基于声表面波驱动悬滴内声流控微粒操控的快速微颗粒分离技术及其应用研究

本文创新性地利用表面声波（SAW）在悬滴内实现非接触式微粒操控，通过调节频率与位置偏移因子，首次观察到中心富集群与外围同心环共存的平衡态（C2），并实现了5?μm与40?μm等混合颗粒的高效快速分离（约30秒）。该方法无需复杂微流道或标记操作，为生物医学中细胞分选（如CTC、外泌体）和精准药物递送提供了革新性技术平台。

　　

Highlight

Materials and methods

在行波表面声波（TSAW）驱动下，悬滴发生旋转，颗粒通过声场力形成显著浓度效应。微流控SAW装置中液滴内部声场分布复杂，颗粒浓度效应主要受以下因素调控：颗粒直径（d_p）、SAW驱动频率（f）、声衰减特性、液滴暴露于SAW的体积比例、声流力（ASF）与声辐射力（ARF）。

Theory and simulation

当液滴置于铌酸锂（LiNbO₃）表面时，向前传播的SAW沿其传输路径与液滴相互作用，产生复杂的流固耦合效应。SAW在压电基底中的传播速度（c_s）与流体中声速的差异导致能量以泄漏波形式传入液滴。声能在液滴内快速衰减，损失的能量转化为机械振动与内部声流，从而驱动颗粒运动。

Results and discussion

SAW被激活后沿IDT轴线在基底表面传播并泄漏至流体中，与流体耦合驱动颗粒运动，导致液滴变形并发生旋转运动。模拟过程显示，SAW在非对称驱动液滴中诱发循环流涡，使颗粒能够富集并滞留于中心区域。俯视视角下的颗粒运动过程表明……

Conclusion

本研究开发了一种简化SAW平台，实现了基于尺寸差异的颗粒分离。通过模拟与实验验证，探讨了影响悬滴内颗粒分布的参数。在固定IDT配置下，微调SAW驱动频率或液滴暴露于SAW的比例可改变声流场分布。实验中采用四种不同粒径颗粒：1?μm、5?μm、20?μm……