100及超声电子系统300的超声换能器303封装到微流控器件封装结构200中。从入口处，注入包含微粒(包括纳米颗粒及带有特异性抗体的微粒等)的流体。打开超声电子系统300，超声换能器303发射出测量得到的引起狭缝声子晶体结构的共振的超声波。狭缝声子晶体结构100的狭缝为亚波长狭缝，狭缝内产生超强局域声场，可捕获与排列纳米颗粒，且排列后的纳米颗粒可形成面阵列，面阵列排列方向与波的传播方向平行。在此期间可以通过光学观测系统400观察狭缝内微粒的运动状态，掌握整个实验进程。
需要说明的是，本申请的微粒操控系统操控的微粒尺寸为亚波长，不仅限于纳米颗粒捕获与排列，微米尺度的微粒也同样适用。即操控微粒不限于粒径为500nm微粒，还可以是微米颗粒或更小尺度的纳米颗粒，包括纳米材料，细胞，病毒，DNA等。
另外，被纵向排列的纳米颗粒形成面阵列可抵抗一定流速流体的扰动，利用化学键的吸引力，可选择性对再次流经面阵列的微粒进行拦截，实现筛选微粒的目的。
本申请的微粒操控系统在远小于波长(亚波长)狭缝内，利用声辐射力捕获并排列纳米颗粒，具有更为简单、高可控性、实用性更强等优点，且有望操控小至十几纳米的物质。并且，亚波长狭缝(远小于声源工作波长)内无障碍，适合微粒的操控，排列与收集。
本申请利用狭缝声子晶体这种声人工结构，在远小于波长的狭缝内产生超强局域梯度场，利用强梯度声场产生的声辐射力操控并捕获远小于波长的颗粒。上述强梯度声场是包括激发狭缝内局域声场的任意结构。
下面结合数值模拟计算结果的可行性验证说明本申请。
首先，以数值模拟狭缝声子晶体结构的单包计算结构为例进行说明。如图3所示，狭缝声子晶体结构整个浸没在水中。计算区域左右为周期性边界条件(P为狭缝声子晶体结构的结构周期)，上下为平面波辐射，入射源为平面波入射。
狭缝声子晶体结构的声透射率图如图4所示，由图4可以明显的看到频率为0.53451(c/P)的位置处(c为水中声速，P为狭缝声子晶体结构的结构周期)有一个共振极值峰A，对应的频率为共振频率。
在共振频率时狭缝声子晶体结构的声压场分布如图5所示，亚波长狭缝内有超强局域场，这是由于共频率时，带有周期性结构的两板A0模式的泄漏，耦合产生了强局域场。
图6为在共振频率时微粒受声辐射力的分布图。其中箭头表示声辐射力方向，颜色的深浅代表声辐射力大小(颜色越深，声辐射力越大)。微粒的直径为500nm，密度是1080kg/m3，在单周期亚波长超强局域声场内，声辐射力大小变化剧烈，方向水平，且指向狭缝内力为零的位置处(除单周期边缘和最中间的位置处)。这表明微粒在狭缝内会受到声辐射力的操控而水平运动，排列方向为图6中的纵向，这样的排列可抵抗一定流速流体的扰动。
本发明的微粒操控系统的工作原理是：在某一特定频率的超声波激发下，狭缝双板声学装置的每个单板的非泄露A0模式Lamb波在狭缝空间中共振耦合形成对称强梯度声场。这种超强梯度声场产生的辐射力可以捕获并排列狭缝内远小于波长的微粒，此时微粒在狭缝内的运动状态可以被光学观测系统观察并拍摄记录到。
在两块表面具有微扰结构(周期性结果)、且间隔一定距离(狭缝)的单板(基板)组成的声人工结构(狭缝声子晶体结构)中注入含有微粒的流体，通过声波的激发，每个单板的非泄露(non-leaky)A0模式Lamb波在狭缝中共振耦合形成对称的强局域梯度声场。这种强局域梯度声场产生的辐射力可以捕获并排列狭缝内远小于波长的微粒。
基于该狭缝声子晶体的微粒操控系统的工作原理可知，只有当某一特定频率的超声波经过狭缝双板声学装置的狭缝空间后，在狭缝内产生了超强局域梯度场，才能够捕获并排列狭缝内远小于波长的微粒。
