專利名稱：基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及聲波操控技術(shù)，尤其涉及一種基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
對單個原子或者宏觀物質(zhì)的微操控技術(shù)的研究與開發(fā)對生物學(xué)、量子光學(xué)、軟物質(zhì)物理學(xué)、生物物理學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)均產(chǎn)生了重大的影響。微操控技術(shù)不僅為研究金屬、細(xì)胞、DNA等微小顆?；镜牧W(xué)、物理和生化特性提供了重要的研究手段，而且為用于細(xì)胞、血小板等生物顆粒篩選的新型生化分析儀器的研制提供了必要的技術(shù)支持。研制精確可靠、成本低廉的對微小顆粒的控制器件，現(xiàn)已成為備受矚目的前沿方向之一。目前對微小粒子的操控技術(shù)可分為:基于微鑷和微吸管的操控技術(shù)；基于表面張力、粘附力、靜電力等面力的操控技術(shù)；基于光、聲、磁等外加力場的操控技術(shù)。其中，基于外加力場的操控技術(shù)由于其具有非接觸性等方面的優(yōu)勢而成為主流的發(fā)展方向。目前，利用光場、磁場、電泳、水流動力學(xué)等方法雖然實現(xiàn)了對微粒的操控，但是這些方法存在一些固有的局限性，例如不易微型化，對顆粒尤其是生物顆粒易產(chǎn)生損傷、需要對微粒進行表面修飾等。聲波操控技術(shù)因其具有非接觸、無創(chuàng)、普遍適用性等優(yōu)點而受到了廣泛的關(guān)注?，F(xiàn)有的聲操控主要利用聚焦聲場和駐波聲場對微納米粒子進行操控。現(xiàn)有技術(shù)利用流體或者駐波場先將待分選微納米顆粒一個接一個地排列成線，再將這些排列好的顆粒輸運至聲場區(qū)域，一個個顆粒依次在流經(jīng)聲場的過程中逐漸被按照不同尺寸或者聲學(xué)特性分成不同的組，從而達到篩選的目的?，F(xiàn)有技術(shù)或者對單個顆?；蛘呤菍α鹘?jīng)聲場的顆粒分別進行處理，這樣的分選方式?jīng)Q定了這種篩選技術(shù)無法對微納米顆粒進行批量處理而不能并行處理批量的顆粒。

發(fā)明內(nèi)容
本申請要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的系統(tǒng)和方法。根據(jù)本申請的第一方面，本申請?zhí)峁┮环N基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的系統(tǒng)，包括樣本臺、超聲波發(fā)射裝置和人工結(jié)構(gòu)，所述樣本臺用于盛放待篩選顆粒，所述超聲波發(fā)射裝置用于發(fā)射超聲波，所述人工結(jié)構(gòu)為周期結(jié)構(gòu)，用于調(diào)制聲場產(chǎn)生更強的聲輻射力，并對所述待篩選顆粒進行篩選。上述基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的系統(tǒng)，所述周期結(jié)構(gòu)包括基板和平行設(shè)置在所述基板上且間隔相等的多個凸條。上述基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的系統(tǒng)，所述凸條為長方體、多棱柱或半圓柱。上述基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的系統(tǒng)，所述凸條為長方體，所述長方體的中心線之間的間距為d，所述基板的厚度為h2，則0.15 ( h2/d ( 0.25。
上述基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的系統(tǒng)，所述長方體的寬、所述長方體的高及所述基板的厚度相等。上述基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的系統(tǒng)，所述人工結(jié)構(gòu)采用橫波速大于基體水的縱波帶的剛性材料制成。上述基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的系統(tǒng)，所述超聲波發(fā)射裝置包括信號發(fā)生器、功率放大器和超聲換能器，所述信號發(fā)生器用于產(chǎn)生發(fā)射信號，所述發(fā)射信號經(jīng)功率放大器激勵所述超聲換能器產(chǎn)生超聲波。上述基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的系統(tǒng)，還包括攝像模塊和圖像分析模塊，所述攝像模塊用于拍攝釋放捕獲后被釋放的顆粒的圖像，所述圖像分析模塊用于對所述被釋放的顆粒進行測量。