撰稿|王济乾
声镊（acoustic tweezers）利用超声波来构建辐射力势阱（radiation force potential ells），从而对从毫米级到亚微米级的粒子进行非接触式、生物相容的精确操控。该领域在近年来快速发展，有希望广泛应用于：化学反应控制、微型机器人、药物输送以及细胞组织工程等领域。然而，基于多声源驻波场的声镊通常难以对粒子进行复杂多变的操控。
近期，来自杜克大学的Steven A. Cummer团队以及Tony Jun Huang在《Science Advances》上发表了研究论文“Acoustic tweezer with complex boundary-free trapping and transport channel controlled by shadow waveguides”，提出了一种利用“阴影波导（shadow waveguide）”调控声场，并在自由边界腔室中实现粒子在空间中复杂捕获和操控的方法,并通过实验证实了该系统粒子捕获、粒子操纵和传输的能力，同时实现了Thouless 泵浦（Thouless pumping）。
声镊近年来受到了越来越多的关注，因为其能够在微流体腔室中对生物颗粒进行非接触、无标记的精确操作。声镊已经在多个领域实现了应用：如细胞图形化、细胞分离和筛选、组织工程以及分离细胞外囊泡。然而，目前为止，应用于微流体腔室中的绝大多数声镊，都是基于围绕腔室的换能器阵列产生驻波，从而形成周期性声阱这一原理构建的。这种方法会产生大量稳定的捕获点（trapping points），这会降低对粒子的选择能力和在粒子在空间中的分散性。因此，研究人员迫切希望找到一种能够更好地控制腔室内的声场，从而使声镊能够以高选择性和高灵活性对粒子进行捕获的方法。
之前的研究工作至少应用了三种不同的方法:1、在腔室内创建物理边界以获得对粒子更好的束缚能力。2、开发能够将更复杂的声场投射到腔室内的声源。3、在腔室边界上或附近设计工程结构，以外部源无法轻易实现的方式局部影响声场。然而，这些方法在实际中都有一定局限性。
本文提出了一种在腔室外部构建薄壁、宽带结构，来控制开放腔室内部声场分布和传播的策略。该结构是一种虚拟波导，其沿着微流体腔室室内的复杂路径严格限制声场，但又不直接承担微粒捕获的任务，研究人员称其为“阴影波导”其原理如下：在具有不同折射率的两种介质之间的界面处，当入射角大于临界角时会发生全内反射，因此，波会在被低折射率材料（包层）包裹的高折射率材料（纤芯）窄通道内传播。这种机制是光纤和硅光子学的基础。本文将该方法拓展至声学领域：研究人员使用结构化聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 和玻璃板来形成准二维 (2D) 微流体开放腔室，PDMS和底板之间则形成了空气-PDMS界面。在该结构中，PDMS-空气界面充当软边界，水和 PDMS 结构则成为了支持多次反射传播模式的波导。该波导的有效折射率可以通过 PDMS 层的高度来控制，从而进一步控制水室中的有效声速。因此，腔室内的声场由完全位于腔外的 PDMS 结构引导。由于腔室内不存在物理边界，在其中传输的的粒子可以沿着任意形状的狭窄通道被捕获和操纵。由于这种波导设计本质上是宽带的，并且可以通过改变输入波的模式来控制粒子捕获的模式，极大地丰富了声镊的多功能性。
图1微流体腔室和阴影波导的图示和特性。(A)玻璃板和一层结构化的聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 结合了微流体腔室。微流体腔室中的声场是通过被称为阴影波导的外部结构控制的。微流体室中的粒子受到阴影波导场的影响，因此可以在没有物理边界的情况下进行束缚和操作。(B)横截面图显示了设计用于捕获负声学对比粒子的阴影波导的模式。(C)阴影波导的线性色散使它具有较宽的工作频率范围 (D)可以设计不同的结构，例如耦合的平行波导，以实现用于操纵具有正声学对比度的粒子的模式，这些粒子被局部压力最小值捕获。
图2使用阴影波导声镊进行实验设置和粒子操作。(A)制造装置的照片。(B)负对比度 (PDMS) 粒子沿直线阴影波导的汇聚和操控。(C)PDMS-水界面对应的模拟压力幅值。(D 到 F)样品照片、实验粒子图像和阴影波导以沿弯曲路径操纵粒子的模拟压力分布。(G 到 I)耦合阴影波导，用于操纵具有正声学对比度的聚酰胺颗粒。各向异性势阱不仅可以捕获和移动粒子，还可以在势阱内对它们进行排列。同时，通过控制驻波比，可以调整各向异性势阱。
图3 Thouless 泵浦的实验演示。(A)Thouless泵浦利用空间和时间都发生变化的势场来操纵其中捕获的粒子。可以通过合成所需的势场来精确控制速度。(B)一组时间序列的实验照片，显示粒子在一个循环中是如何被泵送的。(C)抽速与输入场的调谐频率成线性比例。实验粒子速度与理论预测非常吻合。
文章展示了一种能够在具有复杂空间构形，但内部没有任何结构的开放式腔室内产生高束缚能力和高选择性的声镊。该声镊的声场模式由完全位于腔室外部的阴影波导结构控制，同时其产生的复杂调控声场是难以通过一般声源获得的。更进一步，通过设计阴影波导内的模式形状，实验实现了在狭窄、复杂路径下对证明具有正负声对比度粒子的操纵。这项工作中提出的以阴影波导调控的声镊具有优于现有系统的性能，并为设计生物医学和化学应用的先进声镊提出了一种新的可能。
文章链接：
Li, J., Shen, C., Huang, T. J. & Cummer, S. A. Acoustic tweezer with complex boundary-free trapping and transport channel controlled by shadow waveguides. Sci. Adv. 7, eabi5502, (2021).
DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.abi5502
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