[发明专利]声波驱动微粒旋转装置

说明书

本发明公开一种声波驱动微粒旋转装置，其包括基片和声波发生器；其中，基片的正面上开设有呈阿基米德螺旋状的沟槽，声波发生器位于基片的背面，且声波发生器对准沟槽；在力矩的作用下，微粒会在声波场中心的相位奇点上以较高的频率自转，无需使用机械接触力来驱动微粒旋转，避免了对微粒或细胞造成伤害；同时，由于本发明的结构简单、成本低，易于广泛使用和推广。

技术领域

本发明涉及一种声波驱动微粒旋转装置。

背景技术

微操控技术由于其可精确地对微粒进行捕获、移动，因此在众多领域诸如物理学，化学，生物学以及药理学中都有着极其重要的应用。微操控技术操纵微粒方法目前主要分为两大类，其中一类方法是利用机械方法施加接触力于目标物体，机械接触力会对微粒或细胞造成伤害；另一类方法是利用如磁镊、光镊等技术，对于光镊、磁镊和电学方法而言，操纵方式都强烈地依赖于被操纵微粒的光学、磁学或电学性质，光镊、磁镊和电学方法存在着局限性，而在已公开的声学方法中，并没有既不需要对被旋转物体的额外的支撑手段又能够对较小尺度的细胞或微粒进行稳定旋转的方法。可见亟需一种既不对微粒或细胞造成伤害，又具有能广泛使用的驱动微粒旋转装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种声波驱动微粒旋转装置，解决上述现有技术问题中的一个或多个。

根据本发明的一个方面，提供了一种声波驱动微粒旋转装置，其包括基片和声波发生器；其中，基片的正面上开设有呈阿基米德螺旋状的沟槽，声波发生器位于基片的背面，且声波发生器对准沟槽。

这样，声波发生器朝基片发生声波，声波在通过呈阿基米德螺旋状的沟槽后，声波被整形为一阶贝塞尔涡旋场；该整形效果的验证分析过程：在探讨该基片的声波场整形效果时，可将沟槽结构视为近场声束整形的次级源。整体的声波场相当于沟槽的各匝结构作为次级源产生声场的叠加。现给出原点附近区域(R,θ)内声场强度的公式：

在极坐标下，参数R(观测点与沟槽中心原点的距离)和参数θ(观测点的角度)被用来标定被观测点，在此公式中，A₀是一个常数，r是将沟槽微分为一个个次级源时，各个次级源和结构中原点之间的距离。和是R方向和r方向的单位向量，k_r和k_z分别是r方向上(径向)和z方向上的波数，在径向上，沟槽结构重复的周期是g，所以现将沟槽的公式代入其中，现在我们仅讨论结构逆时针旋转的情况，所以正负号取正。沿着沟槽对该式积分可得：

很容易看出沟槽中心原点周围的声波场的波形符合一阶贝塞尔束的形式。其声波场确为同心圆状，并在沟槽中心原点的极小值点上沿方位角有着2π的相位变化。透射的声波场的横截面呈现一环一环的同心圆结构，并且声波场正中心的声压力值为零。在基片的整形下，目标平面的声波场强度有着明显的强弱分布，声波场呈同心圆环，而在声波场的中心(即沟槽中心原点)则有着一个场强明显较弱的区域。在具体应用时，将例如细胞等微粒放入到沟槽中间位置。对于声吸收系数较大的微粒(例如细胞)来说，其在声辐射力的作用下会被束缚在声场较弱的位置，所以当微粒在圆心周围时便会被声波场压倒场强较弱的区域去，而这一区域正好在声波场的中心(即沟槽中心原点)，且有着2π的相位变化。对于具有声吸收系数的物体来说，这样的相位变化也就意味着物体会感受到力矩的作用。在力矩的作用下，微粒会在声波场中心的相位奇点上以较高的频率自转。而相位奇点周围的强环在这时也能够提供束缚的效果，为微粒的高频稳定自转提供了条件。这样，无需使用机械接触力来驱动微粒旋转，避免了对微粒或细胞造成伤害；同时，由于本发明的结构简单、成本低，易于广泛使用和推广。

在一些实施方式中，基片为硅片。

这样，由于硅具有化学性能稳定和不易变形的特点，从而使得基片具有更稳定状态，不易发生变形。

在一些实施方式中，还包括照明系统和成像观察系统，其中，照明系统设置成用于照射沟槽的中心，成像观察系统设置成对准沟槽的中心。