根據(jù)本申請的第二方面，本申請?zhí)峁┮环N基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的方法，使用上述的人工結(jié)構(gòu)，包括以下步驟:將待篩選顆粒置于樣本臺上，將人工結(jié)構(gòu)設(shè)置于所述樣本臺上方；超聲波發(fā)射裝置發(fā)射超聲波；所述人工結(jié)構(gòu)對聲場進行調(diào)控；所述人工結(jié)構(gòu)基于所述調(diào)制產(chǎn)生的聲輻射力篩選所述待篩選顆粒。上述基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的方法，所述人工結(jié)構(gòu)對聲場進行調(diào)控，具體包括:將信號發(fā)生器的發(fā)射頻率設(shè)定為人工結(jié)構(gòu)的共振頻率，通過改變電壓的方式實現(xiàn)對超聲波的調(diào)控；或者將信號發(fā)生器的激勵電壓設(shè)為定值，通過改變頻率的方式實現(xiàn)對超聲波的調(diào)控。上述基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的方法，還包括以下步驟:釋放被捕獲的顆粒，并拍攝被釋放的顆粒；測量所述被釋放的顆粒。由于采用了以上技術(shù)方案，使本申請具備的有益效果在于:⑴在本申請的具體實施方式
中，由于包括樣本臺、超聲波發(fā)射裝置和人工結(jié)構(gòu)，超聲波發(fā)射裝置用于發(fā)射超聲波，人工結(jié)構(gòu)為周期結(jié)構(gòu)，對待篩選顆粒進行篩選，多個顆?？赏瑫r置于樣本臺上，利用人工結(jié)構(gòu)調(diào)制聲場產(chǎn)生更強的聲輻射力，將特定顆粒同時捕獲在人工結(jié)構(gòu)的下表面，實現(xiàn)了對顆?？焖佟⑴康睾Y選，提高了效率。⑵在本申請的具體實施方式
中，將信號發(fā)生器的發(fā)射頻率設(shè)定為人工結(jié)構(gòu)的共振頻率，通過改變電壓的方式實現(xiàn)對超聲波的調(diào)控；或者將信號發(fā)生器的激勵電壓設(shè)為定值，通過改變頻率的方式實現(xiàn)對超聲波的調(diào)控，由于聲壓或者頻率與微納米顆粒存在著一定的、穩(wěn)定的關(guān)系，使得在特定的聲壓或者頻率下，人工結(jié)構(gòu)只能對特定尺寸的顆粒進行捕獲，從而使得篩選的結(jié)果具有可重復(fù)性，且不易受外界因素干擾，可靠性更高。


圖1為本申請基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的系統(tǒng)在一種實施方式中的結(jié)構(gòu)示意圖2為本申請基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的系統(tǒng)在另一種實施方式中的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本申請基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的系統(tǒng)在一種實施方式中的人工結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本申請基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的方法在一種實施方式中的流程圖；圖5為使用本申請對兩種玻璃微球混合顆粒進行篩選的效果圖；圖6為使用本申請對三種玻璃微球混合顆粒進行篩選的效果圖。
具體實施例方式下面通過具體實施方式
結(jié)合附圖對本申請作進一步詳細(xì)說明。實施例一:如圖1至圖3所示，本申請的基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的系統(tǒng)，其一種實施方式，包括樣本臺、超聲波發(fā)射裝置和人工結(jié)構(gòu)，樣本臺用于盛放待篩選顆粒，超聲波發(fā)射裝置用于發(fā)射超聲波，人工結(jié)構(gòu)為周期結(jié)構(gòu)，用于調(diào)制聲場產(chǎn)生更強的聲輻射力，并對待篩選顆粒進行篩選。在一種實施方式中，樣本臺為由凝膠制成的透聲仿體，其高度可根據(jù)需要進行設(shè)置。在本具體實施方式
中，樣本臺的高度為4cm。在一種實施方式中，超聲波發(fā)射裝置包括信號發(fā)生器、功率放大器和超聲換能器，信號發(fā)生器用于產(chǎn)生發(fā)射信號，發(fā)射信號經(jīng)功率放大器激勵超聲換能器產(chǎn)生超聲波。超聲換能器可以是單陣元超聲換能器、相控陣超聲換能器、線陣超聲換能器、凸陣超聲換能器和叉指換能器中的一種。待操控或篩選的顆粒的大小決定了人工結(jié)構(gòu)的各項參數(shù)，從而決定了人工結(jié)構(gòu)的共振頻率。而人工結(jié)構(gòu)的共振頻率決定了發(fā)射超聲的驅(qū)動頻率，從而決定了超聲換能器的中心頻率。在本具體實施方式
