微流控SERS芯片及其生物传感应用

由于微流控芯片具有优异的集成性和灵活的可操作性,基于芯片上的检测方法被大量开发,发展十分迅速。其中,表面增强拉曼光谱（SERS）凭借其超高的灵敏度、独一无二的指纹谱和窄峰宽等特点成为一种广泛采用的检测手段。SERS微流控芯片集SERS检测技术与微流控芯片的优势于一体,一方面为SERS检测方法的重复性和可靠性提供了一个高效平台,另一方面推动了微流控芯片的功能拓展,在生物分子探测、细胞捕获乃至组织模拟等领域具有广阔的应用前景。本文在简要介绍SERS的原理及其生物传感应用的基础上,重点概述了SERS微流控芯片的构建及其在生物传感及检测中的应用,最后探讨了该研究方向存在的问题及发展方向。     

微流控SERS及其在生物医学应用的研究进展

微流控芯片以其对微量样品的精确操控能力而引起特别关注,表面增强拉曼光谱(SERS)作为一种超灵敏的光谱检测技术近年来在痕量检测上应用广泛。微流控芯片与SERS相结合的系统可对微量生物样品进行无损、快速、高灵敏度且高通量的检测分析,在生物医学领域有巨大的应用潜力,是当前的研究热点之一。本文介绍了微流控SERS系统近年的发展情况,包括微流控芯片的制作加工和流体操控,以及微流控芯片中SERS基底的集成;并重点介绍了近年来SERS微流控芯片系统在生物医学上的应用,如生物分子的检测、细胞分析、药物监测和筛选、疾病诊断,以及在环境和食品健康安全方面的检测应用。     

可调微流控光学变焦透镜

设计了一种可调微流控光学变焦透镜,采用液压控制,主要结构包括微流道和微流体腔,由聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料结合软光刻工艺制成.利用COMSOL仿真软件展示了不同液压下微流体腔变形形成的双凸透镜和双凹透镜.利用ZEMAX进行光学仿真,得到各种透镜的焦距及光路图.提出了一种校正双凸透镜球差的方法.     

微流控芯片流道特征超声C扫描分析

微流控芯片流道宽度处于微米尺度,存在特征辨识困难的问题。该文选取两种具有不同流道宽度和布局的典型微流控芯片,采用超声C扫描技术进行流道特征成像。利用标称中心频率15 MHz、10 MHz和5 MHz聚焦探头实施水浸C扫描检测,并分析中心频率、焦斑直径、扫描步进等关键参数对流道表征的影响。实验结果表明,对于流道宽度200μm的微流控芯片,当探头中心频率不低于10 MHz、扫描步进不超过0.1 mm时,成像分辨力和流道表征效果最佳,且流道中心间距测量误差不超过5%。同时,超声C扫描图像可以反映流道宽度变化,辨识发生堵塞的微流控芯片。     

夹心式太赫兹微流控芯片

许多生物大分子的振动和转动能级都落在THz波段范围内,因此可以采用THz光谱技术定性地鉴别生物样品。但是大部分生物分子的活性需在液体环境中才能表现出来,而水作为极性物质对THz波具有较强的吸收特性。因此,在THz光谱技术中通常采取各种措施来减少水的影响,以防止水溶液中生物样品的信息被掩盖。该研究设计了两种可利用透射式太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统检测的夹心式微流控芯片,通过减小THz与水的作用距离来减少水对THz的吸收,从而达到高透过率的目的。微流控芯片采用环烯烃共聚物(Zeonor 1420R)作为基片和盖片,聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为沟道夹层,利用THz-TDS系统对该芯片进行了测试,测得该芯片在0.2～2.6 THz频率范围内的透过率可以达到80％以上。在微流控芯片中分别加入去离子水、1,2-丙二醇以及二者在不同体积比下的混合溶液,并测量了它们的透射谱。结果表明,不同比例溶液的THz光谱明显不同,说明该芯片在测量液态样品方面的可行性。此外,用该芯片分别研究了不同浓度的氯化钾和碘化钾溶液,发现氯化钾溶液随着浓度的增加THz透过率减弱,而碘化钾溶液则相反。初步认为,电解质改变了水溶液中的氢键密度,从而导致溶液对THz吸收的改变。     

