据麦姆斯咨询报道，近日，合肥工业大学钱金贵副研究员、英国诺森比亚大学傅永庆教授、澳大利亚悉尼科技大学Joshua E.-Y. Lee教授等课题组联合在物理学著名期刊《Applied Physcis Reviews》在线发表了题为“Integrated functions of microfluidics and gravimetric sensing enabled by piezoelectric driven microstructures”的工作。该论文被选为主编推荐文章（Featured Article）（见图1），并受到美国物理学联合会《科学之光》（AIP Scilight）的专访报道（见图2）。本文主要贡献作者还包括合肥工业大学硕士研究生王越和香港城市大学Habiba Begum博士。
图1 《Applied Physcis Reviews》杂志在线发表的论文截图
图2 美国物理学联合会《科学之光》（AIP Scilight）的专访报道截图
微纳机电谐振器作为质量精准测量的强大工具，广泛应用于生物传感、化学分析、环境监测等领域。除了克服流体阻尼和电气接口的问题，该领域长期面临着如何将微分析物引入谐振器传感检测区域以达到高通量所需的精度和规模的巨大挑战。本研究基于压电MEMS薄膜谐振器（PMDR）提出了一种自激局域化声学操纵的方法以解决上述难题。PMDR将声学操控和质量传感功能集成在单个MEMS谐振器上，数十秒内实现微颗粒在最灵敏区域的富集，利用高捕获率和高度均匀分等手段有效提高了微量分析物的液相质量传感检测限。
具体而言，横向（2,0）谐振模态的PMDR兼具声学操控与质量传感功能。PMDR基于氮化铝（AlN）压电薄膜结构，将兆赫兹级射频信号转换为高频谐振机械波作为声流体局域声波源，以无标签无接触方式对片上液滴内微物质直接进行声学操控，使其聚集在传感器最高灵敏度区域。PMDR微制造符合标准AlN-on-SOI工艺，使用全锚定式隔膜结构将顶部和底部完全密封有效防止声学操控时液滴的泄露，满足了声流体对器件结构的要求。如图3所示，所提出的PMDR由四个90°扇形电极组成，被激发产生横向（2,0）谐振模态，全差分配置减少了射频信号的寄生馈通，增强了液相测量时谐振的电学特性。器件结构包括400 μm厚硅基底、1 μm厚埋氧化层、10 μm厚硅器件层、0.2 μm厚的二氧化硅层和0.5 μm厚的AlN压电薄膜。
图3 PMDR的设计、制造与工作原理示意图
如图4所示，初始状态下PMDR表面微液滴内的聚苯乙烯微粒稀疏分散，扫频测量PMDR的传输系数S21时，只有少数微粒轻微移动，显示出富集的趋势。然而，在24 V射频信号驱动下，微液滴中形成四个微粒簇并匹配谐振模态，关闭射频信号后，声聚焦的微粒未发生分散。对比无微粒与微粒聚集前后三种情况下PMDR谐振频率，微粒聚集后的分数频移（0.407%）远远大于稀疏粒子未聚集时的分数频移（0.068%）。稀疏分布的粒子和声聚焦粒子之间的谐振频率偏移的差异，揭示了声学定位对高灵敏度检测的重要性。
图4 PMDR声流体辅助液相质量传感
实验结果进一步表明，相同类型微粒下的频移与微粒浓度呈正相关，相同浓度下的频移与微粒的材料密度呈正相关。如图5所示，不同浓度（0.1875 mg/mL、0.375 mg/mL、0.75 mg/mL）的PMMA微粒在PMDR表面的四个扇区中都有明显的聚集，对应频移量为0.625 k Hz、1.25 k Hz、2.5 k Hz（0.068%、0.136%、0.272%）。相同浓度（0.75 mg/mL）的微粒样品（PS、PMMA、Silica）均明显聚集在PMDR表面的4个扇形电极区域，对应频率偏移为1.48 kHz、2.37 kHz、3.82 kHz（0.016%、0.258%、0.415%）。
图5 基于PMDR的微量分析物浓度、密度测定
总结来说，这项工作验证了基于压电MEMS薄膜谐振器（PMDR）的自激声流体定位效应推动了微分析物在液滴内PMDR质量敏感区域的快速积累，是解决液相共振质量传感中捕获效率低、测量不准确和精度低等问题的突破性解决方案，极大增强了纳克级液相质量传感的灵敏度和检测限。作为一种可扩展的紧凑型集成解决方案，有望在疾病快速诊断、食品生产过程和环境污染监测领域大显身手。本研究受到国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金、香港研究资助局资助项目等的支持。
原文链接：
https://doi.org/10.1063/5.0225891