中，超聲換能器采用單陣元超聲換能器，其中心頻率為1.22MHz，焦距為120mm。信號發(fā)生器的發(fā)射信號可以是連續(xù)正弦信號，或是脈沖正弦信號。在一種實施方式中，信號發(fā)生器可以是可編程信號發(fā)生器(AFG3021, Tectronix),功率放大器可以是50dB的線性功率放大器(325LA，ENI)。信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦連續(xù)信號，正弦信號經(jīng)功率放大器后激勵超聲換能器產(chǎn)生超聲波。攝像模塊和圖像分析模塊，攝像模塊用于拍攝捕獲后被釋放的顆粒的圖像，圖像分析模塊用于對被釋放的顆粒進行測量。在一種實施方式中，攝像模塊由高清連續(xù)變倍鏡頭(XDS-N0745i)、高清工業(yè)相機CCD (DL-300)、顯微鏡支架(DT-100)和CCD廠商提供的攝像軟件組成。圖像分析模塊為公共領(lǐng)域的Java圖像處理程序Image J0本申請的基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的系統(tǒng)還可以包括三維位移模塊，用于控制人工結(jié)構(gòu)和超聲發(fā)射裝置的空間位置。在一種實施方式中，三維位移模塊包括高精密電移臺(KSA, Z0LIX)和電移臺控制箱(MC600, Z0LIX)。在一種實施方式中，周期結(jié)構(gòu)可以包括基板11和多個凸條12，多個凸條12平行設(shè)置在基板上且多個凸條12之間的間隔相等。本申請的人工結(jié)構(gòu)可以是一種柵欄結(jié)構(gòu)。凸條12可以為長方體、多棱柱或半圓柱，凸條12也可以為其他形狀。在本具體實施方式
中，凸條為長方體，若長方體的中心線之間的間距為山基板的厚度為h2，則
0.15 ( h2/d ( 0.25。長方體的中心線之間的間距d為人工結(jié)構(gòu)的周期，人工結(jié)構(gòu)采用硬性材料制成，具體采用橫波速大于基體水的縱波帶的硬性材料制成。該硬性材料可以為金屬材料，如銅、鋁、鋼或其他金屬材料，該硬性材料也可以為非金屬材料。在本實施方式中，人工結(jié)構(gòu)為在厚度0.3mm的銅板上加工制得的周期0.82mm,高度0.15mm,寬度0.15mm的柵
欄結(jié)構(gòu)。在一種實施方式中，長方體的寬、長方體的高及基板的厚度可以相等，即若長方體的寬為w，長方體的高為hl，則w=hl=h2。在本實施方式中，人工結(jié)構(gòu)為在厚度hl+h2=0.3mm的銅板上通過激光刻蝕加工得到的周期為d=0.82mm,高度為hl=0.15mm,寬度為w=0.15mm的柵欄結(jié)構(gòu)。實施例二:如圖4所示，本申請的基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的方法，其一種實施方式，包括以下步驟:步驟402:將待篩選顆粒置于樣本臺上，將人工結(jié)構(gòu)設(shè)置于樣本臺上方；在本實施方式中，待篩選的顆粒可選用微小的玻璃球，具體為西格瑪奧德里奇公司生產(chǎn)的酸洗的玻璃微球G4649-100G、G1145-100G和G8772-100G。這三種玻璃微球的直徑分別為〈106 u m，150-212 iim 和 425-600 u mo步驟404:超聲波發(fā)射裝置發(fā)射超聲波；步驟406:人工結(jié)構(gòu)對聲場進行調(diào)控；步驟408:人工結(jié)構(gòu)基于調(diào)制產(chǎn)生的聲輻射力篩選待篩選顆粒。人工結(jié)構(gòu)可將篩選出的顆粒吸附在人工結(jié)構(gòu)的下表面。本申請的基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的方法，在一種實施方式中，其中步驟406具體包括:將信號發(fā)生器的發(fā)射頻率設(shè)定為人工結(jié)構(gòu)的共振頻率，通過改變電壓的方式實現(xiàn)對超聲波的調(diào)控；信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率1.282MHz的連續(xù)正弦信號，電壓從IOOmVpp升至1500mVpp，或者電壓從1500mVpp降至IOOmVpp,步長lmVpp。正弦信號經(jīng)功率放大器后激勵超聲換能器產(chǎn)生超聲波；超聲波激勵人工結(jié)構(gòu)振動并在人工結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生吸附力。本申請的基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的方法，在另一種實施方式中，其中步驟406具體包括:將信號發(fā)生器的激勵電壓設(shè)為定值，通過改變頻率的方式實現(xiàn)對超聲波的調(diào)控。