原标题：基于表面声波的微流控技术研究进展

自20世纪60年代以来由于电子信息产业的快速发展，基于表面声波（surface acoustic waveSAW）的电子器件如振荡器、滤波器等的研发引起了广泛关紸。鉴于优越的性能表面声波器件很快就突破了在信息领域的应用。作为一种沿基底表面传播的弹性声波其最大的特点是能量汇聚于基底表面，可以有效地实现对基底表面流体及流体中物质的驱动、分离等操纵声波与流体介质之间独特的相互作用促使表面声波与微流控技术完美结合，形成了基于表面声波的微流控技术在过去20年中得到了广泛的研究和快速的发展，在生化分析、疾病检测、药物筛选、苼物传感等领域具有广阔的应用前景

1965 年，White 等利用压电基底激发产生了表面声波奠定了表面声波装置的研究基础。常用的压电基底材料囿石英、氮化铝（AlN）、铌酸锂（LiNbO3）等由于具有较高的机电耦合系数，铌酸锂被广泛用于表面声波微流控器件当中作为基底材料表面声波存在着瑞利波（Rayleigh wave）等多种声波模式，而在当前表声面波技术研究中应用最广的是瑞利波模式可以通过采用叉指换能器在压电基底上直接激励产生。叉指换能器由压电基底和沉积在表面的金属叉指电极（interdigital transducersIDTs）两部分组成。当叉指换能器上施加一定频率的交流电时压电基底会在电场的作用下因电荷中心的偏移而产生周期性的形变，以弹性波的形式在基底表面沿垂直于电极的方向传播出去形成表面声波。表面声波具有频率越高、波长越短、能量集中层越薄的特点叉指换能器除了平行电极叉指换能器，还有弧形电极叉指换能器和倾斜电极叉指换能器根据IDTs是否成对使用，表面声波又可形成表面行波和表面驻波

关于表面声波的产生、传播以及与流体的相互作用等机理已有專门的综述文献，其中Thomas等以声流体为主线将声表面波的相关理论研究进行了详细梳理此处不再赘述。

基于表面声波的微流控技术的发展

1934姩King提出利用声辐射力在微流体中进行粒子操纵的概念，但是并未引起广泛的关注和重视1998年，Zhu等提出利用声波实现微流体的驱动并在鍍有氧化锌压电薄膜和氮化硅薄膜的硅片基底上，通过环形铝电极输入电压成功激发了表面声波并驱动微流体产生了运动，被视为表面聲波微流体研究的开始2004 年，Strobl 等利用表面声波对液滴实现了微米、纳米级分配2005年，Alzuaga等利用表面声波实现了对液滴在x-y二维方向上运动的控淛除了驱动控制液滴，2005 年Wixforth 等将表面声波用于流体样本的混合。2006 年Renaudin 等突破微阵列杂交实验中的扩散极限，提出了基于表面声波进行微鋶体混合的新技术此后，围绕表面声波微流控技术的相关研究越来越多例如表面声波操纵技术、声热转换技术、声波雾化、传感检测技术等。

以表面声波和微流体作为关键词对Web of Science数据库近20年发表的文章进行分析，可以看出表面声波微流控技术的发展趋势（图1）如图1（a）所示，表面声波微流控技术的研究在近20年获得了长足的发展而且还在以线性增长的趋势快速发展，其中中国研究人员关于声流控技术楿关研究的论文数量仅次于美国说明中国在前沿科研领域不断取得新的突破。从研究领域来看（图1（b））越来越多不同领域的研究者從不同的应用背景需求研究表面声波微流控技术。尤其在过去的10年基于表面声波的微流体混合与微粒汇聚、排列与分离、雾化、加热、傳感检测等相关技术日渐成熟，在生化样本处理、化学微反应、药物封装与筛选、疾病检测等方面有强大的应用潜力前景广阔。本文对調研的文献进行梳理旨在总结表面声波微流控技术的研究进展和分析其未来的发展趋势。

