聲表面波(Surface acoustic waves,SAWs)是沿物體表面?zhèn)鞑サ膹椥圆?,由英國物理學(xué)家Rayleigh于1885年在研究地震波的過程中首次發(fā)現(xiàn)?;诼暠砻娌ǖ?a href="http://www.nxhydt.com/v/tag/117/" target="_blank">傳感器的電極結(jié)構(gòu)通常由一對方向相反的叉指換能器(Interdigital transducers,IDTs)組成,其中一個作為輸入IDT,另一個作為輸出IDT。
由于聲表面波的傳播速度高度依賴于表面溫度、粘度和質(zhì)量載荷的變化,因此基于聲表面波的傳感器是液體環(huán)境中生物傳感的絕佳選擇。與微流控技術(shù)相結(jié)合時,聲表面波不僅可以控制液體(如混合、噴射、平移和霧化等),還可以操縱從納米到毫米尺度的顆粒,同時具有無接觸的優(yōu)點,可有效避免樣品污染的風(fēng)險。
基于上述優(yōu)點,聲表面波器件已廣泛應(yīng)用于生物檢測領(lǐng)域,包括作為樣品預(yù)處理過程的驅(qū)動器,以及用于各種生物靶標(biāo)的定性或定量檢測的生物傳感器,如圖1所示。
圖1 基于聲表面波的微流控器件在生物學(xué)中的應(yīng)用
近日,西安交通大學(xué)韋學(xué)勇教授團(tuán)隊根據(jù)聲表面波振動模式和邊界條件的不同,對聲表面波微流控器件進(jìn)行了分類總結(jié),并對基于表面聲波的微流控器件在生物學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)綜述,該綜述以“Surface acoustic wave based microfluidic devices for biological applications”為題,發(fā)表在英國皇家化學(xué)會期刊Sensors & Diagnostics上。
文章首先介紹了聲表面波的基礎(chǔ)知識,包括其理論基礎(chǔ)和物理原理。隨后文章詳細(xì)總結(jié)和討論了不同類別聲表面波器件的主要設(shè)置、關(guān)鍵特征、優(yōu)勢和應(yīng)用挑戰(zhàn),包括瑞利波(Rayleigh SAW)、剪切波(Shear-horizontal SAW,SH-SAW)、Love波(Love mode wave SAW,LW-SAW)和蘭姆波(Lamb waves)等。
基于瑞利波的聲表面波分離技術(shù)具有良好的生物相容性、無創(chuàng)性和較高的分選效率等優(yōu)點,已成為一種非常有前途的樣品預(yù)處理方法。在IDTs區(qū)域之間具有導(dǎo)波層的SH-SAW器件或LW-SAW器件可以將聲波能量限制在壓電表面,對表面修飾具有較高的敏感性,是最常用的液體生物傳感應(yīng)用平臺,與傳統(tǒng)生物檢測方法相比,具有反應(yīng)速度快、體積小、靈敏度高等優(yōu)點。而基于薄膜結(jié)構(gòu)的柔性蘭姆波器件也被開發(fā)用于液體微流控和生物傳感,由于其低成本、可回收及無線監(jiān)測等優(yōu)點在可穿戴設(shè)備方面有巨大應(yīng)用潛力。
圖2 基于瑞利波的聲表面波分離技術(shù)應(yīng)用于樣品預(yù)處理中的生物顆粒分離
圖3 基于Love波的液體生物傳感平臺應(yīng)用于生物分子檢測
綜上所述,基于聲表面波的微流控器件具有實時、無創(chuàng)、反應(yīng)快速、高靈敏、免標(biāo)記等優(yōu)勢,有望發(fā)展為可用于快速疾病診斷以及醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的集成設(shè)備。
團(tuán)隊介紹
西安交通大學(xué)先進(jìn)傳感團(tuán)隊(Advanced Sensing Group),依托機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室和教育部微納制造與測試技術(shù)國際合作聯(lián)合實驗室開展研究工作,致力于微機電系統(tǒng)與納米技術(shù)、微流控技術(shù)與生物傳感等先進(jìn)前沿領(lǐng)域研究。在國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、陜西省重點研發(fā)專項等項目的資助下,搭建了硅微諧振器高真空測試系統(tǒng)、原位力學(xué)測試系統(tǒng)、精密光學(xué)測試系統(tǒng)、微流控與生物傳感測試系統(tǒng)等實驗平臺,在微納動力學(xué)基礎(chǔ)研究、高精度MEMS傳感器、微流控與生物傳感等方面開展了深入的研究。研究團(tuán)隊在ACS Nano、ACS Applied Materials & Interfaces、Applied Physics Letters、Microsystems & Nanoengineering.、Lab on a Chip、Mechanical Systems and Signal Processing等高水平期刊上發(fā)表論文300余篇,獲授權(quán)發(fā)明專利 100 余項,研究成果在國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)生了廣泛的影響。
論文信息
https://doi.org/10.1039/D2SD00203E
審核編輯 :李倩
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原文標(biāo)題:論文信息
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