信號發(fā)生器產(chǎn)生電壓1500mVpp的連續(xù)正弦信號，頻率從1.171MHz升至1.282MHz，或者頻率從1.282MHz降至1.171MHz，步長0.0OlMHz0正弦信號經(jīng)功率放大器后激勵超聲換能器產(chǎn)生超聲波；超聲波激勵人工結(jié)構(gòu)振動并在人工結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生吸附力。本申請的基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的方法，在一種實施方式中，還可以包括以下步驟:步驟410:釋放被捕獲的顆粒，并拍攝被釋放的顆粒；步驟412:測量被釋放的顆粒尺寸、數(shù)量。測量后可檢查顆粒粒徑是否符合要求，是否能達到篩選目的。圖5為對含有150-212 y m和425-600 u m兩種直徑的玻璃微球混合顆粒捕獲和篩選的結(jié)果。信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率1.282MHz的連續(xù)正弦信號，經(jīng)功率放大器后激勵超聲換能器產(chǎn)生超聲波；超聲波激勵人工結(jié)構(gòu)振動在結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生吸附力。圖5 (a)所示，當(dāng)電壓為1500mVpp時，顯微攝像模塊拍攝的人工結(jié)構(gòu)表面吸附了兩種尺寸分布的玻璃微球；圖5(b)所示，當(dāng)電壓降至IOOOmVpp時，425-600 iim的大玻璃球從人工結(jié)構(gòu)表面掉落，表面僅剩尺寸150-212 iim的小玻璃球；如圖5 (c)所示，當(dāng)電壓降至240mVpp時，尺寸150-212 的小玻璃球從人工結(jié)構(gòu)表面掉落。在驅(qū)動頻率一定時，通過降低電壓的方式實現(xiàn)了對顆粒的捕獲和篩選。圖6為對〈106 u m、150-212 y m和425-600 U m三種直徑的玻璃微球混合顆粒捕獲和篩選的結(jié)果。信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率1.282MHz的連續(xù)正弦信號，經(jīng)功率放大器后激勵超聲換能器產(chǎn)生超聲波；超聲波激勵人工結(jié)構(gòu)振動在結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生吸附力。圖6 (a)所示，當(dāng)電壓為220mVpp時，顯微攝像模塊拍攝的人工結(jié)構(gòu)表面吸附了呈周期排列的尺寸〈106i!m的玻璃微球；圖6 (b)所示，當(dāng)電壓升至240mVpp時，150-212 u m的玻璃球被吸附到從人工結(jié)構(gòu)表面，并呈周期排列；如圖6 (c)所示，當(dāng)電壓升至IOOOmVpp時，尺寸425-600 ii m的玻璃球又被吸附到人工結(jié)構(gòu)表面，此時可見人工結(jié)構(gòu)表面吸附了三種尺寸分布的玻璃微球。在驅(qū)動頻率一定時，通過升高電壓的方式實現(xiàn)了對顆粒的捕獲和篩選。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實施方式對本申請所作的進一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本申請的具體實施只局限于這些說明。對于本申請所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本申請構(gòu)思的前提下，還 可以做出若干簡單推演或替換。
權(quán)利要求
1.一種基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的系統(tǒng)，其特征在于，包括樣本臺、超聲波發(fā)射裝置和人工結(jié)構(gòu)，所述樣本臺用于盛放待篩選顆粒，所述超聲波發(fā)射裝置用于發(fā)射超聲波，所述人工結(jié)構(gòu)為周期結(jié)構(gòu)，用于調(diào)制聲場產(chǎn)生的聲輻射力，并對所述待篩選顆粒進行篩選。
2.如權(quán)利要求1所述的基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的系統(tǒng)，其特征在于，所述周期結(jié)構(gòu)包括基板和平行設(shè)置在所述基板上且間隔相等的多個凸條。
3.如權(quán)利要求2所述的基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的系統(tǒng)，其特征在于，所述凸條為長方體、多棱柱或半圓柱。
