声学操控悬浮液滴的全自动工具箱：单元操作与生化应用

为解决传统液滴操作中接触污染、自动化程度低及塑料消耗大等问题，研究人员开发了一种基于相控阵超声换能器（PAT）的全声学工具箱，实现了悬浮液滴的生成、保持、移动和合并等单元操作，并集成光学检测技术。该研究首次报道了利用声学力从毛细管喷嘴“拉拽”悬垂液滴的生成方法，成功应用于酯酶酶促反应，反应速率较微孔板提升约2.6倍，展示了其在生物化学自动化及减少塑料废弃物方面的巨大潜力。

　　

在材料科学、生物化学和药物研发领域，对液滴进行自动化和无接触的精准操控一直是一个重要的技术挑战。传统的液滴处理方法往往依赖于移液器、微孔板等实体工具，不仅容易引入污染，导致样本交叉或损失，还会产生大量不可回收的塑料废弃物——全球实验室每年消耗的塑料量高达约700万吨。此外，现有声学悬浮技术虽能实现液滴的悬浮，但多数仍依赖人工将液滴移入声场，效率低、重复性差，且难以实现多液滴的并行复杂操作。此前虽有研究利用声学方法自动生成和操纵液滴，但系统要么非完全无接触（需在固体表面混合），要么只能同时操控极少数量（如两个）的液滴，限制了其实际应用。因此，开发一种能够自动、高通量、无接触地完成液滴各种操作，并集成实时检测功能的平台，对于推动生命科学和化学研究的自动化、绿色化发展具有重要意义。

为此，发表在《Ultrasonics Sonochemistry》上的研究论文“An all-acoustic toolbox for performing unit operations and their combinations on levitated droplets”提出了一种创新的全声学工具箱。该研究由伯明翰大学化学学院的Jianqing Li、Nicholas J. Goddard、Khalid Haliru和Ruchi Gupta（通讯作者）合作完成。研究团队旨在创建一个集成的声学平台，能够自动执行液滴的生成（Generate）、保持（Hold）、移动（Move）和合并（Merge）等基本单元操作及其组合，并利用光学方法进行定量监测，最终应用于真实的生化反应。

研究人员主要运用了几项关键技术：首先，构建了由顶部和底部两个16×16相控阵超声换能器（PAT, Phased Array Transducer）组成的声悬浮系统，通过自研的DS-PAT（Direct Search-PAT）算法精确计算每个换能器的相位，以生成稳定且可移动的声阱（Acoustic Trap）。其次，开发了一种新颖的液滴生成方法，结合注射泵和毛细管喷嘴，先形成预定体积（通常2-3 μL）的悬垂液滴，然后通过移动声阱位置，利用声辐射力（Acoustic Radiation Force）将其从喷嘴尖端“拉拽”下来，实现自动化、无接触的液滴生成。此外，研究集成了由单色/彩色相机、LED光源和滤光片组成的光学检测系统，用于实时记录液滴的操作过程（如形态、位置）和生化反应（如荧光强度变化）。研究涉及的样本包括含有不同比例二甲基亚砜（DMSO）的水溶液、胭脂红（Amaranth）溶液以及用于酯酶检测的荧光素二乙酸酯（FDA, Fluorescein diacetate）和猪肝酯酶（Esterase）等生化试剂。

