一种新型的高通量声流微粒分离芯片，集成了微全息技术和蛇形通道技术

《Sensors and Actuators B: Chemical》：A Novel High-throughput Acoustofluidic Microparticle Separation Chip with Integrated Micro-holography and Serpentine Channels

本研究提出一种结合声全息与蛇形微流道的声流控分离芯片，通过优化声场分布实现高通量微颗粒分离。实验验证了该芯片在生物样本（红血球与E. coli分离效率≥90%）和环境样本（微塑料去除效率达90%以上）中的有效性，分离通量分别达到4、13、18、40 μL/min。创新性地开发了基于遗传算法-反向传播神经网络的预测模型，可关联声流场参数与分离效率，为芯片优化提供理论指导。

　　

李璐明|周明勇|黄磊|沈凌瀚|蒋炳彦

中南大学机械与电气工程学院，中国长沙410083

摘要

声流控技术作为一种高效分离微粒（包括细胞和非常小的微塑料）的技术已经崭露头角，其优势在于非接触式操作和精确控制。声流控芯片在生物医学分析、环境监测及相关领域展现出巨大潜力。然而，现有的声流控分离芯片在设备集成、声能利用和分离通量方面仍存在局限性。本文介绍了一种结合声全息技术和蛇形微通道的声流控芯片，实现了生物和化学样品中的高通量粒子分离。利用声全息技术的灵活性，芯片内的声场高度均匀，并在紧凑的设计中实现了延长的有效分离长度，从而显著提高了分离通量。为了提高分离芯片的通用性，建立了一个基于神经网络的预测模型，该模型结合了样品特性和声流场参数来估计不同生物和化学样品中微粒的分离通量。通过实验验证，该芯片能够从大肠杆菌中分离红细胞（分离通量为4 μL/min），并从样品中去除7 μm的聚乙烯（PE）、7 μm的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和10 μm的聚苯乙烯（PS）微塑料，分离通量分别为13 μL/min、18 μL/min和40 μL/min，所有效率均达到90%或以上。这些结果证明了该芯片的稳健性及其作为高通量声流控分离平台的潜力。

引言

微粒（如细胞和非常小的微塑料）的精确和高通量分离对于生物医学和环境应用至关重要[1]、[2]，是推动生命科学进展和应对污染挑战的关键[3]、[4]。然而，传统的离心和过滤方法通常复杂、不准确且成本高昂，限制了它们的实际应用[5]、[6]。微流控技术因其简单性、灵活性和可集成性而提供了高效的微粒分离解决方案[7]、[8]、[9]。已经开发了许多被动和主动的微流控策略来实现不同微粒的高性能分离[10]、[11]。其中，声流控技术通过利用流动中的声辐射力与粒子大小的差异来分离粒子[12]、[13]。与金标准流式细胞术相比，声流控分离无需标记且非接触式，确保了样品的完整性。其坚固的封闭式微流控设计简化了操作，并且在处理复杂样品（如环境混合物）时表现出独特的多功能性，因为它适用于各种粒子形状和样品特性[14]。它已成功应用于细胞、细胞外囊泡和非常小的微塑料，取得了优异的性能[15]、[16]、[17]。然而，芯片设计和声场调制的局限性导致通量较低，这是主动微流控平台普遍面临的挑战，阻碍了其在临床和实际应用中的使用。

为了实现高通量声流控操作，增加换能器信号功率是一种常见方法，但这可能导致热效应和非线性能量损失[18]。因此，当前的研究重点是在较低功率下实现更高的声能密度，或延长粒子在声场中的停留时间[16]、[19]、[20]。先进的换能器设计，包括椭圆形反射聚焦结构和玻璃反射器表面位移换能器[21]，有效提高了微塑料富集的能量密度。尽管这些设计功能强大，但其声场本质上受到固定通道几何形状和工作频率的限制[16]、[22]，使其适用于特定尺寸范围内的粒子。同样，图案化换能器提供了出色的场特异性，这适用于需要定制声场轮廓的应用[21]、[23]。为了延长声场相互作用时间，可以采取创建低速边界层[24]或采用蛇形通道设计[25]、[26]等策略，有效延长声场暴露路径。例如，蛇形通道实现了2.6 μL/min的高通量红细胞分离[26]。尽管取得了这些进展，但将这些设计与表面声波集成仍存在问题，包括严格的波长匹配要求和不均匀的声场分布，这对制造精度要求很高，并限制了其在粒子分离中的广泛应用。

