CN111530513B - 一种基于人工结构平板的声镊子 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于人工结构平板的声镊子，该技术依赖的操作系统包括三维平移装置、用于辐射超声波的超声波发射装置、人工结构平板和载物台，载物台用于放置待操控颗粒，人工结构平板具有特殊的几何设计，用于调制声场形成多种特殊构型的聚焦花瓣声束，并对不同大小的颗粒进行捕获，三维平移装置用于移动由人工结构平板生成的聚焦花瓣声束，从而实现颗粒的自由传递和运输。该声镊子主要利用人工结构平板调制声场产生多种聚焦花瓣声束，应用其声辐射力特性将不同大小的颗粒捕获在声束的中心区域，并通过移动聚焦花瓣声束实现颗粒的传递和运输，该技术在材料制备、细胞分离、药物运输以及生物工程等实际应用方面具有重要研究价值。

Description

一种基于人工结构平板的声镊子

技术领域

本发明属于声波操控技术领域，具体而言，涉及一种明基于人工结构平板的声镊子。

背景技术

微操控技术的研究与发展对生物、物理、化学、医药制药等领域具有重要意义。微操控技术不仅为细胞、颗粒和微生物的物理和生物特性提供了重要的研究手段，而且为用于操纵微小物体的各种实验仪器的研制提供了相关的技术支持。如何设计与制备出精确可靠、简单方便和成本低廉的控制技术以实现微小物体的灵活操控已成为热门研究方向之一。

相较于光场、磁场、电泳、微流等微操控技术，声镊子具有能量损耗低、生物损伤小以及穿透深度深等优点，其在材料制备、细胞分离、药物运输、生物工程等方面具有广阔应用前景。目前，声镊子的实现方法主要集中于主动型换能器阵列，即通过独立地控制每一个换能器的相位延时获得特定的相位分布，从而构建各种复杂的声场并产生多种多样的微操控方式，比如聚集、分离、清除、捕获和旋转等。然而，这种换能器阵列设计需要复杂的电路调控和精准的相位控制；同时，单个换能器具有一定体积尺寸，这将严重限制高频声场的有效产生以及高频声波对微小物体的操控。

最近，利用被动型声学人工结构的声镊子引起了研究人员的广泛关注。其实现方法是设计具有特殊性质的人工结构单元，通过调整结构单元的构型和排列方式灵活地调控声场，利用声场的声辐射力特性进而实现高精度微操控技术。比如，利用周期性人工结构平板诱导局域声场增强效应，可以对微粒进行捕获、筛选、排序等操控；设计表面刻有准周期声栅的结构板，通过调制入射声波的工作频率实现微粒的移动和运输；在声全息片上记录声场相位信息，构建复杂声场迫使微粒按照预定的轨迹移动；构造声学超表面阵列产生多种特殊声束，实现微小物体的稳定捕获和旋转操控等。基于人工结构的声镊子具有简单的结构设计和自由调制声场的能力等优点，为微粒和生物细胞操控提供了新的方法和思路。目前，该方法主要集中于操控尺寸远小于声波波长的微小物体，对于尺寸达到波长数量级的较大物体的操控研究仍未见报道。