3.1. 单元操作

3.1.1. 生成与保持

研究首先系统优化了液滴的生成条件。通过顺序加载13个不同的声场（G1-G13），成功实现了两列（每列三个）共六个液滴的依次生成和稳定悬浮。关键发现包括：

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  最佳拉拽距离：声阱焦点沿垂直方向（z轴）移动1 mm是实现液滴可靠脱离喷嘴的最佳距离。移动距离过小（0.5 mm）则毛细力占优，液滴难以脱离；移动距离过大（1.5-2.5 mm）则会导致液滴不稳定甚至爬壁或坠落。
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  液滴成分适应性：该方法能成功生成含水量高达50% DMSO的液滴。对于更高浓度（75%, 100%）的DMSO液滴，由于其较低的表面张力（约42 mN/m），液滴在悬浮后会发生严重形变和雾化（Atomization），但鉴于实际生化实验中DMSO浓度通常低于5%，该方法具有实用性。
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  液滴体积控制：液滴体积（1.5-5 μL）由注射泵精确控制。体积过小（1.5 μL）时，毛细力再次超过声学力，难以重复生成；体积过大（4, 5 μL）时，液滴易雾化或从声阱中掉落。2 μL和3 μL液滴表现最佳。
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  电压与成功率：在16 V峰峰值（peak-to-peak）电压下，2 μL液滴的悬浮成功率最高，达95%（60次尝试成功57次）。而3 μL液滴在16 V下的成功率较低（78%）。因此，后续实验主要采用2 μL液滴和16 V电压条件。液滴体积的测量误差在5.6%至13%之间，对于2 μL液滴，其精度优于ISO 8655-2对手动移液器的标准。

3.1.2. 移动与合并

在成功生成并稳定悬浮两列液滴后，研究展示了液滴的移动和合并操作。通过设计76个连续的声场（MO1-MO76），将两列液滴沿水平方向（x轴）逐渐靠拢（每次移动0.4 mm）。当液滴间距小于约10 mm（接近声波波长）时，DS-PAT算法难以直接生成稳定声场。为此，研究设计了三个特殊的合并声场（ME1-ME3），首先使用宽声阱使液滴平滑融合，然后收窄声场以减少液滴在x方向的振荡。最终，成功实现了三对液滴的依次合并，合并后的液滴体积约为原液滴之和，并能稳定悬浮。

3.2. 单元操作序列

通过图像分析（ImageJ）追踪液滴质心位置和体积随时间的变化，验证了生成、移动、合并这一系列操作的稳定性和准确性。合并后的液滴体积稳定，并随时间有轻微蒸发减小。

3.3. 全声学工具箱的应用

为展示该工具箱的实用性，研究团队选择酯酶酶促反应作为模型体系。在该反应中，酯酶水解无色的荧光素二乙酸酯（FDA）产生绿色的荧光素（Fluorescein），其生成速率与酶活性成正比。

研究人员自动化地生成了一列FDA液滴和一列不同浓度的酯酶液滴，然后将两列液滴移动并合并，从而启动反应，并利用集成荧光检测系统实时监测荧光强度变化。结果表明，合并液滴中的荧光强度随时间增加，且初始反应速率与酯酶浓度（0-0.5 mg/mL）呈线性关系，这与在微孔板中进行的实验结果趋势一致。

对酶浓度为0.5 mg/mL的液滴进行六次重复实验发现，反应速率（初始速率和时间常数）存在变异，但中间位置的液滴其反应速率始终高于顶部和底部的液滴。研究人员推测，这可能是由于中间液滴所处的声压更高，导致更强的声流（Acoustic Streaming），从而对液滴产生更有效的搅拌作用，加速了反应物混合和反应进程。悬浮液滴中的反应速率（时间常数范围为2.17至5.21 × 10^?3 s^?1）普遍高于未搅拌的微孔板中的反应速率（约2.0 × 10^?3 s^?1），进一步支持了声流搅拌的积极作用。与团队前期使用其他算法的工作相比，DS-PAT算法产生的声场压力更均匀，因此不同位置液滴间的反应速率差异有所减小。

结论与意义

本研究成功开发并验证了一个功能全面的全声学液滴操控工具箱。其创新点在于首次实现了利用声学力从毛细管喷嘴“拉拽”生成悬浮液滴的自动化方法，并在此基础上整合了液滴的保持、移动、合并及光学检测等一系列操作。研究表明，该技术能够稳定生成和操控μL级别的液滴，适用于常见的水性及含适量有机溶剂的生化体系。

更重要的是，研究通过实施酯酶酶促反应，证明了该平台在自动化、无接触条件下执行复杂生化 assays 的可行性。声流效应带来的内置搅拌功能可能加速反应，展示了声学操控相较于传统方法的潜在优势。该技术的推广应用将有助于显著提高生化实验的自动化水平，同时大幅减少对移液器吸头、微孔板等一次性塑料制品的依赖，符合绿色实验室的发展方向。

未来，研究团队将致力于增加可并行操控的液滴数量，以实现更复杂的、需要多步顺序添加试剂的生化反应流程，进一步拓展该声学工具箱在生物技术和药物筛选等领域的应用前景。