声全息技术作为一种优化的策略，用于高通量声流控分离[27]、[28]、[29]、[30]，通过调整声全息图上的微结构来调制入射声波并生成定制的声场分布[31]。这种方法使得在腔室内的液体环境中对微粒进行多样化图案化成为可能[31]、[32]、[33]。随着制造技术的进步，声全息技术已被集成到微流控系统中，用于微腔室和微通道中的精确声场调制[34]、[35]、[36]。然而，目前的基于声全息技术的微流控设备主要用于在静止流体中调制具有特定模式的声场，最终实现如聚苯乙烯微球或细胞等粒子的有序排列，这属于不连续的操作。我们之前的工作[37]将其扩展到了基于流动的微流控系统中，用于分离微粒。然而，在这种连续流动应用中，实际通量（例如7 μm聚苯乙烯微球的通量约为5 μL/min）仍受常见设计参数（如通道长度通常为5–15 mm和换能器尺寸）的影响，表明还有进一步提升性能的明显途径。

在这项工作中，利用了声全息技术的优势，并将其与蛇形通道中的流体操控相结合，提出了一种用于高通量分离微粒的全息声流控分离芯片。通过精确设计声全息图上的微结构，在每个通道中单独生成相对于通道方向的倾斜驻波声场。这种方法有效缓解了多通道波传播引起的声能损失和场不均匀性问题。通过模拟和实验系统验证了基于蛇形通道的全息声流控分离芯片（HAS-SC芯片）在高通量粒子分离方面的可行性。为了提高HAS-SC芯片的适用性，利用模拟和实验数据建立了一个综合数据库，整合了粒子特性、声流场参数和可实现分离通量之间的关系。基于此数据库，采用GA-BP神经网络算法构建了一个预测模型，将声场和流场参数与不同粒子的分离通量相关联。随后将该模型应用于实际生物和化学样品中的微尺度粒子分离。

HAS-SC芯片的设计

在声流控分离中，粒子轨迹受声辐射力（F_rad）和流体阻力（F_d）的控制。在当前的声流控分离系统中，F_d决定了流体的传输速度，而F_rad决定了粒子的侧向迁移速率。对于性质相似的粒子，这些力与粒子直径d成比例，其中k和m分别为常数[37]、[38]。

蛇形微通道中的声场和流场

声场和流场的分布对粒子轨迹和分离效率至关重要。为了评估HAS-SC芯片的高通量可行性，分析了其蛇形通道内的场分布。使用多物理场模型分析了声压节点的均匀性和间距。如图2所示，分析中使用了一个包含五个直线段和四个半弧形通道的四通道芯片。

结论

为克服声流控芯片在集成、声能利用和通量方面的局限性，提出了一种结合声全息技术和蛇形微流控通道的声流控芯片（HAS-SC芯片），用于生物和化学样品中的高通量粒子分离。通过在每个通道中单独生成倾斜的驻波场，在紧凑区域内实现了较长的有效分离长度。声场表现出优异的均匀性。

CRediT作者贡献声明

李璐明：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件开发、资金获取、数据整理、概念构思。周明勇：撰写——审稿与编辑、验证、项目管理、资金获取、概念构思。沈凌瀚：可视化、软件开发、实验研究。蒋炳彦：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取。黄磊：可视化、软件开发、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中南大学基本研究基金（编号：1053320222611）、中南大学精密制造与极端服务性能国家重点实验室项目（编号：ZZYJKT2024-15）、长沙市自然科学基金（编号：kq2402212）以及国家自然科学基金（关键国际（区域）联合研究计划（编号：51920105008）的支持。

作者声明

作者声明

李璐明于2021年获得中南大学学士学位，目前是中南大学机械与电气工程学院的博士生。他的研究兴趣包括声流控芯片的设计及其在微粒操控和分离中的应用。