PDMS微流控芯片中焦耳热效应的数值研究

用数值模拟的方法对矩形通道微流控芯片中由于焦耳热效应而产生的温度场分布进行了分析.通过求解耦合的动量以及能量方程,得到了PDMS/PDMS芯片中温度场的瞬态发展过程.对稳定状态下不同缓冲溶液浓度,底片材质以及厚度的芯片中的温度场分布也做了比较和分析.结果表明,相比于PDMS/PDMS芯片,相同条件下PDMS/玻璃芯片中的焦耳热效应会减小很多,而缓冲溶液浓度以及芯片厚度对缓冲溶液的出口平均温度也有显著影响.最后提出了减小焦耳热效应的方法.     

聚合物微流控芯片的简易热压制作及其应用

提出聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微流控分析芯片的一种简易热压制作法,研究了采用外径为180μm的毛细管作为压制微通道"模具"时的条件及相应的PMMA基片的热封合条件。采用扫描电镜(SEM)对PMMA芯片的微通道及其横截面形貌进行了表征,并测定了PMMA芯片电渗流,其电渗流值与文献报道值基本一致,上述结果表明本方法实现了热压封接。另外,芯片电泳-激光诱导荧光及共聚焦荧光显微镜检测技术表明该方法制作的PMMA芯片能稳定且均一地固定蛋白固定相,并成功实现色氨酸对映体的手性分离,两者的有效踏板数分别为450000和19000m-1。     

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微流控芯片DNA分析系统的研制

生物分析是微流控芯片分析最具进一步发展及商品化前景的分支领域之一。报道了基于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微流控芯片DNA分析系统的研制。采用简易热压法自制的PMMA芯片,以小型光纤式激光诱导荧光为检测器,以四触点可切换1 800 V高压电源为电驱动系统,以2%羟乙基纤维素(HEC)为筛分介质,通过用于DNA分析的TO-PRO-3荧光染料和激光诱导荧光检测器670 nm截止滤光片的选择,构建了微流控芯片DNA分析系统。芯片凝胶电泳分离φX174-HaeⅢRF DNA片段, 以603 bp片段计算理论塔板数n为1.14×106·m-1, 271/281 bp的分离度R为1.2。建立的PMMA微流控芯片DNA分析系统具有制作和运行成本低,芯片可重复使用,分析重现性好等特点。该研究可用于制作微型化便携式DNA分析仪,应用于临床诊断、疾病筛查等领域。     