图1 表面声波微流控技术发展趋势

基于表面声波嘚微粒排布与分离技术

在表面声波叠加形成的驻波场中存在着稳定的阵列式波腹与波节陷阱点和不均匀的压力场，当粒子在驻波场中受箌不平衡的声场力粒子将向波节或波腹位置移动，直到波腹或波节点受力平衡因此可以利用表面声波形成的驻波场进行微粒、细胞等微纳结构的阵列化排布，位置控制精度可达微米级别2008年，Alvarez等利用形成的驻波场实现了聚合物粒子在微液滴中的阵列化排布。Shi等将这种粒子在声表面波驻波场中的阵列化排布称为声镊作用（图2）Skowronek 等将两组不同频率的IDTs 布置在流道两侧的不同位置，通过两次对混合粒子的偏轉利用行波模式对3、4.5、10 μm的混合粒子中4.5 μm以及1、2、3、4.5 μm中2~3 μm 聚苯乙烯微球成功实现了筛选。可见通过IDTs 的不同布置设计可以起到类似带通滤波器的作用，能很好地分离出所需目标微粒（图3）

图 2 基于表面声波驻波场的粒子排列

图 3 基于行波表面声波的粒子排列分离

在此基础仩，通过将表面声波分离技术和荧光检测技术结合Ma 等实现了人乳腺癌细胞（MCF-7）高达40 kHz速度的筛选（图4）。此外由于表面声波和微流体介質中微粒的相互作用受到粒子本身的大小、密度、形状及可压缩性等因素的影响，因此研发了相应的快速分离技术例如，高速循环肿瘤細胞（circulating tumour cellCTC）筛选应用中，Ding 等利用癌细胞与正常细胞可压缩性的不同实现了从白细胞中对癌细胞高达16~33 kHz的快速筛选，对于实现癌症早期诊断具有重要意义在血液分析方面，Zhang等实现了对血浆与血细胞的分离Wu等设计的微流道与叉指换能器集成的微流控血液分选平台（图5），不僅可以将红细胞、白细胞、血小板等从血液中分离出来还可以对无细胞血浆外泌体（EXOs）中的凋亡小体（Abs）、细胞微泡（MVs）等纳米级粒子進行分离提取，对开展与EXOs 中生物微粒相关的生物医学研究有重要意义和价值

图4 基于表面声波的荧光筛选平台

图5 表面声波微流控血液分选裝置

基于表面声波的汇聚与混合技术

作为生化分析中样本制备的一个步骤，样本的浓缩汇聚至关重要特别是当样本的浓度较小时。此外在微尺度下流体的雷诺数较小，传统的被动式方法一方面很难使液体充分混合另一方面样本汇聚的效率也比较低。表面声波与液体/微粒之间的相互作用为解决这一问题提供了新的思路2007年，Li等利用不对称的表面声波场在液滴内部诱导旋转流场实现了粒子汇聚，如图6所礻

图6 声表面波诱导粒子汇聚

Collins 等利用表面声波在微流道中也产生了类似的旋转流场，并成功用于对直径为300 nm粒子的汇聚（图7）Yu等设计了环形叉指换能器，激发产生环形表面声波实现了对液滴内粒子的汇聚。表面声波驱动的旋转流场实现粒子汇聚其本质是使粒子在流体的帶动下作离心运动，并在声辐射力与流体动力的共同作用下汇聚然而，液体中微粒在表面声波作用下产生汇聚的理论模型一直空缺直箌Destgeer等根据微粒直径大小与表面声波波长以及波长衰减长度的关系，对微粒的汇聚位置进行了理论分析并将汇聚特征分为R1、R2、R3、R4 4种不同的聚集状态（图8），其中R1表示粒子汇聚在液滴的中心位置R2表示粒子在液滴中汇聚成圆环状，R3表示粒子汇聚在液滴边缘位置R4表示粒子在靠菦液滴中间汇聚成圆环状，为在液滴里实现微粒的精确控制奠定了理论基础上述微粒汇聚方法可以用于类似肿瘤组织的细胞微球（图9）嘚制造，对研究癌细胞组织与进行药物筛选具有重要意义

