粒子操控在材料科学、物理学和生命科学等科学与技术领域中起着至关重要的作用。据麦姆斯咨询报道，近日，美国斯坦福大学（Stanford University）和佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）的研究人员组成的团队提出了一种用于在液体环境中进行微尺度捕获和操控的动态可重构声流控超构表面（DReAM）。
这种无源超构表面支持多个亚波长声波场，每个声波场具有不同的空间分布和捕获位置。这些分布可以通过调节远场声源的频率和相位实现实时重构（图1a）。DReAM由一个周期性排列的硅微机械膜谐振器二维阵列构成（图1b）。当来自远场的行进声波（TW）传播到表面时，通过谐振器元件的声耦合作用，会在DReAM的近场区域形成渐逝驻波（ESW）（图1c）。这些可重构的驻波场能够产生强大的声流辐射力，从而捕获并图案化超构表面上的数千个微尺度粒子（图1d）。通过主动控制DReAM上的声波场空间分布，可以以数十微米级的分辨率实现对粒子的精确平移或对胶体晶体单层进行整体操控。DReAM可以与激光切割的微流控通道和低MHz范围内工作的商用压电换能器无缝集成，从而能够捕获与富集流动中的微尺度粒子和生物细胞。
图1 用于微尺度粒子操控的DReAM平台（支持可重构的渐逝驻波）
这种实时可重构性、亚波长分辨率、高通量处理、生物相容性以及低工作频率的独特结合使DReAM在现有的声流控操控方法中脱颖而出，提供了无与伦比的多功能性和性能。上述研究成果以“Dynamically reconfigurable acoustofluidic metasurface for subwavelength particle manipulation and assembly”为题发表于Nature Communications期刊。
DReAM的设计和表征
研究人员采用有限元模拟来设计和研究DReAM的动态行为和特性。二维计算模型是由浸没在水中的十个周期性间隔的振动膜构成的阵列，并由一个远场声源激励。接着，他们通过实验验证了模拟的结果。
模拟和实验结果凸显了DReAM阵列的独特功能，证明了其支持多种动态可重构渐逝驻波模式的能力。这些结果还提供了一个广泛的架构，可用于可重构无源声学超构表面的设计和实现，此外，还引入了一种在亚波长尺度上进行空间局部粒子捕获和操控的创新方法。
图2 DReAM的模拟和表征
亚波长尺度上的动态可超构图案化
为了直观地展示驻波场对微尺度粒子的影响，研究人员在DReAM上方引入了10 μm荧光聚苯乙烯微粒，并在图3a所示的相同四种激发条件下进行实验。正如预期的那样，微粒由于辐射力而被吸引到膜的中心，并定位在压力反节点处（图3b）。与需要对复杂信号进行傅里叶合成或使用高频叉指换能器（IDT）的声流控技术相比，DReAM利用低频压电陶瓷换能器（<2 MHz）产生多种驻波模式，从而能够以亚波长分辨率有效捕获和重新配置定位微尺度粒子。
DReAM产生的辐射力还可用于通过平移和旋转精确操控单个微粒。通过改变发射频率，研究人员可以修改驻波的空间模式，从而使单个被捕获的粒子移动到表面上的新位置（图3c）。研究人员还可以利用DReAM将捕获在膜上的微粒形成二维（2D）胶体晶体单层（图3d）。
图3 使用DReAM对微粒进行捕获、可重构图案化和操控
流动的微粒捕获和富集
DReAM突破了静态流体环境的限制，能够高效捕获和富集微流控通道中流动的粒子。由一对声源换能器在阵列上生成的二维辐射力场可以抵消流体阻力，从而能够捕获流动中的粒子，而无需额外的换能器或与流体流动轴平行的硬反射器（图4a）。研究人员将平面DReAM阵列安装在激光切割的微流控通道表面，并在通道两侧放置了两个压电换能器作为声发射源（图4b）。含有不同浓度10 µm荧光聚苯乙烯微粒的溶液流过通道。当声场开启时，流经DReAM阵列的粒子被捕获到膜上（图4c）。随着时间的推移，更多的粒子被捕获并分布在阵列的不同位置，直到表面饱和。关闭声源后，捕获的粒子被释放。通过增加DReAM阵列的有效面积可以实现更高的捕获通量。
基于该平台捕获微尺度粒子的能力，研究人员进一步展示了其从低浓度溶液中富集生物材料的功能。这解决了传统台式富集方法（例如过滤或离心）在处理小体积样本或脆弱细胞时效率不足的重大挑战。
为评估平台性能，研究人员将三种不同浓度的2 ml白细胞（WBC）溶液以50 µL/min的流速通过微流控通道，并运行5分钟。在每种情况下，当声场开启时，细胞被捕获并富集在20 × 20阵列的多个位置（图4g），捕获的细胞数量与初始浓度成正比。图4h进一步展示了声学捕获对细胞富集的影响，显示出随着时间的推移，捕获细胞数量显著增加，同时阵列内的荧光强度也随声场的应用而增强。这使得即使在低于显微镜检测阈值的样本中，也能快速观察到稀有细胞，从而提升了诊断能力。此外，研究人员成功应用该系统捕获了皮肤癌细胞系SK-MEL-28，展示了其在处理多种细胞类型方面的多功能性。这些结果共同证明了该平台在无需表面修饰或鞘流的情况下，能够在阵列网格上局部捕获并可视化细胞，从而为生物样本的富集和高通量分析提供了一种简便的方式。
图4 利用DReAM在微流控通道中富集粒子
小结
综上所述，这项研究利用无源超构表面上的可重构声波场，在亚波长分辨率下实现了对静态和流动微尺度粒子的精确操控。目前在声流控中动态修改声波场的方法主要依赖于定制波形或者使用相控阵，控制主要来自声源。相比之下，DReAM利用振动膜之间的声耦合来局部调制周围流体的声阻抗，为实时控制超构表面上方声波场的振幅和相位分布提供了一种创新策略。这使得粒子捕获和排列具有更高的分辨率（≈15 µm）、更高的通量（>100 µL/min）和更低的工作频率（<2 MHz），从而改进了现有最先进的声学操控平台。该研究为进一步探索可重构、局部共振声流控超构表面的潜力奠定了基础。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-55337-0
延伸阅读：
《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2024版》
《光学和射频应用的超构材料-2024版》
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
