[发明专利]一种声镊装置

说明书

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。

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：