基于微流控芯片的电解质溶液太赫兹吸收特性研究

由于许多生物分子的振动和转动能级均在太赫兹波段,且太赫兹波具有电子能量低（约4 meV）,不会破坏待测样品的特性,因此可以采用太赫兹光谱技术检测生物样品。然而许多生物分子在液体环境中才能保持其生物活性,需要在盐溶液中来探究酸碱环境对其的影响,以及在盐类缓冲液中研究其生物特性。但水作为极性液体对太赫兹波有强烈的吸收,因此,探究如何减少水对太赫兹吸收的方法非常必要。水对太赫兹的吸收主要因水分子间氢键造成,现阶段最常见的方法是减少水与太赫兹波的作用距离以及破坏水分子间的氢键。利用夹心式微流控芯片在太赫兹时域光谱系统下通过观察光谱强度变化来探究电解质对水分子间氢键的影响,既减少了水和太赫兹波的作用距离,又探究了电解质对水分子间氢键的作用。在微流控芯片中分别加入不同种类以及不同浓度的电解质,通过观察其在0.1～1.0 THz范围内的光谱强度变化来分析不同电解质对水分子间氢键的影响。部分电解质促进氢键的缔合,而另一部分则破坏氢键的形成,在太赫兹光谱范围内表现为光谱强度的变化。若促进氢键的缔合则对太赫兹吸收变大,光谱强度减弱;若破坏氢键的缔合则对太赫兹吸收减弱,光谱强度增加。研究结果发现：在水中加入KCl和KBr时,太赫兹光谱强度增加,表明二者对氢键有破坏作用,使得光谱强度变大;然而当加入MgCl₂和CaCl₂时,太赫兹光谱强度减弱,表明二者对氢键有缔合作用,从而使光谱强度变小。利用太赫兹技术在0.1～1.0 THz范围内研究KCl,KBr,MgCl₂和CaCl₂这四种不同浓度的电解质溶液特性,发现它们只会对光谱强度造成一定影响,不会引入新的特征吸收峰以及对待测样品造成干扰。这对于研究诸如大肠杆菌、枯草芽孢杆菌等在0.1～1.0 THz范围内有特征吸收谱的生物分子具有一定的实用价值。在溶液中加入所需的电解质并借助微流控芯片不仅可以识别待测样品、研究待测样品的光谱信息、探究其生物特性,而且为进一步推动太赫兹技术在生化方面的应用研究提供了先决条件。     

用于微流控液滴检测的共焦激光诱导荧光检测系统

以发射波长为473nm的二极管泵浦激光器为激发光源,搭建适于微流控液滴检测的共聚焦激光诱导荧光检测系统.系统玻璃芯片采用简易加工技术加工而成.并用2%十八烷基三氯硅烷将微通道处理为具有强疏水性质.荧光素钠溶液在T形通道交叉处被十四烷剪切形成液滴,液滴流经检测点时被激光诱导荧光系统检测.荧光素钠的检出限为1.1×10<'...     

薄膜型声学超材料的结构设计与隔声特性

为探讨薄膜型声学超材料用于汽车前围声学包、提高其中低频隔声能力的可行性,设计一种米字摆臂多质量块薄膜型声学超材料,构建其隔声分析有限元模型,分析其隔声特性及影响因素,开展结构优化及其在汽车前围声学包上的应用探索。研究表明,所设计的薄膜型声学超材料单胞在中低频区域具有较宽的隔声频带;增加薄膜上质量块半径或厚度会使传声损失曲线整体向低频区域移动,且质量块半径的增加还会拓宽高频区域的隔声频带;增加薄膜厚度或预应力会使传声损失曲线整体向高频区域移动;优化后的薄膜型声学超材料与钢板组合应用于汽车前围板,可明显提高其中低频隔声能力。     

A prediction of the acoustic field of a vibrating box by FEM-BEM

I.Mathematicalmodelofacousticfie1dByapplyingtheSommerfeldradiationcondihonThus,anacousticfic1disdescribcdbyHelmholtzformula.Byconsideringaficldpointinthearea,Helmholtzformulaisgivenbythefollowingthreeintegra1equations:(1)Theexternalintcgra1fOrmu1a'(2)Thcintcrnalintegralformu1af(3)Thesurfaceintegralformu1afwhcreP.isthesoundpressureonthcSsurface;rthedistancefrompointqtothee1ementsurfacedSiqtheficldpoint,tuthefrcqucncyoftheacousticradiation;pthedensityofthesurroundingmedium,vsthenormalvibrati…     

Manipulation with sound and vibration: A review on the micromanipulation system based on sub-MHz acoustic waves

