【摘 要】
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声镊作为一种新兴的工具,它利用声波与固体、液体和气体的相互作用,用于在大范围内精准、无接触地操控多尺度(从纳米级到毫米级)下的微粒或细胞,是一种具备非常广阔应用前景的技术。尤其在肿瘤异质性等精准医学领域的研究中,由于细胞具有高度的异质性,仅靠对细胞群表现的平均信号研究不足以准确分析单个细胞;因此,对单细胞实现精准定位显得尤为重要。传统的声镊技术利用驻波声场产生声势阱,但由于驻波声场难以被多样性调控
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声镊作为一种新兴的工具,它利用声波与固体、液体和气体的相互作用,用于在大范围内精准、无接触地操控多尺度(从纳米级到毫米级)下的微粒或细胞,是一种具备非常广阔应用前景的技术。尤其在肿瘤异质性等精准医学领域的研究中,由于细胞具有高度的异质性,仅靠对细胞群表现的平均信号研究不足以准确分析单个细胞;因此,对单细胞实现精准定位显得尤为重要。传统的声镊技术利用驻波声场产生声势阱,但由于驻波声场难以被多样性调控,导致这种方法难以对单细胞选择性俘获。近年来,有基于聚焦声场的单声束声镊选择性操控细胞的研究;但制备具有窄束宽(小于粒径)的高强度聚焦换能器十分具有挑战。针对上述对选择性操控的需求,并摆脱目前单声束声镊操控机制所带来的限制,本论文对基于涡旋声场的高频单声束声镊及其操控机制进行研究。为研究声学涡旋操控粒子的理论机制:首先根据成熟的涡旋声场理论,总结并提炼贝塞尔柱形与球形声涡的特点;接着为研究声镊操控粒子的机制,简明扼要地介绍平面波分解法的计算思路,解决涡旋声场对聚苯乙烯小球所受声辐射力的计算问题。为实验证明涡旋声镊具有选择性操控单粒子的能力,并通过细胞实验展现该声镊在生物医学领域应用的潜力,通过制备器件并搭建声镊系统以观察实验现象。首先制备涡螺旋叉指换能器,根据叉指换能器与声全息的设计思想,确定声表面波器件的电极图案;然后通过微纳工艺制备中心频率为40 MHz的螺旋叉指换能器;为制备用于装载微粒与移动的微腔室,制备适宜高度的阳模并在硅片表面浇筑成型。实验结果表明,该声镊具有选择性操控20μm聚苯乙烯小球的能力,并合理估计了声镊的横向俘获力约452 p N;进一步展示了声镊器件对小鼠精子俘获的能力。本论文通过对基于涡旋声场的高频单声束声镊的研制,展示了其基于声辐射力的选择性操控粒子与俘获细胞的能力,为精准医学领域提供一种高实用价值的工具。
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