CN109939913A - 一种声镊装置 - Google Patents

Abstract

一种声镊装置，包括超声波发射机构和设置在所述超声波发射机构上的波导结构，所述超声波发射机构用于发射超声波，所述波导结构用于传导超声波，还包括共振单元体，所述共振单元体设置在所述波导机构上，超声波激励所述共振单元体共振，在所述共振单元体表面产生捕获颗粒的局域场。本申请使用的超声频率很低，不需要精确调制相位，因此换能器易于加工制造，且不需要复杂的电子系统，仅通过设计加工的共振单元体调制低频入射声场的方式，在共振单元体表面产生局域场，就可实现对微米级颗粒的捕获等操控。当关掉超声波发射机构时，由于失去声辐射力，捕获在共振单元体表面的颗粒会被释放。本申请声镊装置制作工艺简单、价格低廉，可以实现量化生产。

Description

一种声镊装置

技术领域

本申请涉及微纳米颗粒操控领域，尤其涉及一种声镊装置。

背景技术

当前单声束声镊主要通过两种方式实现：单阵元高频超声高斯束和多阵元相位调控涡旋声束。这两种方式对于换能器加工工艺或者电子系统的设计均有很高的要求。比如为了实现高频超声高斯束，需要较高水平的压电晶体磨制工艺，发射100MHz的高斯束，需要将压电晶体磨到30μm厚，费时费力，且无法实现批量生产。而为了实现涡旋声束，不仅需要对阵元进行精密切割和布局，而且需要复杂的电子系统实现对每个阵元发射信号相位的精确控制。另外，上述两种单声束声镊的工作频率通常是固定的，难以根据操控颗粒的大小灵活地选择工作频率。

由于颗粒和光波之间的动量交换以及光的反射，颗粒在聚焦激光场中会受到光辐射压力的作用。因此基于光辐射压力可实现对颗粒的操控，这导致了光镊技术的发展。光镊技术对单个原子或者微纳米物体的精确操控技术的研究与开发对生物学、量子光学、软物质物理学、纳米结构材料学和医学基础研究均产生了重大的影响。光镊技术不仅为研究金属、细胞、蛋白质、DNA等微纳米颗粒及以其为基元的微纳结构的基本力学、物理和生化特性提供了重要研究手段。但是光镊系统比较昂贵，且激光的热效应会对细胞等生物颗粒造成损伤。

与光辐射力类似，由于声场中的颗粒也会与声波之间发生动量交换，因此声场中的颗粒会受到声辐射力。基于声辐射力的声镊技术也可实现对颗粒的操控。与光镊技术相比，声镊技术因其具有非接触、无创、低廉、普遍适用性等优点而受到了广泛的关注。吴君汝等率先提出了声镊概念，并通过两个共聚焦探头，在声势阱处俘获了270μm的颗粒，在实验上首次实现了声镊效应。但是这种技术是利用两个声束实现的，非单声束声镊。Lee等利用单个30MHz高频换能器产生的高斯聚焦波束，实现了对直径40μm液滴的捕获。为了能够对更小的颗粒提供稳定的操控，该研究小组后来又将超声频率提高到了100MHz和300MHz，增强了焦点附近声场的局域化程度，从而实现了对单细胞或者亚微米颗粒的操控，但同时也进一步提高了换能器加工制造的难度。另外，这种技术主要是利用垂直于声轴的侧向声辐射力将颗粒吸引至声束中心，而轴向声辐射力与声传播方向相同，表现为推力。为了抵消轴向声辐射力的作用，需要引入一张薄膜阻挡颗粒沿声轴方向的运动。Baresch等首次提出了一种单声束三维操控颗粒的方法。该方法使用阵列换能器，每个阵元均有独立的信号发射电路。首先根据所要产生的目标声场反向计算每个阵元的激励信号，再将这些激励信号输入对应的信号发射电路，激励相应的阵元发射声波，所有阵元的发射声波最终合成为目标声场。该方法可产生对颗粒轴向和侧向的吸引力，因而可以将颗粒捕获在声束中心。但是该方法需要对阵元精密切割和布局，也需要复杂的电子系统来精确控制每个阵元的发射信号的相位和幅度。另外，上述两种单声束声镊的工作频率通常是固定的，难以根据操控颗粒的大小灵活地选择工作频率。