发明内容

本发明旨在提供一种基于人工结构平板的声镊子，利用人工结构平板调制声场形成多种具有特殊构型的聚焦花瓣声束，应用其声辐射力特性对不同大小的颗粒进行捕获、传递和运输等操控。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种基于人工结构平板的声镊子，其操作系统包括：三维平移装置，位于操作系统的最上方，用于移动超声换能器和人工结构平板；超声波发射装置，位于三维平移装置的正下方，包括用于辐射平面超声波的超声换能器；人工结构平板，设置在超声换能器正下方，用于调制透射声场形成多种构型的聚焦花瓣声束； 载物台，设置在所述人工结构平板的正下方，用于放置待操控颗粒；所述人工结构平板具有均匀的m个扇区，每个扇区由两组离散型曲线缝构成，分别标记为I和II；I和II初始曲线缝的半径分别为r₀和r₁，相邻缝之间的径向距离为g，缝的宽度为d，缝的条数为L；当m = 1时，I和II的曲线缝分别表示为：r_I(θ) = r₀ + (L−1)g，0≤θ≤π和r_II(θ) = r₁ +(L−1)g，π≤θ≤2π，L = 1,2,…,6；当m ≥ 2时，I和II的曲线缝分别表示为：r_I(θ) = r₀ +(L −1)g，π(2n−2)/m≤θ≤π(2n−1) /m和r_II(θ) = r₁ + (L −1)g，π(2n−1)/m≤θ≤π(2n)/m，L = 1,2,…,6，n = 1,2,…,m；1.5 mm≤g≤1.8 mm；0.3 mm≤d≤0.6 mm。

根据本发明，基于人工结构平板的声镊子中，曲线缝L =6。

根据本发明，基于人工结构平板的声镊子，扇区的个数m=1或者m = 5。

根据本发明，人工结构平板中I和II曲线缝的初始半径r₀和r₁满足一定条件：r₁ =r₀ + g/2；优选地，几何参数r₀、r₁、g和d分别设为7、7.85、1.7和0.6 mm。

根据本发明，人工结构平板具有圆柱形几何形状，所述人工结构平板的直径和厚度分别为D和t；其中，35 mm≤D≤64mm，0.2 mm≤t≤3 mm。优选地，人工结构平板上I和II曲线缝的初始半径r₀和r₁满足一定条件：r₁ = r₀ + g/2；优选地，几何参数r₀、r₁、g、d、D和t分别设为7 mm、7.85 mm、1.7 mm、0.6 mm、35mm和3mm。

根据本发明，人工结构平板为声阻抗率值≥3.5×10⁷ Ns/m³的硬性材料制成。优选地，所述人工结构平板为不锈钢材料、钛合金材料或黄铜材料；所述不锈钢材料的密度、纵波速度和横波速度分别为7900kg/m³、5240 m/s和2978 m/s。

根据本发明，所述超声波发射装置包括信号发生器、功率放大器以及超声换能器；所述信号发生器用于控制输出电信号的波形和频率，所述功率放大器用于提高所述超声换能器的入射电功率，所述超声换能器用于辐射平面超声波。

根据本发明，所述操作系统还包括电子显微镜和吸声体，电子显微镜用于拍摄和记录聚焦型花瓣声束捕获和移动颗粒的过程；所述吸声体放置于水箱底部以降低反射声波对声场的影响。优选地，吸声体为橡胶吸声体；更优选地，吸声体为楔形橡胶吸声体。

根据本发明，三维平移装置包括高精密电移台和电移台控制箱，用于控制超声换能器和人工结构平板的空间位置。

根据本发明，所述载物台由聚乙烯透明培养皿制成，其材料密度和声速分别为930kg/m³和1950m/s；优选地，载物台的厚度为0.8mm。

优选地，所述待操控颗粒为聚苯乙烯微球，所述聚苯乙烯微球的密度为1050 kg/m³，横波速度为2170 m/s，纵波速度为1100 m/s。

优选地，小尺寸的聚苯乙烯微球的尺寸为0.1~2mm；更优选为0.1~0.24mm；大尺寸的聚苯乙烯微球的尺寸为1.5~2mm。例如，聚苯乙烯微球的尺寸远小于声波波长，其直径为0.24mm；或者聚苯乙烯微球的尺寸达到波长数量级，其直径为1.5mm。

本发明的有益效果：

1）本发明利用具有特殊设计的人工结构平板调制声场形成多种具有特殊构型的聚焦花瓣声束，分别将不同大小的颗粒捕获在花瓣声束的力学平衡位置，并通过移动聚焦花瓣声束自由地传递和运输相应大小的颗粒。这种操控方式既可以实现对尺寸远小于声波波长的微小物体的操控，又可以用于操控尺寸达到波长数量级的较大物体。

