垂直振动液膜基底上弹跳液滴的声学操纵研究

本文研究了一种与空气接触的利用声镊捕获并操纵毫米级液滴的微流控技术,该技术中样品与平台之间无接触可以有效减少甚至避免生物和医学应用领域中样品与环境的交叉污染。我们利用液滴在垂直振动硅油液膜上的弹跳实现了液滴的垂直悬浮,并利用二维超声声场实现了液滴的平面运动。声波驻点的突然位移和驻波相位的逐渐位移是平台的两种主要水平操纵机制;利用声场中声压的区域差异,并对声场进行编程,可精准控制液滴停留在驻点位置,或随驻点移动、振荡,实现液滴按需运动。声镊的水平声力给液滴提供了大于1m/s2的加速度,而液膜上由于液滴撞击产生的凹陷和空气薄膜的共同作用提供了阻尼系数,抑制了液滴的过度响应和运动。在一次弹跳周期中,液滴在弹跳高处时由于声力而加速,在弹跳低处时由于表面凹陷而减速为零,整体表现出恒定的平均速度。小液滴对声场的变化响应迅速而大液滴对声场的变化响应较慢,但不论液滴大小其运动速度与声场的变化呈线性相关。弹跳液滴的声镊操控实现了无接触、迅速,且对流体性质无要求的液滴驱动、合并和振荡混合。该平台能够广泛应用于精准医疗、药物运输、细胞检测等生物医学研究与工程领域。