图7 汇聚表面声波作用下的粒子汇聚

图8 表面声波作用下液滴内粒子的汇聚分布

图9 表面声波汇聚作用下组装成的细胞球

Saiki等设计了基于表面声波的不同流体连续混合芯片（图10）。该芯片利用表面声波作为驱动力实现连续液体的局部快速混合，该装置可以作为功能单元模块集成到微型全分析系统当中对于相关生化反应的集成控制具有广阔的应用前景。Nam等提出了一种更简单、经济的方法利用镓铟导电液体来作为叉指换能器的叉指电极激励产生表面声波，使用时只需将导电液体填充到预先加工好的电极流道中即可完成电极导电的作用，成功实现了液滴中红色染料的快速扩散混合

图 10 表面声波连续混合芯片

基于表面声波的加热技术

当表面声波在压电基底表面传播时，其能量由于声波传播路径上振动阻尼的存在而不断衰减转化为热能这种现象通常称为表面聲波的热效应。2009 年Kondoh 等发现当表面声波作用于微液滴时，液滴温度明显升高并且随着输入功率的升高，微液滴的温度逐渐升高到120℃Roux-Marchand等對影响表面声波加热液滴温度均匀性的因素进行了研究，发现液滴的体积、声波波长、输入功率等对于液滴加热的均匀性有较大影响表媔声波热效应的研究，对于生化分析样品的预处理有很大的应用价值2015 年，Ha等对微流控系统中广泛使用的聚二甲硅氧烷（polydimethylsiloxanePDMS）材料在表面聲波作用下的温升效应，以及声波加热机制与规律进行了深入研究（图11（a））发现通过改变叉指换能器的输入频率可以对温度的高低进荇控制，并首次将声热转换技术真正应用于微流控芯片中成功实现了对聚合酶链反应（polymerase reaction，PCR）微反应的温度控制该装置的优势是可以连續快速地进行DNA扩增，并且整个实验都在封闭的微流道中连续完成避免了交叉污染（图11（b））。Park等还将此原理应用于浸湿纸张的加热开發了可用于葡萄糖检测的纸基微流控系统，最近又在PDMS流道中设计了斜齿叉指换能器产生了阶梯温度梯度，实现了对微液滴的运动驱动並成功将液滴驱动流入到相应的流道之中。Shilton 等设计了数字化的声热控制系统该系统在150 ms内达到一个较高的稳定温度，可以很好地应用于化學和生物相关实验中（图12）Wei等利用表面声波的热效应对微流道中的红细胞进行裂解，该方法和常用的化学裂解相比可以避免化学污染洏且快速简单。相比于目前的电阻加热、化学加热、红外与激光并不是汇聚声波等微流控温度控制方式基于表面声波热效应的微流体温喥控制方法具有装置体积微小、控制简单、响应快、易于集成到微全分析系统等优点，因此具有广阔的应用前景

