聲鑷利用梯度聲場產(chǎn)生的超聲輻射力實現(xiàn)對微小顆粒的捕獲、排列和搬運，因其具有非接觸、無創(chuàng)、無損等特點，成為聲學領域研究熱點方向之一。然而，相較于2018年獲得諾貝爾物理學獎的光鑷技術，超聲的聲波波長較長，衍射效應明顯，導致聲鑷難以實現(xiàn)對微納米生物顆粒的精確操控。如何突破聲學衍射極限以產(chǎn)生亞波長乃至超深亞波長聲束，已成為推動聲操控技術向超微生物尺度拓展的關鍵。
近日，中國科學院深圳先進技術研究院醫(yī)學成像科學與技術系統(tǒng)全國重點實驗室鄭海榮院士、孟龍研究員團隊聯(lián)合美國弗吉尼亞理工大學田振華教授團隊在超深亞波長聲束構建方面取得突破。研究團隊提出了激發(fā)微泡共振產(chǎn)生超深亞波長聲束的方法，成功突破了傳統(tǒng)聲學的衍射極限，實現(xiàn)了對聲場的精細調控。并且利用大規(guī)模共振氣泡陣列，實現(xiàn)了全血樣本中高純度外泌體及其亞群的原位快速分離，為液體活檢和精準醫(yī)療領域提供了新手段。研究成果以“Oscillating Microbubble Array-based Metamaterials (OMAMs) for Rapid Isolation of High-Purity Exosomes”為題發(fā)表在期刊Science Advances，并被選為當期的封面文章。
研究團隊在聚二甲基硅氧烷（PDMS）上設計直徑為40 μm的微腔結構，并利用液體表面張力的作用，在微腔處產(chǎn)生了穩(wěn)定的氣泡。這種無外殼束縛的氣泡在165 kHz共振頻率（波長：~9 mm）激發(fā)下，產(chǎn)生明顯的非線性振動，成功產(chǎn)生了寬度僅為1/186波長的超深亞波長聲束，比聲波波長小2個數(shù)量級。當氣泡直徑為20微米時，聲束寬度達到24微米。而且，當大規(guī)模共振氣泡排布成不同的圖案時，可實現(xiàn)圖案化聲場的構建。例如，1.2萬個共振氣泡就能精確“描繪”出熊貓圖案的聲場分布。此外，通過改變氣泡的大小并精準控制其在不同空間位置的共振狀態(tài)，還能實現(xiàn)對聲場的動態(tài)調控。比如，組成圖案b的氣泡直徑為100 μm，q圖形中的氣泡粒徑為40 μm。當利用68 kHz超聲激勵氣泡時，可構建“b”圖案的聲場；當同時施加68 kHz和165 kHz激勵時，可產(chǎn)生“bq”復合圖案的聲場。
通過微納加工工藝，結合表面疏水處理，成功制備了4.6萬個直徑為40 μm的微腔陣列，大幅提高了氣泡粒徑的一致性，氣泡粒徑偏差控制在1 μm以內。通過精確調控微腔間距至160 μm，避免了氣泡振動時的能量耦合，每個微腔形成的氣泡可視為獨立的、能量局域的“點聲源”，從而實現(xiàn)了大規(guī)模氣泡的非線性共振。在操控顆粒方面，揭示了顆粒在氣泡共振場中的動力學機制：對于40 μm的氣泡，當顆粒直徑超過18 μm時，氣泡振動產(chǎn)生的二階聲輻射力主導顆粒動力學行為，可將其穩(wěn)定捕獲于氣泡表面；當顆粒直徑小于18 μm時，聲微流（microstreaming）產(chǎn)生的拽力起到了主導作用，驅動顆粒沿渦旋軌跡繞氣泡運動。該方法拓展了超聲操控的跨尺度能力，成功將超聲操控的下限拓展至65 nm，實現(xiàn)了對未經(jīng)稀釋全血中納米級外泌體的高通量、高純度分選。與傳統(tǒng)的分選方法相比，該系統(tǒng)的分選外泌體時間從16小時縮短至3分鐘，同時純度達到93%。并且，分離后的外泌體保持了結構完整性和生物功能，保證了外泌體的生物應用。
中國科學院深圳先進技術研究院孟龍研究員、牛麗麗研究員、美國弗吉尼亞理工大學田振華教授為論文共同通訊作者，中國科學院深圳先進技術研究院博士生李昕珈為論文第一作者。該研究成果得到國家自然科學基金、中國科學院先導B專項、廣東省自然科學基金等項目的資助。
圖1：文章封面
圖2：(A)單個氣泡共振聲場，(B)聲束寬度可以達到驅動頻率的λ/186；(C)利用氣泡實現(xiàn)圖案化聲場構建;(D) 聲場動態(tài)調控
圖3：(A)大規(guī)模氣泡共振捕獲20 μm顆粒；(B)分離出來的外泌體的形態(tài)結構；(C)實現(xiàn)外泌體亞類分離
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