4.如權(quán)利要求3所述的基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的系統(tǒng)，其特征在于，所述凸條為長方體，所述長方體的中心線之間的間距為d，所述基板的厚度為h2，則0.15 ( h2/d ≤ 0.25。
5.如權(quán)利要求4所述的基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的系統(tǒng)，其特征在于，所述長方體的寬、所述長方體的高及所述基板的厚度相等。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的系統(tǒng)，其特征在于，所述人工結(jié)構(gòu)采用橫波速大于基體水的縱波帶的剛性材料制成。
7.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的系統(tǒng)，其特征在于，所述超聲波發(fā)射裝置包括信號發(fā)生器、功率放大器和超聲換能器，所述信號發(fā)生器用于產(chǎn)生發(fā)射信號，所述發(fā)射信號經(jīng)功率放大器激勵所述超聲換能器產(chǎn)生超聲波。
8.如權(quán)利要求7所述的基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的系統(tǒng)，其特征在于，所述信號發(fā)生器還用于將發(fā)射頻率設(shè)定為人工結(jié)構(gòu)的共振頻率，通過改變電壓的方式實現(xiàn)對超聲波的調(diào)控；或者所述信號發(fā)生器還用于將信號發(fā)生器的激勵電壓設(shè)為定值，通過改變頻率的方式實現(xiàn)對超聲波的調(diào)控。
9.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的系統(tǒng)，其特征在于，還包括攝像模塊和圖像分析模塊，所述攝像模塊用于拍攝釋放捕獲后被釋放的顆粒的圖像，所述圖像分析模塊用于對所述被釋放的顆粒進行測量。
10.一種基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的方法，其特征在于，包括以下步驟: 將待篩選顆粒置于樣本臺上，將人工結(jié)構(gòu)設(shè)置于所述樣本臺上方； 超聲波發(fā)射裝置發(fā)射超聲波； 所述人工結(jié)構(gòu)對聲場進行調(diào)控； 所述人工結(jié)構(gòu)基于所述調(diào)制產(chǎn)生的聲輻射力篩選所述待篩選顆粒。
11.如權(quán)利要求10所述的基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的方法，其特征在于，所述人工結(jié)構(gòu)對聲場進行調(diào)控，具體包括: 將信號發(fā)生器的發(fā)射頻率設(shè)定為人工結(jié)構(gòu)的共振頻率，通過改變電壓的方式實現(xiàn)對超聲波的調(diào)控； 或者將信號發(fā)生器的激勵電壓設(shè)為定值，通過改變頻率的方式實現(xiàn)對超聲波的調(diào)控。
12.如權(quán)利要求10所述的基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的方法，其特征在于，還包括以下步驟: 釋放被捕獲的顆粒，并拍攝被釋放的顆粒； 測量所述被釋放的顆粒。
全文摘要
本申請公開了一種基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的系統(tǒng)，包括樣本臺、超聲波發(fā)射裝置和人工結(jié)構(gòu)，所述樣本臺用于盛放待篩選顆粒，所述超聲波發(fā)射裝置用于發(fā)射超聲波，所述人工結(jié)構(gòu)為周期結(jié)構(gòu)，用于調(diào)制聲場產(chǎn)生更強的聲輻射力，并對所述待篩選顆粒進行篩選。本申請還公開了一種基于結(jié)構(gòu)聲場操控和篩選顆粒的方法。在本申請的具體實施方式
中，由于包括樣本臺、超聲波發(fā)射裝置和人工結(jié)構(gòu)，超聲波發(fā)射裝置用于發(fā)射超聲波，人工結(jié)構(gòu)為周期結(jié)構(gòu)，對待篩選顆粒進行篩選，多個顆?？赏瑫r置于樣本臺上，利用人工結(jié)構(gòu)調(diào)制聲場產(chǎn)生更強的聲輻射力，將特定顆粒同時捕獲在人工結(jié)構(gòu)的下表面，實現(xiàn)了對顆?？焖佟⑴康睾Y選，提高了效率。
文檔編號B07C5/34GK103203328SQ201310080968
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月14日
發(fā)明者鄭海榮, 蔡飛燕, 李飛, 孟龍, 王辰 申請人:深圳先進技術(shù)研究院