在研究本发明的过程中，发明人发现，超声波的频率、狭缝双板声学装置的材质和结构尺寸、以及狭缝空间中所装盛流体，是影响两个单板的非泄露A0模式Lamb波能否在狭缝空间中共振耦合形成对称强局域声场的关键因素，也是影响狭缝内产生局域梯度场大小，能否捕获并排列远小于波长的微粒的关键因素。
本发明将可使得狭缝双板声学装置的两个单板的非泄露A0模式Lamb波在狭缝空间中共振耦合形成对称强局域声场，进而使狭缝内的微粒朝着一定方向运动，实现了操控远小于波长的微粒的目的。
本申请的微粒操控系统在远小于波长(亚波长)狭缝内，利用声辐射力捕获并排列纳米颗粒，具有更为简单、高可控性、实用性更强等优点，且有望操控小至十几纳米的物质。并且，亚波长狭缝(远小于声源工作波长)内无障碍，适合微粒的操控、排列与收集。
图7为本申请实施例基于狭缝声子晶体的微粒操控方法流程图，可以应用于上述的微粒操控系统，如图7所示，该微粒操控方法包括：
S701：选择狭缝声子晶体结构周围的液体及所述微粒操控系统的工作频率(狭缝声子晶体结构的工作频率)；
S702：根据选择所述液体及所述工作频率确定所述狭缝声子晶体结构的基板的密度及结构尺寸；
S703：根据所述基板的密度及结构尺寸制作所述狭缝声子晶体结构；
S704：将所述狭缝声子晶体结构设置在所述微流控器件封装结构内，组装得到所述微粒操控系统；
S705：通过所述微流控器件封装结构的入口注入含有第一微粒的液体；
S706：根据所述共振频率驱动所述超声换能器发射超声波，以使狭缝声子晶体结构在狭缝内捕获所述第一微粒。
图7所示的微粒操控方法，首先根据选择液体及所述工作频率确定所述狭缝声子晶体结构的基板的密度及结构尺寸，并制作狭缝声子晶体结构，然后组装微粒操控系统，并向微流控器件封装结构的入口注入含有第一微粒的液体，最后通过超声换能器发射超声波，可以使狭缝声子晶体结构在狭缝内捕获并排列第一微粒。
上述液体中第一微粒主要为500nm的颗粒，但是上述注入的液体中不限于纳米微粒，还可以包括微米颗粒或更小尺度的纳米颗粒，包括纳米材料，细胞，病毒，DNA等。
S701中，根据实验需要可以任意选择狭缝声子晶体结构周围的液体及微粒操控系统的工作频率，作为后续数据处理的依据。
狭缝声子晶体结构的结构尺寸包括：基板的厚度h，狭缝间距w，凸条或凹槽间距p，凸条或凹槽高度Sh及凸条或凹槽宽度Sw。一实施例中，如图8所示，S702可以包括如下步骤：
S801：预先选定若干基板，计算选定的若干基板在选定液体中的A0模式色散曲线；
不同的基板对应不同的基板材料密度和/或不同的基板厚度，通过如下公式，可以根据基板厚度为h、密度为ρ2的计算基板在液体中的A0模式色散曲线：
k＝ω/c
kL2＝ω/cL2
kT2＝ω/cT2
kL1＝ω/cL1
其中，ω是角频率，c是A0模式的声速，k为A0模式的波矢，kL2是基板纵波波失，kT2是基板横波波失，kL1是液体纵波波失，cL1为流体中的声速，cL2和cT2分别为基板中的纵波声速和横波声速，ρ1为流体的密度。
S802：根据所述A0模式色散曲线确定每个基板在该液体中产生非泄露的A0模式Lamb波的截止频率(即产生非泄露A0模式Lamb波的最大频率)。
得到的色散曲线可以例如图10A至图10D所示，根据色散曲线即可查找出相应的截止频率。
S803：根据所述截止频率与所述工作频率从选定的若干基板中确定基板。
将选定若干基板在上述液体中产生非泄露A0模式Lamb波的截止频率，与该微粒操控系统的工作频率(即超声换能器的驱动频率)的最大设计值max进行比较，并根据比较结果从选定若干基板中确定符合标准的基板，使得按照符合标准制作的基板在该微粒操控系统所适用的所有液体中产生非泄露A0模式Lamb波的截止频率均大于或等于超声换能器的驱动频率的最大设计值max。