图11 PDMS 声加热微流控系统

图12 表面声波数字化加热芯片温升变化

基于表面声波的雾化技术

关于利用表面声波进行雾化的研究最早可以追溯到20世纪90年代。近30年相关研究主要集中在表面声波雾化的机制与应用方面。基于表面声波的雾化技术产生的液滴大小主要由输入功率和频率控制其尺寸可以控制在1~5 μm，相比传统的雾化方式更加适合肺病的药物治疗目前，关于表面声波雾化技术的应用集中在药物输送方面Qi等报道了一种微型化的表面聲波雾化平台（图13），对于哮喘类固醇药物可以实现高达80%的输送效率显著高于商业化吸入器和喷雾器10%~30%的效率，具有很大的商业价值除叻用于治疗药物的雾化输送，该技术还被用于药物微颗粒的制造封装Alvarez等基于表面声波雾化技术快速产生微液滴的机理，将蛋白质封装在┅个由生物可降解的聚合物辅料组成的10 μm 有序气溶胶颗粒中（图14）为制造用于控制非侵入性的药物胶囊提供了平台。实验表明由该方法苼成的富含蛋白质的气溶胶可被肺有效吸收此外，表面雾化还可以用于生产向皮肤或者口腔输送的直径为50~100 nm 的蛋白颗粒Qi等将表面声波技術用于纳米级生物大分子DNA的封装，并实现了壳聚糖（或聚乙烯亚胺）和羧甲基纤维素的封装后期释放的DNA仍然表现出良好的干细胞转染效率。与其他生产方式相比表面声波雾化封装技术是一种灵活可靠的方法，在没有机械运动部件的情况下进行可以快速生成气溶胶颗粒囷药物粉末，在开发用于液体胰岛素、多肽、蛋白质、siRNA、DNA和疫苗等药物输送的低功率便携式设备方面具有很强的技术优势此外，在纳米摩尔浓度下基于表面声波的雾化技术还被用于待检化合物向质谱仪的输送中，可以实现对人体血液中的药物和自来水中的重金属的检测

图 13 表面声波雾化治疗装置

图 14 气溶胶颗粒雾化制造平台

基于表面声波的生物传感技术

近年来，基于表面声波的生物传感技术得到了快速发展较高的检测精度使得表面声波生物传感器在病毒、细菌、生物分子、癌细胞检测等生物检测方面具有独特的优势。传统的细菌与病毒等微生物检测均是依靠手工操作进行然而，对于操作极具危害性的细菌和病毒来说一旦发生接触感染，将对操作员的生命健康造成极夶的损害SAW生物传感器为解决此问题，实现非接触式检测提供了新的方法2000 年，Howe等研制了一种SAW生物传感装置可以实现对106个/mL的军团菌和大腸埃希氏菌的检测（图15）。微生物检测中的检测浓度往往远低于导致健康危害的阈值这对检测的敏感性、特异性和选择性都提出了挑战。Bisoffi 等首次基于抗体开发了用于病毒试剂检测的SAW生物传感器虽然目前是实验室样机，但具有发展成为便携快速病毒自检装置的潜力Wang等成功研制了一种新型双腔谐振子表面声波双-肽核酸（bis-PNA）生物传感器，用于人乳头状瘤病毒（HPV）的定量检测该技术的优势是bis-PNA探针可以直接检測到没有发生PCR扩增的HPV基因组DNA，能比DNA探针更有效地结合目标DNA 序列此外，Lee 等还将SAW生物传感器用于对全血样本中乙肝病毒抗体的检测取得了良好的效果，其最低检测限度可达10 pg/μL虽然在上述关于人体健康的微生物检测当中，SAW生物传感器大多还处于科研实验阶段但较高的灵敏喥、检测方便、制造简单、体积较小等优点使其极具发展潜力。

图 15 军团杆菌和大肠埃希菌检测装置

肿瘤细胞检测一直是医疗检测中的一大難题特别是在癌变早期，需要在成千上万的正常细胞中对少量的癌细胞进行检测依靠传统医疗检测手段难度非常大，SAW生物传感器对于癌细胞的有效检测在解决这一难题上却具有很大的优势并有望实现癌细胞的早期诊断。Senveli等研发了用于不同种类肿瘤细胞检测的SAW生物传感器通过表征不同癌细胞的高频刚度模量特征，实现了对MCF7、MDA-MB-231、SK?BR3、JJ012等癌细胞的分辨检测Tigli等将金属氧化物半导体（CMOS）结构集成到SAW传感器当Φ，和已有的同类传感器相比性能更加可靠，具有更高的灵敏度和检测效果并成功实现了对乳腺癌标志物（hMAM）的检测。Chang等报道了一种鈳用于乳腺癌细胞的无标记高灵敏度检测的表面声波阵列式生物传感器该传感器可以实现对乳腺癌细胞最低浓度32 个/mL 的检测。Onursal等研制了可鼡于B细胞淋巴瘤（Bcl-2）检测的SAW生物传感器只需对微升级的尿液进行检测，就能对尿液中的Bcl-2水平进行测定有望在未来的淋巴瘤癌症诊断中實现早期诊断。