当前单声束声镊对于换能器加工工艺或者电子系统的设计均有很高的要求。这是因为为了对颗粒提供稳定捕获需要对波束的剖面进行设计，但是一般很难根据设计的声场剖面反向加工相应的换能器。

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，提供一种声镊装置。

本申请要解决的技术问题通过以下技术方案加以解决：

一种声镊装置，包括超声波发射机构和设置在所述超声波发射机构上的波导结构，所述超声波发射机构用于发射超声波，所述波导结构用于传导超声波，其特征在于，还包括共振单元体，所述共振单元体设置在所述波导机构上，超声波激励所述共振单元体共振，在所述共振单元体表面产生捕获颗粒的局域场。

上述声镊装置中，所述共振单元体包括表面由软材料构成的实心结构，所述软材料包括横波速小于水的纵波速的材料。

上述声镊装置中，所述共振单元体包括由软材料构成的实心结构。

上述声镊装置中，所述软材料包括聚乳酸或橡胶。

上述声镊装置中，所述共振单元体包括由软材料包裹硬材料构成的实心结构，所述硬材料为横波速大于等于水的纵波速的材料。

上述声镊装置中，所述硬材料包括金属。

上述声镊装置中，所述实心结构包括球体、圆柱体、棱锥或棱柱。

上述声镊装置中，所述超声波发射机构包括信号发生器、功率放大器和超声换能器，所述信号发生器用于产生电信号，所述电信号经功率放大器放大后激励所述超声换能器产生超声波。

上述声镊装置中，所述波导结构包括塑料壳体和设置在所述壳体内的超声耦合剂，且所述波导结构由聚乳酸或有机玻璃材料经3D打印制成。

上述声镊装置中，所述共振单元体由3D打印制成。

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，由于包括超声波发射机构、设置在所述超声波发射机构上的波导结构和共振单元体，超声波发射机构用于发射超声波，波导结构用于传导超声波，共振单元体设置在波导机构上，超声波激励共振单元体共振，在共振单元体表面产生捕获颗粒的局域场，该局域场对颗粒产生声辐射力将颗粒稳定捕获在共振单元体表面。通过移动超声波发射机构可以移动捕获的颗粒。本申请使用的超声频率很低，不需要精确调制相位，因此换能器易于加工制造，且不需要复杂的电子系统，仅通过设计加工的共振单元体调制低频入射声场的方式，在共振单元体表面产生局域场，就可实现对微米级颗粒的捕获等操控。当关掉超声波发射机构时，由于失去声辐射力，捕获在共振单元体表面的颗粒会被释放。本申请声镊装置制作工艺简单、价格低廉，可以实现量化生产。

⑵在本申请的具体实施方式中，由于共振单元体可通过3D打印等方式实现，因此进一步简化了单声束声镊装置的制造工艺。

附图说明

图1为本申请的声镊装置在一种实施方式中的功能模块示意图；

图2为本申请的声镊装置在一种实施方式中的结构示意图；

图3为对软材料PLA构成的共振单元体进行计算得出的透射谱；

图4为软材料PLA实心圆柱低阶共振声压场；

图5为软材料PLA实心圆柱高阶共振声压场；

图6为软材料橡胶包裹硬材料不锈钢构成的共振单元体的透射谱；

图7为软材料橡胶包裹硬材料不锈钢构成的共振单元体的共振声压场；

图8为对软材料PLA制成的实心圆柱形状共振单元体进行测量得出的透射谱；

图9为低阶共振的声镊装置捕获颗粒的实验结果；

图10为高阶共振的声镊装置捕获颗粒的实验结果。

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。

如图1、图2所示，本申请的声镊装置，其一种实施方式，包括超声波发射机构10、波导结构20和共振单元体30，共振单元体30可以有一个或多个，波导结构20设置在超声波发射机构10上，共振单元体30设置在波导机构20上，超声波发射机构10用于发射超声波，波导结构20用于传导超声波，超声波激励共振单元体30共振，在共振单元体30表面产生捕获颗粒的局域场。