2）本发明所设计的人工结构平板在入射面和出射面都呈平面形状，其沿传播方向的厚度不受限制，可以根据实际需求制成超薄型圆片状，也可制成具有一定厚度的圆柱状，在集成声学器件的设计和制备中具有独特的优势。综上本发明提供的是一种操作简单、成本低廉、精准可靠的基于人工结构平板的声镊子。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于人工结构平板的声镊子的实施方式示意图；

图2为本发明提供的一种基于人工结构平板的声镊子的实验装置示意图；

图3为本发明采用的人工结构平板的结构示意图；

图4为本发明的人工结构平板产生的m = 1的聚焦花瓣声束的声场图；

图5为本发明的人工结构平板产生的m = 5的聚焦花瓣声束的声场图；

图6为本发明提供的具体生成聚焦花瓣声束的实验样品、实验测试和仿真声场图；

图7为使用本发明的声镊子对较小的聚苯乙烯微球进行捕获和移动的效果图；

图8为使用本发明的声镊子对较大的聚苯乙烯微球进行捕获和移动的效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合本附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。需要强调，此处描述的具体实施例仅用于更好的阐述本发明，为本发明部分实施例，而非全部实施例，所以并不用作限定本发明。此外，下面描述的本发明实施例中涉及的技术特征，只要彼此间未构成冲突，即可以相互组合。

如图1-3所示，本发明提供了一种基于人工结构平板的声镊子，其操作系统包括三维平移装置10、超声波发射装置20、人工结构平板30和载物台40。其中，三维平移装置10位于操作系统的最上方，用于移动超声换能器和人工结构平板30，三维平移装置用于移动由人工结构平板生成的聚焦花瓣声束，从而灵活地移动和运输不同大小的颗粒，实现颗粒的自由传递和运输。超声波发射装置20位于三维平移装置10的正下方，包括用于辐射平面超声波的超声换能器。人工结构平板30设置在超声换能器正下方，具有特殊的几何设计，用于调制透射声场形成多种特殊构型的聚焦花瓣声束，并对不同大小的待操控颗粒进行捕获操作。载物台40设置在人工结构平板30的正下方，用于放置待操控颗粒。

根据本发明，人工结构平板具有圆柱形几何形状，其直径和厚度分别为D和t。优选地，35 mm≤D≤64mm，0.2 mm≤t≤3 mm。人工结构平板被均匀地分成m个扇区，每个扇区由两组离散型曲线缝构成，分别标记为I和II；I和II初始曲线缝的半径分别为r₀和r₁，相邻缝之间的径向距离为g，缝的宽度为d；当m = 1时，I和II的曲线缝分别表示为：r_I(θ) = r₀ +(L−1)g，0≤θ≤π和r_II(θ) = r₁ + (L−1)g，π≤θ≤2π，L = 1,2,…,6；当m ≥ 2时，I和II的曲线缝分别表示为：r_I(θ) = r₀ + (L−1)g，π(2n−2)/m≤θ≤π(2n−1) /m和r_II(θ) = r₁ + (L−1)g，π(2n−1)/m≤θ≤π(2n)/m，L = 1,2,…,6，n = 1,2,…,m。

上述基于人工结构平板的声镊子，所述人工结构平板基于声波衍射作用原理，I和II曲线缝的初始半径r₀和r₁满足一定条件：r₁ = r₀ + g/2；其几何参数r₀、r₁、g和d分别设为7、7.85、1.7和0.6 mm。

上述基于人工结构平板的声镊子，人工结构平板30在入射面和出射面均呈平面形状。其沿传播方向的厚度t不受限制，可以根据实际需求制成超薄型圆片状，也可制成具有一定厚度的圆柱状。