图10A为厚度h＝0.17p的玻璃板在水中的色散曲线，以凸条为例，如图10A所示，横坐标波矢k为凸条间距p的倒数的2π倍，纵坐标ω表示微粒操控系统的工作频率，cL1表示液体(这里的液体为水)的声速。在该色散曲线中，玻璃板的A0模式与水线的交点处的频率即为截止频率，超声波的频率只有在小于或等于该截止频率时，狭缝声子晶体结构的每个基板板才能够产生非泄露A0模式Lamb波，因此，如果该截止频率大于或等于微粒操控系统的工作频率的最大设计值max，则该基板的材料声学性质(纵波速度和横波速度)、密度和厚度符合要求。
S804：根据确定的基板的材料声学性质(cL2和cT2)、基板厚度及所述微粒操控系统的工作频率确定选定的基板的间距(两个基板的内表面的狭缝间距w)。
其中，该步骤采用如下方程计算当狭缝声子晶体结构的两个基板产生的非泄露A0模式Lamb波在狭缝空间中共振耦合形成对称模式S色散曲线时，所需的狭缝间距w：
如图10B、图10C及图10D分别为厚度h＝0.17p的两个玻璃板当间隔不同的狭缝间距w时，在水中的色散曲线。其中，图10B为狭缝间距w和凸条间距p之间为w＝0.05p时的色散曲线，图10C为狭缝间距w和凸条间距p之间为w＝0.1p时的色散曲线，图10D为狭缝间距w和凸条间距p之间为w＝10p时的色散曲线，其中，曲线S表示狭缝双板声学装置的两个单板产生的非泄露A0模式Lamb波在狭缝中共振耦合形成的对称模式。通过对比图10B、图10C及图10D可知，工作频率越低，狭缝间距w越小，加工工艺的难度会越大。
S805：根据所述间距及所述微粒操控系统的工作频率，在对应色散曲线S模曲线上找到对应波数k值为1时，所对应的凸条间距p。
S806：根据所述微粒操控系统确定所述凸条的高度及宽度。凸条的高度及宽度范围在0至p之间。
凸条作为微扰结构，凸条高度Sh和凸条宽度Sw会影响穿过狭缝声子晶体结构的超声波频谱中共振透射增强峰的频点。具体的，凸条高度Sh和凸条宽度Sw越大，对狭缝声子晶体结构的工作频率的扰动越大。具体实施时，可以通过精细调整获得理想的凸条尺寸。
S703具体实施时，根据材料声学性质(cL2和cT2)、密度ρ2、基板厚度h、狭缝间距w、凸条间距p、凸条高度Sh和凸条宽度Sw可以制作狭缝声子晶体结构。
S704：将所述狭缝声子晶体结构设置在所述微流控器件封装结构内，组装得到所述微粒操控系统。
根据超声换能器的驱动频率，可以选择制作的狭缝声子晶体结构，将狭缝声子晶体结构设置在所述微流控器件封装结构内，就可以组装得到所述微粒操控系统。
一实施例中，如图9所示，图7所示的微粒操控方法还包括：
S901：通过所述入口向所述微流控器件封装结构注入待捕获的第二微粒；
S902：利用捕获的所述第一微粒的化学键的吸引力，筛选出所述第二微粒。
被捕获的第一微粒(纳米颗粒)被纵向排列，形成面阵列可抵抗一定流速流体的扰动。图9所示的方法中，利用化学键的吸引力，可选择性对再次流经面阵列的微粒进行拦截，实现筛选微粒的目的。
上述第二微粒主要为细胞，病毒，DNA等尺度比第一微粒更小的纳米颗粒。
对于上述捕获的微粒(第一微粒及第二微粒)，可以通过出口收集。
利用本申请的微粒操控方法，可以在远小于波长(亚波长)狭缝内，利用声辐射力捕获并排列纳米颗粒，具有更为简单、高可控性、实用性更强等优点，且有望操控小至十几纳米的物质。并且，亚波长狭缝(远小于声源工作波长)内无障碍，适合微粒的操控，排列与收集。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (11)