本申请的声镊装置，共振单元体30包括实心结构，实心结构的表面由软材料构成，本申请中，软材料指横波速小于水的纵波速的材料。

在一种实施方式中，共振单元体可以为全部由软材料构成的实心结构。软材料可以包括聚乳酸(PLA)或橡胶等。

在另一种实施方式中，共振单元体包括由软材料包裹硬材料构成的实心结构，硬材料为横波速大于等于水的纵波速的材料。硬材料可以包括金属，如不锈钢、铝或铜等。

本申请的声镊装置，实心结构可以包括球体、圆柱体、棱锥或棱柱等多种形状。

在一种实施方式中，超声波发射机构10包括信号发生器11、功率放大器12和超声换能器13，信号发生器11用于产生电信号，电信号经功率放大器12放大后激励超声换能器13产生超声波。

本申请的波导结构20包括塑料壳体和设置在该壳体内的超声耦合剂，且波导结构由聚乳酸或有机玻璃材料经3D打印制成。

波导结构20用于连接超声换能器13和共振单元体30，波导结构20内装有超声耦合剂，用于传播超声换能器13发出的超声波。超声换能器13发出的超声波经波导结构20内的超声耦合剂传播至共振单元体30处，激励共振单元体30共振，在共振单元体30表面产生局域强场，该局域强场会对颗粒产生声辐射力将颗粒稳定捕获在共振单元体30表面。通过移动超声换能器13可以移动捕获的颗粒。当关掉超声换能器13时，由于失去声辐射力，捕获在共振单元体30表面的颗粒会被释放。

在一种实施方式中，本申请的共振单元体30由3D打印制成。共振单元体30的低阶共振和高阶共振均可用于操控捕获颗粒，因此本申请的声镊装置可通过改变驱动频率可对颗粒实现灵活的可调控操控。

本申请的共振单元体30可以是横波速小于水的纵波速的软材料构成的实心圆柱或者圆球。图3是共振单元体为聚乳酸(PLA)构成的直径350μm圆柱时的透射谱，可以看到频谱中含有低阶和高阶等共振频率。图4为低阶共振时PLA圆柱的表面局域声压场的分布，图5为高阶共振时PLA圆柱的表面局域声压场的分布。可以看出，高阶共振声压场比低阶共振声压场的局域化程度更高，因此可以稳定捕获更小的颗粒。在不同的共振频率激励下，分别激发低阶共振和高阶共振，可以实现对相同材料不同尺寸或者相同尺寸但不同材料的颗粒的选择性捕获。因此，本申请的声镊装置是灵活可调控的。

共振单元体30可以是横波速小于水的纵波速的软材料包裹横波速大于水的纵波速的硬材料构成复合材料实心圆柱或者圆球。图6为软橡胶包裹不锈钢构成的直径500μm复合材料圆柱的透射谱，可以看到频谱存在一显著的共振峰。图7为共振时复合材料圆柱的表面局域声压场的分布。

图8为实验测量的PLA材料制成的圆柱形共振单元体的透射谱。圆柱的直径为300μm，通过3D打印获得。从图中可以看出，共振单元体的透射谱存在几个透射系数的极小值，其对应的共振频率即为共振单元体的共振频率，其中1.5MHz附近的共振频率为共振单元体的低阶共振频率，其余极小值对应的共振频率为高阶共振频率。

图9为基于共振单元体低阶共振的声镊捕获颗粒的实验结果。实验中的共振单元体为直径300μm的PLA圆柱。波导结构为3D打印的塑料外壳。超声换能器采用中心频率1.5MHz非聚焦换能器。信号发生器(AFG 3102,Tektronix,Beaverton,OR,USA)产生1.552MHz的连续正弦波经过功率放大器(150A100B,Amplifier Research,Souderton,PA,USA)放大后激励超声换能器发射超声波。入射超声波经波导结构里的超声耦合剂传播至共振单元体PLA处激发PLA的低阶共振，并在PLA表面产生局域强场。图9显示了直径15μm的聚苯乙烯颗粒被声镊的共振单元体PLA捕获的过程。