根据本发明，人工结构平板30可以是由不锈钢材料、钛合金材料或者黄铜材料制备而成。优选地，人工结构平板30由不锈钢材料制备而成，其密度、纵波速度和横波速度分别为7900 kg/m³、5240 m/s和2978 m/s，其声阻抗率约为背景介质声阻抗率的20倍。本发明优选不锈钢材料但并不局限于此，其他声阻抗率足够大的硬性材料同样可以用来制作人工结构平板。优选地，用于人工结构平板30的材料声阻抗率值一般大于等于3.5×10⁷ Ns/m³。

如图2所示，上述基于人工结构平板的声镊子，超声波发射装置20包括信号发生器21、功率放大器22以及超声换能器23。信号发生器21用于控制输出电信号的波形和频率，功率放大器22用于提高超声换能器23的入射电功率，超声换能器用于发射平面超声波。超声换能器23（DYG-1M, Dayu Electric, China）的直径为6.4 cm，其中心频率为1 MHz；信号发生器21（AFG3021, Tectronix）的发射信号是连续正弦信号，其工作频率为1 MHz；连续正弦信号经功率放大器22（325LA, ENI）后激发超声换能器23产生平面超声波。利用信号发生器21产生频率为1 MHz的正弦电信号，通过电缆线将电信号输入功率放大器22，调制功率放大器22的放大倍数有效提高电信号的输出电功率，进一步将电信号输入超声换能器23产生频率为1 MHz的平面波。

在上述操作系统中，三维平移装置10主要是三维手动微调高精密位移台。利用支撑杆将超声换能器23和人工结构平板30固定在位移台上，根据实际位移需求，通过手动旋转位移台的旋钮可以自由控制超声换能器23和人工结构平板30的三维空间位置。

根据本发明，载物台40的厚度约为0.8 mm，其可以是由聚乙烯透明培养皿制成，材料密度和声速分别为930 kg/m³和1950 m/s。背景介质为水，其密度和声速分别为1000kg/m³和1490m/s。聚乙烯的声阻抗率与水的声阻抗率近似，因此，载物台40在水中可以看成一种透声材料，其反射的声波对声场的整体分布影响较小。

根据本发明，待操控颗粒可选用聚苯乙烯微球，其密度为1050kg/m³，横波速度为2170m/s，纵波速度为1100m/s。优选地，聚苯乙烯微球为单分散聚苯乙烯微球（天津倍思乐色谱技术开发中心生产）。本发明选用了两种聚苯乙烯微球：一种是尺寸远小于声波波长的聚苯乙烯微球，其直径为0.24mm；一种是尺寸达到波长数量级的聚苯乙烯微球，其直径为1.5 mm。

根据本发明，操作系统还包括电子显微镜50和吸声体，电子显微镜用于拍摄和记录聚焦型花瓣声束捕获和移动颗粒的过程。优选地，电子显微镜成像系统由高清连续变倍镜头、显微镜支架、高清工业相机和相关视频处理软件组成。吸声体放置于水箱底部有效降低反射声波对声场的影响。吸声体可以为橡胶吸声体，优选为楔形橡胶吸声体60，其放置于水箱底部能够更有效地降低反射声波对声场的影响。本发明优选上述吸声体，但并不局限于此，只要能够降低反射声波对声场的影响即可。

本发明设计出了一种人工结构平板构建复杂声场，其克服了换能器阵列复杂电路调控和精准相位控制的局限性。利用人工结构平板产生高频声场，解决了单个换能器的体积尺寸对产生高频声场的影响。通过调制人工结构平板产生特殊声场，既实现了对尺寸远小于声波波长的微小物体的操控，又可以操控尺寸达到波长数量级的较大物体。综上，本发明利用人工结构平板调制声场形成多种具有特殊构型的聚焦花瓣声束，分别将不同大小的颗粒捕获在花瓣声束的力学平衡位置，并通过移动聚焦花瓣声束自由地传递和运输相应大小的颗粒。

