近日，杜克大学机械工程与材料科学系的研究团队首次开发了一种基于环形共振的声流体声镊（Acoustofluidic Tweezers via Ring Resonance），为非接触式微粒操控提供了全新的解决方案。这项突破性研究通过利用高品质因数（Q因子）环形共振器，实现了功率高效、精确的微米级颗粒操控及混合。这一成果为生物传感、细胞-细胞通讯研究和实验室芯片技术的发展开辟了新路径。
声流体声镊利用声波产生的声辐射力，可在非接触条件下操控颗粒，与传统光学光镊相比，声镊避免了光热效应带来的损害，具有更高的生物相容性。然而，现有声学光镊的操作通常需要高功率输入，可能导致过热、气泡生成和设备损坏等问题。为此，研究团队创新性地引入高Q值环形共振器，以显著降低功耗，同时增强声场的粒子捕获能力。
图1 声流体环形共振声镊。
研究人员在环形共振模式下，通过两组相对输入的声波信号，在波导和环形共振器中形成驻波场，从而实现了对微米级颗粒的精确捕获。通过调整输入信号的相位，实验验证了颗粒在环形路径内的精确操控能力。仿真和实验结果一致表明，驻波节点区域能够牢固捕获颗粒，保证其在环形路径内保持稳定分布。这一技术为颗粒的精密操控提供了新的方法。研究人员通过调节输入信号的相位，实现了颗粒在环形共振器路径内的动态定位与移动。具体而言，输入信号的相位从 0调整至 2π时，颗粒沿环形路径均匀移动，其位移量与相位变化呈线性关系。这种精确控制不仅展现了声场调控的高灵敏性，还为实现复杂颗粒操控提供了基础。
图2 声流体环形共振声镊对微观粒子的操控。
接着通过环形共振器与波导的声场耦合，研究人员成功实现了不同颗粒的混合操作。在实验中，分别捕获于环形共振器和波导内的颗粒，通过调整输入信号的频率和相位，实现了红色颗粒（环形）与蓝色颗粒（波导）的动态混合。实验表明，颗粒能够在声场的引导下实现快速而有序的混合，这为颗粒的组装与分析提供了新的手段。研究人员通过改变输入信号的频率，成功实现了对不同尺寸颗粒的分类和混合。实验表明，较小的颗粒优先聚集在环形共振器区域，而较大的颗粒则集中于波导区域。通过频率调制，不同尺寸的颗粒在环形与波导交界处实现了有效混合。这种颗粒选择性混合能力展示了声流体光镊在生物传感和微流控应用中的广阔潜力。
图3 声流体环形共振声镊对微观粒子的混合调控。
本研究通过高Q因数环形共振器，实现了功率高效、非接触式的声流体声镊颗粒操控，并展示了精确的动态捕获与混合能力。提出的环形共振声场调控机制，不仅为微流控系统的紧凑集成提供了新方法，还拓展了其在生物传感、单细胞分析和药物递送等领域的应用前景。未来将进一步优化设计，探索更多功能性应用，推动非接触式颗粒操控技术的发展。
相关成果以“Acoustofluidic Tweezers via Ring Resonance”为题发表在《科学进展》（Sci. Adv.2024 Nov 15;10(46):eads2654.）封面上。该研究工作得到了美国国家卫生研究院（NIH）和国家科学基金会（NSF）的资助。杜克大学博士后徐先臣为该论文的第一作者，博士生金克为本文的共同第一作者，杜克大学机械与材料William Bevan讲席教授Tony Jun Huang为论文通讯作者。
文章链接
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads2654
--课题组供稿