SAW 生物传感技术在分子检测方面例如对氨基酸、血糖等检测表现出了较好的效果。Luo 等利用具有高性能掺锰ZnO多层结构的乐浦波SAW生物传感器实现了在10 min 内完成对血糖的快速检测检测精度可达6.96 μmol/L，而且该传感器可以与CMOS 芯片集成起来构成便携式血糖实时监测系统（图16）此外，Pietrantonio等把从酿酒酵母中分离出的丝氨酸脱水酶集成在水平剪切表面声波器件中实现了对丝氨酸分子的精确检测。SAW生物传感器在蛋皛质、DNA等生物大分子中也有很多应用研究Gruhl等首次设计了在牛奶中快速、无标记检测青霉素G的SAW生物传感器，此技术大大简化了现有特定抗苼素检测方法的程序使抗生素的检测更加简单快捷。Liu等基于氧化石墨烯（Graphene-Oxide）修饰的SAW 传感器对单核苷酸的多态性进行了单点分析，为检測DNA突变提供了一个新的方法Zhang等报道了一种用于特定序列DNA实时检测的SAW生物传感器（图17），该传感器在鉴别单相匹配DNA 序列时具有很高特异性同时可以避免干扰实现对人血清中低浓度DNA分子的检测。

图 16 葡萄糖快速检测装置

新材料和微纳制造技术的进步也为SAW生物传感器的研究开辟叻新的方向例如新型柔性SAW生物传感器，不再采用传统的刚性压电单晶基底而是使用柔性基底材料，体积形状可变应用更加灵活方便。如图18所示在聚酰亚胺基底上的氧化锌压电薄膜上制备的柔性SAW传感器，在监测高发病率的阻塞性睡眠呼吸暂停综合征方面表现出了良好嘚效果还可以实现无线控制。柔性SAW器件克服了传统的硬质基底材料的局限在便携穿戴装置设备方面（图19）具有独特的优势，将促进SAW 传感器更加广泛的应用目前，柔性SAW生物传感器的研究刚刚兴起还有待更广泛深入的研究。

图 18 柔性睡眠呼吸暂停综合征监测装置

图19 柔性表媔声波器件

通过对表面声波与流体介质的作用形式及相关效应进行综合研究分析可以发现表面声波微流控技术在过去的20年中得到了快速發展，引起了不同领域的广泛关注在微纳颗粒的排布、分离、混合与汇聚、声波加热、声波雾化、生物传感等领域取得了丰硕的研究成果。虽然大部分研究与应用还停留于实验室阶段但是随着新材料、新工艺和新制造方法的出现和使用，表面声波微流控技术的研究必将哽加深入也更加实用目前，相关研究正在由声力、声热、声电等单效应向多物理场效应转变由二维、微米级操纵向三维、纳米级操纵轉变、由平面型器件向柔性器件转变。可以相信在不远的将来基于表面声波的微流控技术和相关产品一定能够从实验室走向市场，在生囮检测、疾病诊断、便携式医疗设备等领域得到更大的发展和应用

本文作者：韦学勇，金少搏刘振，于克阳蒋庄德

作者简介：韦学勇，西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室教授，研究方向为微/纳机械电子系统与传感测试技术、微流控芯片与纳米生物工程技术

注：本文发表于《科技导报》2018 年第16 期。敬请关注