本发明的声镊子使用如下：S1、将人工结构平板30通过夹持器固定在超声换能器正下方；S2、将信号发生器产生的正弦电信号通过功率放大器放大后输入超声换能器，利用超声换能器辐射平面超声波；S3、平面超声波经过人工结构平板30生成聚焦花瓣声场；S4、利用聚焦花瓣声束的声辐射力特性将载物台40上的聚苯乙烯微球捕获至声束的中心区域；S5、通过操控三维平移装置10移动由超声换能器和人工结构平板30生成的聚焦花瓣声束，可以将聚苯乙烯微球运输至培养皿上的任意位置；S6、利用电子显微镜拍摄和记录聚焦花瓣声束操控聚苯乙烯微球的过程，并通过计算机的视频处理软件对视频进行后处理。

根据本发明，当平面声波入射到人工结构平板30时，透射声场取决于结构平板上曲线缝的分布情况。因此，在保证结构平板上曲线缝的分布特征基础上，人工结构平板可以是方形或其他任意形状。优选地，人工结构平板具有圆柱形几何形状，圆柱形的直径和厚度分别为D和t。

根据本发明，人工结构平板被均匀地分成m个扇区，每个扇区由两组离散型曲线缝构成，分别标记为I和II。I和II初始曲线缝的半径分别为r₀和r₁，相邻缝之间的径向距离为g，缝的宽度为d，缝的条数为L。如图3（a）所示，当m = 1时，I和II的曲线缝分别表示为：r_I(θ) = r₀ + (L−1)g，0≤θ≤π和r_II(θ) = r₁ + (L−1)g，π≤θ≤2π，L = 1,2,…,6。如图3（b）所示，当m = 5时，I和II的曲线缝分别表示为：r_I(θ) = r₀ + (L−1)g，π(2n−2)/5≤θ≤π(2n−1)/5和r_II(θ) = r₁ + (L−1)g，π(2n−1)/ 5≤θ≤π(2n)/ 5，L = 1,2,…,6，n = 1,2,…,5。

在本系统中，人工结构平板上I和II曲线缝的初始半径r₀和r₁满足一定条件：r₁ =r₀ + g/2。优选地，几何参数r₀、r₁、g、d、D和t可以分别设为7 mm、7.85 mm、1.7 mm、0.6 mm、35 mm和3 mm。

人工结构平板基于声波衍射作用原理产生聚焦花瓣声束，具体地，根据瑞利-索末菲衍射积分公式可计算出相应的透射声场分布：

，

其中，ρ和φ分别对应声场观测平面的极径和极角，z表示人工结构平板到观测平面的距离，

为源点(r, θ, z) 到观测点(ρ,φ, z) 的距离，ρ₀为背景介质的密度。

图4和图5分别对应m = 1和m = 5的聚焦花瓣声束声场强度和相位分布的理论结果。平面入射超声波的工作频率为1MHz，背景介质为水，其密度和声速分别为1000 kg/m³和1490 m/s。对于m = 1的聚焦花瓣声束，沿中心轴出现一个零声强区域，将声场强度分布分成左右两部分，且左右两侧均存在一个声强亮斑；其相位分布的中心轴出现一条相位位错线，将相位分布分成左右两部分，且左右两侧存在π大小的相位差。对于m = 5的聚焦花瓣声束，五个零声强区域将强度分布均匀地分成十份，导致强度分布中心出现十个声强亮斑；同时，五条相位位错线将相位分布分成十个扇区，且相邻扇区存在π的相位差。随着m增加，花瓣形图案随之增大，进而导致花瓣声束的中心零声强区域也逐渐增大。这些特征与相关的花瓣声束的性质吻合，说明所设计的人工结构平板能够完美地产生出所要求的聚焦花瓣声束。