Manipulation of micro-objects have been playing an essential role in biochemical analysis or clinical diagnostics. Among the diverse technologies for micromanipulation, acoustic methods show the advantages of good biocompatibility, wide tunability, a label-free and contactless manner. Thus, acoustic micromanipulations have been widely exploited in micro-analysis systems. In this article, we reviewed the acoustic micromanipulation systems that were actuated by sub-MHz acoustic waves. In contrast to the high-frequency range, the acoustic microsystems operating at sub-MHz acoustic frequency are more accessible, whose acoustic sources are at low cost and even available from daily acoustic devices (e.g. buzzers, speakers, piezoelectric plates). The broad availability, with the addition of the advantages of acoustic micromanipulation, make sub-MHz microsystems promising for a variety of biomedical applications. Here, we review recent progresses in sub-MHz acoustic micromanipulation technologies, focusing on their applications in biomedical fields. These technologies are based on the basic acoustic phenomenon, such as cavitation, acoustic radiation force, and acoustic streaming. And categorized by their applications, we introduce these systems for mixing, pumping and droplet generation, separation and enrichment, patterning, rotation, propulsion and actuation. The diverse applications of these systems hold great promise for a wide range of enhancements in biomedicines and attract increasing interest for further investigation.     

混响环境下目标声场稀疏分解多域声场重放方法

对于封闭空间内的声场重放,传统的多点声压匹配方法 (Cov-PM)依据在目标声场测得的声压直接使用最小二乘来计算扬声器权重。然而这种方法要求较多的目标声场采样点以实现足够的精度。对于一类特殊的声场景,也就是目标声场是由少量声源辐射产生时,提出一种对目标声场稀疏分解的方法来进行混响环境下多域声场重放以降低对目标声场采样数量的要求。该文给出基于目标声场等效源稀疏分解多域重放方法(Sparse-ESM)理论推导,通过数值计算以及实验测试两种方式对比所提方法与最小二乘等效源分解方法以及Cov-PM的声场重放性能。数值结果表明,在600 Hz以上的频段,Sparse-ESM方法的重放误差性能提升明显。实验结果也得出了与数值计算相同的结论。同时,还通过数值计算和实验测试两种方法证明了当目标声场声源方向波动时,Sparse-ESM仍然可以保持与其余两类方法相近的声对比度,并且实现较高的亮区重放精度。     

基于FW-H方程的Hartmann哨辐射声场数值研究*

该文基于声类比法,通过求解FW-H方程,对不同喷口与谐振腔位置关系的Hartmann哨的声场分布进行了分析,计算了不同位置关系的Hartmann哨的声指向性。得到了以下结论:喷口与谐振腔位置关系对Hartmann哨的发声基频几乎不产生影响。对称位置关系的Hartmann哨的声场呈对称趋势,且在垂直于喷流方向上达到最大;非对称位置关系的Hartmann哨不再呈现对称趋势。Hartmann哨的最大声压级随着偏离对称位置的距离的增加有小幅增加,最大声压级出现的方向向着谐振腔方向移动。     

基于近场声全息的圆柱壳体内部声场重构效果的影响因素

在Neumann边界条件下基于近场声全息原理(NAH)重构了两端封闭的有限长圆柱壳体内部声场,计算出的结果与基于模态叠加法构建的内部声场进行比较,证明了重构方法的正确性,然后分别讨论了激励频率和全息面选择对NAH重构声场精度的影响以及重构面上不同位置的重构效果。     

Ultrasonic surface acoustic wave-assisted separation of microscale droplets with varying acoustic impedance