图10为基于共振单元体高阶共振的声镊捕获颗粒的实验结果。实验中的共振单元体为直径300μm的PLA圆柱。波导结构为3D打印的塑料外壳。超声换能器采用中心频率3.5MHz非聚焦换能器。信号发生器(AFG 3102,Tektronix,Beaverton,OR,USA)产生3.2MHz的连续正弦波经过功率放大器(150A100B,Amplifier Research,Souderton,PA,USA)放大后激励超声换能器发射超声波。入射超声波经波导结构里的超声耦合剂传播至共振单元体PLA处激发PLA的低阶共振，并在PLA表面产生局域强场。图10显示了单个直径5μm的聚苯乙烯颗粒被声镊的共振单元体PLA捕获的过程。

本申请公开了一种基于共振单元体的声镊装置，包括超声换能器，共振单元体，波导结构、信号发生器和功率放大器。波导结构用来连接超声换能器和共振单元体，波导结构内装有超声耦合剂用来传播超声换能器发出的超声波。超声换能器发出的超声波经波导结构内的超声耦合剂传播至共振单元体处，激励共振单元体共振，在共振单元体表面产生局域强场，该局域强场会对颗粒产生声辐射力将颗粒稳定捕获在共振单元体表面。通过移动换能器可以移动捕获的颗粒。当关掉超声时，由于失去声辐射力，捕获在共振单元体表面的颗粒会被释放。

共振单元体的可以是横波速小于水的纵波速的软材料构成的实心体，其形状可以是圆柱或者圆球等。共振单元体可以是横波速小于水的纵波速的软材料包裹横波速大于水的纵波速的硬材料构成复合材料实心体，其形状可以是圆柱或者圆球等。

共振单元体的低阶共振和高阶共振均可用于操控捕获颗粒，因此基于共振单元体的声镊通过改变驱动频率可对颗粒实现灵活的可调控操控。

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 (10)

1.一种声镊装置，包括超声波发射机构和设置在所述超声波发射机构上的波导结构，所述超声波发射机构用于发射超声波，所述波导结构用于传导超声波，其特征在于，还包括共振单元体，所述共振单元体设置在所述波导机构上，超声波激励所述共振单元体共振，在所述共振单元体表面产生捕获颗粒的局域场。

2.如权利要求1所述的声镊装置，其特征在于，所述共振单元体包括表面由软材料构成的实心结构，所述软材料包括横波速小于水的纵波速的材料。

3.如权利要求2所述的声镊装置，其特征在于，所述共振单元体包括由软材料构成的实心结构。

4.如权利要求3所述的声镊装置，其特征在于，所述软材料包括聚乳酸或橡胶。

5.如权利要求2所述的声镊装置，其特征在于，所述共振单元体包括由软材料包裹硬材料构成的实心结构，所述硬材料为横波速大于等于水的纵波速的材料。

6.如权利要求5所述的声镊装置，其特征在于，所述硬材料包括金属。

7.如权利要求2所述的声镊装置，其特征在于，所述实心结构包括球体、圆柱体、棱锥或棱柱。

8.如权利要求1至7中任一项所述的声镊装置，其特征在于，所述超声波发射机构包括信号发生器、功率放大器和超声换能器，所述信号发生器用于产生电信号，所述电信号经功率放大器放大后激励所述超声换能器产生超声波。

9.如权利要求1至7中任一项所述的声镊装置，其特征在于，所述波导结构包括塑料壳体和设置在所述壳体内的超声耦合剂，且所述波导结构由聚乳酸或有机玻璃材料经3D打印制成。

10.如权利要求1至7中任一项所述的声镊装置，其特征在于，所述共振单元体由3D打印制成。