图6（a）对应生成m = 1的聚焦花瓣声束的不锈钢人工结构实验样品，其由激光雕刻技术制备而成。信号发生器产生频率为1 MHz的连续正弦信号，所述正弦信号经功率放大器进入超声换能器产生平面超声波。当频率为1 MHz的平面超声波入射到人工结构平板时，经过曲线缝的声波由于相干衍射作用，形成具有特殊构型的聚焦花瓣声束。图6（b）和（c）分别显示m = 1的聚焦花瓣声束在z = 4λ处声场分布的实验测量结果和数值仿真结果。图6（d）对应生成m = 5的聚焦花瓣声束的不锈钢人工结构实验样品。图6（e）和（f）分别显示m =5的聚焦花瓣声束在z = 4λ处声场分布的实验测量结果和数值仿真结果。实验结果和仿真结果的一致性，证明所制备的两种不锈钢人工结构样品可以很好地生成m = 1和5的聚焦花瓣声束。

图7显示m = 1的聚焦花瓣声束对较小的聚苯乙烯微球的捕获和移动结果。信号发生器产生频率为1 MHz的连续正弦信号，经功率放大器使超声换能器的入射电功率约为14W，超声换能器发射的平面超声波经过不锈钢人工结构平板生成聚焦花瓣声束，利用声场的声辐射力特性对聚苯乙烯微球进行自由操控。如图7（a）所示，直径约为0.24 mm (~0.16λ)的聚苯乙烯微球被放置在m = 1的聚焦花瓣声束的附近位置。当平面超声波入射到对应的不锈钢人工结构平板时，聚苯乙烯微球迅速地移动到聚焦花瓣声束的中心位置。如图7（b）所示，当m = 1的聚焦花瓣声束移动相对较远距离时，聚苯乙烯微球随着聚焦花瓣声束一起移动。实验结果证明基于不锈钢结构板的m = 1的聚焦花瓣声束可以灵活地捕获和运输较小的聚苯乙烯微球。

图8显示m = 5的聚焦花瓣声束对较大的Mie颗粒的操控结果。如图8（a）所示，直径约为1.5mm (~1λ)的聚苯乙烯微球被放置在m = 5的聚焦花瓣声束的附近位置。当平面超声波入射到对应的不锈钢人工结构平板时，聚苯乙烯微球迅速地被捕获到聚焦花瓣声束的中心位置。如图8（b）所示，当m = 5的聚焦花瓣声束移动相对较远距离时，聚苯乙烯微粒随着聚焦花瓣声束一起移动。实验结果证明基于不锈钢结构板的m=5的聚焦花瓣声束可以捕获和运输较大的聚苯乙烯微球。

以上所述仅是本发明的优选应用实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (22)

1.一种基于人工结构平板的声镊子，其特征在于，其操作系统包括：

三维平移装置（10），位于操作系统的最上方，用于移动超声换能器和人工结构平板（30）；

超声波发射装置（20），位于所述三维平移装置（10）的正下方，包括用于辐射平面超声波的超声换能器；

人工结构平板（30），设置在超声换能器正下方，用于调制透射声场形成多种构型的聚焦花瓣声束；

载物台（40），设置在所述人工结构平板（30）的正下方，用于放置待操控颗粒；

所述人工结构平板（30）具有均匀的m个扇区，每个扇区由两组离散型曲线缝构成，分别标记为I和II；I和II初始曲线缝的半径分别为r₀和r₁，相邻缝之间的径向距离为g，缝的宽度为d，缝的条数为L；

当m = 1时，I和II的曲线缝分别表示为：r_I(θ) = r₀ + (L−1)g，0≤θ≤π和r_II(θ) = r₁+ (L−1)g，π≤θ≤2π，L = 1,2,…,6；

当m ≥ 2时，I和II的曲线缝分别表示为：r_I(θ) = r₀ + (L −1)g，π(2n−2)/m≤θ≤π(2n−1) /m和r_II(θ) = r₁ + (L −1)g，π(2n−1)/m≤θ≤π(2n)/m，L = 1,2,…,6，n = 1,2,…,m；1.5 mm≤g≤1.8 mm；0.3 mm≤d≤0.6 mm。

