表面声波液滴操纵技术在流体处理和生物分析中的应用引起了人们的极大关注。然而，现有技术在自动化、精度和功能集成等方面面临挑战，限制了更广泛的应用。
据麦姆斯咨询介绍，针对上述问题，哈尔滨工业大学和新加坡科技设计大学的科研团队合作开发了一种高度集成的液滴传感声流控镊子（DSAT），首次在单一的声学平台上实现对各种液滴操纵功能的自动闭环控制。这种声学镊子为流体处理和生物传感等领域的液滴操纵技术提供了一种创新的声学解决方案，展示了巨大的应用潜力。该成果以“Acoustofluidic Tweezers Integrated with Droplet Sensing Enable Multifunctional Closed‐Loop Droplet Manipulation”为题发表在Advanced Science上。
【研究内容】
DSAT工作原理
图1 DSAT工作原理图
激励压电基片上的叉指式传感器可以产生行进表面声波（TSAW）沿着基片表面传播，并在其路径上耦合到液滴中，根据表面声波的幅度，可以驱动内部声流、移动或喷射，实现不同的效应。如图1所示，DSAT的声组件是由两对垂直对齐的斜指叉指式换能器（SFIT）组成，SFIT的指状周期沿着口径的不同位置处有所不同，产生了宽带频率响应特性。利用这一特性，DSAT可以实现片上液滴的选择性驱动，同时感知其存在、数量和位置，这使得DSAT能够在2D平面上操纵液滴，执行液滴传输、合并、分裂、混合和内部粒子富集等功能。此外，通过分析SFIT的频率响应，可以检测液滴的数量及其沿x和y轴的位置，由此产生了一种可感知液滴的声流控镊子系统，集成了液滴驱动和检测模式，从而实现闭环液滴操纵。
用于闭环液滴操纵的集成DSAT系统
DSAT系统通过微控制器和上位机之间的协调控制实现了对液滴的闭环操作。如图2所示，微控制器从主计算机接收命令，以产生频率和幅度不同的RF信号，以用于液滴的激励或传感。主机通过使用Qt软件设计的图形用户界面（GUI）提供人机交互功能。用户可以设置串口、波特率、频率扫描范围、步长和目标位置坐标等参数，并启动或停止液滴操作。这种协调控制策略支持自动液滴检测，并允许在液滴驱动和检测模式之间灵活切换，根据液滴检测的反馈，可以自动执行闭环液滴操纵过程。
图2 DSAT系统结构图
结果讨论
DSAT的传感能力极大地影响了自动闭环液滴操纵的精度和效率。因此，本文首先评估了DSAT在检测液滴数量和位置方面的性能。液滴位置可以通过分析SFIT的频率响应来确定，如图3所示。位置坐标与频率成反比，因此，频率响应曲线的横坐标采用倒数坐标，以对应于实际液滴位置。本文还引入了一种中心扩展算法来自动检测系统中的液滴，通过标定频率响应的低频点，标记液滴边缘，高频点确定液滴的中心位置。这些结果与基于图像的识别结果非常接近，验证了DSAT系统和算法在自动检测液滴位置方面的有效性。
除了静止液滴检测之外，还进行了检测运动液滴位置的实验。与静止液滴的检测相比，用于激励的波可能干扰检测，因此准确性降低。因此本文将采用闭环控制在驱动和检测之间实施交替控制策略，确保检测在液滴静止时进行，实现液滴位置检测的准确性。
图3 利用SFIT的频率响应标定液滴位置
DSAT的液滴传感能力与声流镊子的驱动能力相结合，实现了液滴的闭环操纵。其中，DSAT向SFIT施加幅度从13 V到20 V的射频功率信号来激励液滴。必须将激励频率调整到与液滴中心位置对应的中心频率，以确保液滴沿波传播方向有效向前移动。如图4所示，即使激励频率与中心频率仅有0.5 MHz的微小偏差，也可能导致液滴缓慢运动和横向漂移，有可能导致其停止运动。
图4 频率不同偏差的的液滴轨迹图
DSAT配置的两对垂直对准的SFIT，实现了液滴在x和y方向的驱动和位置检测，从而实现了液滴在平面上的自动闭环传输。根据检测到的位置和预设目标位置，确定激励信号的频率和幅度。然后用剩余时间，利用这些参数驱动液滴。随后在后续的每个周期中重复进行位置检测、参数确定和驱动的过程。
在基于位置反馈的闭环控制下，成功地实现了液滴沿字母H、I、T形状轨迹的自动输送，如图5所示。采用频率同步步进驱动方法，结合基于声流控检测的位置反馈，控制液滴沿分段路径的移动，逐步将液滴驱动到每个预定义的阶段目标。
图5 液滴沿字母H、I、T形状轨迹的自动化传输
基于锯齿波的声流控可以根据波-液滴耦合的幅度和位置执行各种液滴操纵功能，包括液滴合并、内部混合、分裂、喷射和内部颗粒富集等。如图6所示，DSAT集成的液滴合并功能，系统采用直接路径控制策略，将NaOH液滴向目标CuSO4液滴合并，并发生化学反应，这对于许多基于液滴操纵的微流体应用来说是至关重要的一步。
图6 控制CuSO4和NaOH液滴合并
DSAT集成的液滴混合功能，如图7所示。在没有声场影响的情况下，2 μL罗丹明溶液在10 μL甘油液滴中聚集且不分散。当SFIT产生的TSAW耦合到甘油液滴中时，诱导的声流使罗丹明溶液在甘油中均匀混合。激励信号的幅度被设置为VPP=13 V，以确保在不移动液滴的情况下仅发生声流。DSAT还集成了液滴分裂功能和液滴内的粒子浓缩功能，如图8、9所示。
图7 DSAT诱导声流使罗丹明溶液在甘油中均匀混合
图8 DSAT诱导液滴分裂过程
图9 DSAT浓缩液滴内粒子过程
【文章总结】
该研究介绍了一种用于多功能闭环式液滴操纵的液滴传感声流控镊子（DSAT）平台。DSAT的开发应对了现有声学液滴操纵技术中存在的精度、自动化和功能集成方面的挑战，并且DSAT的紧凑集成和便捷性使其提高对复杂液滴场景的适应性。该平台展示了巨大的生化应用潜力，但是对多液滴的并行处理仍可再进一步的探索，从而扩大应用范围。
https://doi.org/10.1002/advs.202409394
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