【分析】一种基于新型声流的可编程超精确纳升泵- 大数跨境

X-MOL资讯

2019-08-15

导读：武汉大学的国世上教授团队与印第安纳大学布鲁明顿分校的郭峰教授合作开发出了一种全新的基于声表面波的纳升级别的泵，而且能够做到可编程地改变液体泵送的流速。

注：文末有本文科研思路分析

21世纪，不同学科间的交叉研究得到迅猛的发展，尤其是分析化学的定量精准的特点能被很好地应用在特定的生物实验中。然而在这些微量实验体系中经常有精确进样的需求。那么，如何做出超精确泵来运送样品并且将其集成到这些实验体系里呢？最近，武汉大学的国世上教授团队与印第安纳大学布鲁明顿分校的郭峰教授合作开发出了一种全新的基于声表面波的纳升级别的泵，而且能够做到可编程地改变液体泵送的流速。这项工作首次设计出一种耦合在压电材料铌酸锂基底上的C型的叉指换能器(IDT)，并且填补了声表面波在实现纳升级别内运送液体的空白。

如下图1a所示，该团队把该IDT集成到微米尺度的通道，成功实现了稳定的局域声流 (acoustic streaming) 和液体泵送功能 (acoustic pumping)。在直型沟道中，IDT经过正弦交流电信号的激励，可以引发压电基底的振动从而带动液体运动，也就是声流。再通过改变沟道的形状，可以使得基底的振动带动液体形成单一方向的运动状态，也就是液体泵送。通过用Comsol有限元仿真软件把该声场成功和微通道的液体耦合(图1b)，在理论上验证出了这种新型IDT可以产生稳定声流的功能；并且通过用2微米的粒子来表征流场，在实验上观察出流场的分布。在稳定流场的基础上，他们再次创新地改变通道的微结构，实现了单一方向的液体驱动功能(图1c)，能够达到40 nL/min的泵送流速。再通过输入脉冲信号，在短时间内可以实现对驱动纳升液体的调节(图1d)。总而言之，该团队首次设计出一种新型的声表面波器件，实现了稳定声流的产生和可调的纳升级的驱动。

图1. 基于声表面波的精确可编程调节的微量流体泵

此外，该团队成功的实现了对人体血液的精确运输，如图2所示，因此这种声流泵可以应用于微量血液检测系统当中。该设备的声波能量对生物样品是很安全的，而且具备可重复性、稳定的特点，使其可以应用在诸多生命科学应用当中。一方面，这种声流泵可以作为一种全新的工具来研究血流剪切力对肿瘤中的血管内皮细胞影响；另一方面，可以在体外构建出炎症模型，来动态研究血液中的免疫细胞（比如说T细胞、NK细胞）与血管内皮细胞的相互作用以及穿过血管壁的过程。

图2. 声表面波设备在精确运送血液上的应用

工作成果已经发表在Analytical Chemistry 上，文章的第一作者是武汉大学博士研究生吴主昊；国世上教授和郭峰教授为共同通讯作者，该工作受中国国家自然科学基金和国家科技攻关项目的支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

A Digital Acoustofluidic Pump Powered by Localized Fluid-Substrate Interactions

Zhuhao Wu, Hongwei Cai, Zheng Ao, Asael Nunez, Hongcheng Liu, Maria Bondesson, Shishang Guo, Feng Guo

Anal. Chem., 2019, 91, 7097-7103, DOI: 10.1021/acs.analchem.9b00069

导师介绍

郭峰

https://www.x-mol.com/university/faculty/69056

国世上

https://www.x-mol.com/groups/guo_shishang

科研思路分析

Q：该研究想法是如何产生的？为什么要用声表面波来做出声流泵？

A：在微尺度的微流控系统中，声流技术被广泛的用于操纵低雷诺数的液体。声流的作用是造成液体粘度的衰减，因此会在微通道中产生一个稳定的流体。再加上具有稳定、可调节、无需标记、无需接触、生物兼容性的特点，声流已经广泛的用于液体的运输、混合、微粒及细胞的分选、微型液滴的操纵。但是，这些都必须基于对声流能进行稳定而又精确的操控。传统上，产生声流是利用微气泡、体波和声表面波等技术。前两种方式制备工艺较为复杂而且产生的声流不太稳定，而声表面波具有稳定和精确调节的天然优势。因此，我们设计出这种新型的叉指电极结构用来产生声流，并且成功的利用这种稳定的声流来精确可编程调节地泵送微量液体。