2.根据权利要求1所述的声镊子，其特征在于，曲线缝L =6。

3.根据权利要求1所述的声镊子，其特征在于，扇区的个数m=1或者m = 5。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的声镊子，其特征在于，所述人工结构平板（30）中I和II曲线缝的初始半径r₀和r₁满足一定条件：r₁ = r₀ + g/2。

5.根据权利要求4所述的声镊子，其特征在于，几何参数r₀、r₁、g和d分别设为7、7.85、1.7和0.6 mm。

6.根据权利要求1所述的声镊子，其特征在于，所述人工结构平板（30）具有圆柱形几何形状，所述人工结构平板（30）的直径和厚度分别为D和t；其中，35 mm≤D≤64mm，0.2 mm≤t≤3 mm。

7.根据权利要求6所述的声镊子，其特征在于，所述人工结构平板（30）上I和II曲线缝的初始半径r₀和r₁满足一定条件：r₁ = r₀+ g/2。

8.根据权利要求7所述的声镊子，其特征在于，几何参数r₀、r₁、g、d、D和t分别设为7 mm、7.85 mm、1.7 mm、0.6 mm、35mm和3mm。

9.根据权利要求1所述的声镊子，其特征在于，所述人工结构平板（30）在入射面和出射面均呈平面形状。

10.根据权利要求9所述的声镊子，其特征在于，所述人工结构平板（30）为声阻抗率值≥3.5×10⁷ Ns/m³的硬性材料制成。

11.根据权利要求10所述的声镊子，其特征在于，所述人工结构平板（30）为不锈钢材料、钛合金材料或黄铜材料；所述不锈钢材料的密度、纵波速度和横波速度分别为7900kg/m³、5240 m/s和2978 m/s。

12.根据权利要求1所述的声镊子，其特征在于，所述超声波发射装置（20）包括信号发生器（21）、功率放大器（22）以及超声换能器（23）；所述信号发生器（21）用于控制输出电信号的波形和频率，所述功率放大器（22）用于提高所述超声换能器（23）的入射电功率，所述超声换能器（23）用于辐射平面超声波。

13.根据权利要求1所述的声镊子，其特征在于，所述操作系统还包括电子显微镜（50）和吸声体，所述电子显微镜（50）用于拍摄和记录聚焦型花瓣声束捕获和移动颗粒的过程；所述吸声体放置于水箱底部以降低反射声波对声场的影响。

14.根据权利要求13所述的声镊子，其特征在于，所述吸声体为橡胶吸声体。

15.根据权利要求14所述的声镊子，其特征在于，所述吸声体为楔形橡胶吸声体。

16.根据权利要求1所述的声镊子，其特征在于，所述三维平移装置（10）包括高精密电移台和电移台控制箱，用于控制超声换能器和人工结构平板的空间位置。

17.根据权利要求1所述的声镊子，其特征在于，所述载物台（40）由聚乙烯透明培养皿制成，其材料密度和声速分别为930kg/m³和1950m/s。

18.根据权利要求17所述的声镊子，其特征在于，所述载物台（40）的厚度为0.8mm。

19.根据权利要求1所述的声镊子，其特征在于，所述待操控颗粒为聚苯乙烯微球，所述聚苯乙烯微球的密度为1050 kg/m³，横波速度为2170 m/s，纵波速度为1100 m/s。

20.根据权利要求19所述的声镊子，其特征在于，小尺寸的聚苯乙烯微球的尺寸为0.1~2mm。

21.根据权利要求20所述的声镊子，其特征在于，小尺寸的聚苯乙烯微球的尺寸为0.1~0.24mm；大尺寸的聚苯乙烯微球的尺寸为1.5~2mm。

22.根据权利要求21所述的声镊子，其特征在于，聚苯乙烯微球的尺寸远小于声波波长，其直径为0.24mm；或者聚苯乙烯微球的尺寸达到波长数量级，其直径为1.5mm。

Images