In droplet-based microfluidic platforms, precise separation of microscale droplets of different chemical composition is increasingly necessary for high-throughput combinatorial chemistry in drug discovery and screening assays. A variety of droplet sorting methods have been proposed, in which droplets of the same kind are translocated. However, there has been relatively less effort in developing techniques to separate the uniform-sized droplets of different chemical composition. Most of the previous droplet sorting or separation techniques either rely on the droplet size for the separation marker or adopt on-demand application of a force field for the droplet sorting or separation. The existing droplet microfluidic separation techniques based on the in-droplet chemical composition are still in infancy because of the technical difficulties. In this study, we propose an acoustofluidic method to simultaneously separate microscale droplets of the same volume and dissimilar acoustic impedance using ultrasonic surface acoustic wave (SAW)-induced acoustic radiation force (ARF). For extensive investigation on the SAW-induced ARF acting on both cylindrical and spherical droplets, we first performed a set of the droplet sorting experiments under varying conditions of acoustic impedance of the dispersed phase fluid, droplet velocity, and wave amplitude. Moreover, for elucidation of the underlying physics, a new dimensionless number AR_D was introduced, which was defined as the ratio of the ARF to the drag force acting on the droplets. The experimental results were comparatively analyzed by using a ray acoustics approach and found to be in good agreement with the theoretical estimation. Based on the findings, we successfully demonstrated the simultaneous separation of uniform-sized droplets of the different acoustic impedance under continuous application of the acoustic field in a label-free and detection-free manner. Insomuch as on-chip, precise separation of multiple kinds of droplets is critical in many droplet microfluidic applications, the proposed acoustofluidic approach will provide new prospects for microscale droplet separation.     

小阻尼界面房间声传输函数和声脉冲响应函数的有限元素法

有限元法可用于以声波动方程为基础通过数值计算求解室内声场,适用于分析界面阻抗非均匀分布和复杂形状房间内声场的低频特性。本文首先介绍了小阻尼界面条件下室内声场简正方式、声衰变系数、混响时间的ＦＥＭ计算方法。在此基础上导出了房间内两点之间声传输函数和声脉冲响应函数的ＦＥＭ计算模型,并以矩形房间为例详细讨论了有关细节。本文所讨论的计算模型可以映房间内不同的声源点,接收点位置上的声压频谱特性和脉冲响应的时     

单层传声器阵列重建相干声场的近场声全息方法研究

针对传声器阵列两侧存在相干声源的非自由声场重建问题,提出基于球面谐波函数扩展近场声全息理论的相干声场重建方法。该方法在已知测量面两侧声源几何位置时,使用单层传声器阵列获取测量面处的声压分布,通过最小二乘法获得与目标声源和干扰噪声源响应对应的最优球波函数扩展项数和最优系数向量,结合测点位置的空间坐标进行声波分解,并分别重建出各声源在测量面上的声压分布。为了验证方法的有效性,分别给出了相干噪声源为球形声源和非球形声源的仿真验证,并在全消声室内对双扬声器产生的相干声场的重建进行了实验验证。结果表明:该方法对球形声源和非球形声源干扰下的声场重建都具有较好的效果,球形声源干扰下的重建精度更高。     

Effect of acoustic field parameters on arc acoustic binding during ultrasonic wave-assisted arc welding

As a newly developed arc welding method, power ultrasound has been successfully introduced into arc and weld pool during ultrasonic wave-assisted arc welding process. The advanced process for molten metals can be realized by utilizing additional ultrasonic field. Under the action of the acoustic wave, the plasma arc as weld heat source is regulated and its characteristics make an obvious change. Compared with the conventional arc, the ultrasonic wave-assisted arc plasma is bound significantly and becomes brighter. To reveal the dependence of the acoustic binding force on acoustic field parameters, a two-dimensional acoustic field model for ultrasonic wave-assisted arc welding device is established. The influences of the radiator height, the central pore radius, the radiator radius, and curvature radius or depth of concave radiator surface are discussed using the boundary element method. Then the authors analyze the resonant mode by this relationship curve between acoustic radiation power and radiator height. Furthermore, the best acoustic binding ability is obtained by optimizing the geometric parameters of acoustic radiator. In addition, three concave radiator surfaces including spherical cap surface, paraboloid of revolution, and rotating single curved surface are investigated systematically. Finally, both the calculation and experiment suggest that, to obtain the best acoustic binding ability, the ultrasonic wave-assisted arc welding setup should be operated under the first resonant mode using a radiator with a spherical cap surface, a small central pore, a large section radius and an appropriate curvature radius.