1.一种基于狭缝声子晶体的微粒操控系统，其特征在于，包括：狭缝声子晶体结构、微流控器件封装结构、超声电子系统及光学观测系统，所述狭缝声子晶体结构封装于所述微流控器件封装结构内；其中，
所述狭缝声子晶体结构由两块刻有周期性结构的平板组成，并且两块平板间隔一设定距离平行设置；
所述超声电子系统用于控制发射超声波，激励所述狭缝声子晶体结构内部产生局域场；
所述光学观测系统用于观测所述狭缝声子晶体结构的狭缝内的微粒的运动状态；
其中，两块所述平板相背的两个面上分别设置所述周期性结构。
2.根据权利要求1所述的基于狭缝声子晶体的微粒操控系统，其特征在于，所述周期性结构包括：周期性凹槽及周期性凸条。
3.根据权利要求1所述的基于狭缝声子晶体的微粒操控系统，其特征在于，所述平板由单一材料制成或多种材料复合而成。
4.根据权利要求1所述的基于狭缝声子晶体的微粒操控系统，其特征在于，所述超声电子系统包括：信号发生器，功率放大器及超声换能器；信号发生器产生连续正弦信号或脉冲正弦信号，经过所述功率放大器放大后激励所述超声换能器产生超声波；所述超声换能器设置于所述微流控器件封装结构内。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于狭缝声子晶体的微粒操控系统，其特征在于，所述微流控器件封装结构中设置有入口、出口、用于容置狭缝声子晶体结构的卡槽及用于容置所述超声换能器的卡槽。
6.根据权利要求1所述的基于狭缝声子晶体的微粒操控系统，其特征在于，所述光学观测系统包括：显微镜、CCD及采集卡。
7.根据权利要求1所述的基于狭缝声子晶体的微粒操控系统，其特征在于，所述狭缝的宽度小于声源工作波长。
8.一种基于狭缝声子晶体的微粒操控方法，应用于权利要求1-7中任一项所述的基于狭缝声子晶体的微粒操控系统，其特征在于，包括：
选择狭缝声子晶体结构周围的液体及所述微粒操控系统的工作频率；
根据选择所述液体及所述工作频率确定所述狭缝声子晶体结构的基板的密度及结构尺寸；
根据所述基板的密度及结构尺寸制作所述狭缝声子晶体结构；
将所述狭缝声子晶体结构设置在所述微流控器件封装结构内，组装得到所述微粒操控系统；
通过所述微流控器件封装结构的入口注入含有第一微粒的液体；
根据所述工作频率驱动所述超声换能器发射超声波，以使狭缝声子晶体结构在狭缝内捕获所述第一微粒。
9.根据权利要求8所述的基于狭缝声子晶体的微粒操控方法，其特征在于，根据选择所述液体及所述工作频率确定所述狭缝声子晶体结构的基板的密度及结构尺寸，包括：
预先选定若干基板，计算选定的若干基板在所述液体中的A0模式色散曲线；
根据所述A0模式色散曲线确定每个基板在该液体中产生非泄露的A0模式Lamb波的截止频率；
根据所述截止频率与所述工作频率从选定的若干基板中确定基板；
根据确定的基板的材料声学性质、基板厚度及所述微粒操控系统的工作频率确定选定的基板的间距；
根据所述间距及所述微粒操控系统的工作频率计算多少基板的凸条间距或凹槽间距；
根据所述微粒操控系统确定所述凸条或凹槽的高度及宽度。
10.根据权利要求8所述的基于狭缝声子晶体的微粒操控方法，其特征在于，还包括：
通过所述入口向所述微流控器件封装结构注入第二微粒；
利用捕获的所述第一微粒的化学键的吸引力，筛选出所述第二微粒。
11.根据权利要求10所述的基于狭缝声子晶体的微粒操控方法，其特征在于，还包括：通过出口收集被捕获的所述第一微粒及第二微粒。
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