《Chaos, Solitons & Fractals》：Recent advances and challenges of manipulation of micro- and nanoparticles by surface acoustic wave in microfluidics
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本文系统综述了表面声波（SAW）在微流控粒子操纵中的最新进展、关键机制、应用领域及未来挑战。SAW通过压电基板激发周期性压力波，利用声辐射力、粘滞阻力和惯性效应精确操控微流体中的颗粒，具有高分辨率、快速响应和低功耗优势。在应用方面，SAW技术已成功用于循环肿瘤细胞分离、病原体快速检测、纳米颗粒合成及水污染物监测。当前研究仍面临操纵精度、通道设计及系统整合等挑战，未来需在机制深化和技术优化上持续探索。
韩文博|傅志航|徐志伟|邹鸿源|岳浩宇|李伟|张洪鹏
大连海事大学海洋工程学院，中国大连116026
摘要
作为一项高效的机械波技术，表面声波（SAW）近年来在微流控系统中的粒子操控领域展现出巨大潜力。本文系统回顾了SAW驱动的微流控粒子操控的最新进展、关键机制、应用领域及未来挑战。SAW通过压电基底激发表面机械波，在微流控通道中形成周期性压力梯度，并利用声辐射力、粘性阻力和惯性效应来控制粒子运动。该技术具有高分辨率、快速响应和低功耗的优势。与传统操控技术（如微孔过滤和电泳操控）相比，SAW技术能够精确分离不同尺寸、形态和密度的粒子。近年来，通过优化声波的频率、振幅和微流控通道设计，SAW操控的效率显著提升。在应用方面，SAW技术已成功应用于循环肿瘤细胞（CTCs）操控、病原体快速检测、纳米粒子合成和水污染物监测等领域。本文通过对SAW粒子操控机制和应用的总结，为微流控技术的高精度、高通量和多功能发展提供了理论和技术参考。
引言
作为一项高效的液体处理技术，微流控技术已广泛应用于生物医学、化学分析和环境监测等多个领域[1]、[2]、[3]。该技术通过精确控制微观尺度下的流体流动，提供了一个高度集成、低功耗和高通量的实验平台，尤其在实验室自动化、细胞操控、病原体检测和微量样品分析方面[4]、[5]、[6]。然而，在微流控系统中进行粒子操控，尤其是高效分离不同类型和大小的粒子，仍面临诸多挑战[7]、[8]、[9]、[10]。传统的操控方法（如微孔过滤、流体动力学分离和电泳操控）通常存在操控效率低、处理速度慢和系统复杂等问题[5]、[11]、[12]、[13]。因此，开发新型高效、低成本且易于集成的粒子操控技术已成为微流控研究的重要课题[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。
表面声波（SAW）作为一种能够在固体表面传播的机械波，具有高空间分辨率和频率控制能力[19]、[20]、[21]。近年来，SAW在微流控系统中的应用受到广泛关注，尤其是在粒子操控领域，显示出其独特优势[22]、[23]、[24]、[25]。SAW通过在介质表面激发周期性压力波来对微小粒子施加机械作用，从而控制粒子的运动、聚集或分离[26]、[27]。这一特性使得SAW成为高效粒子操控的理想工具[28]。与传统操控技术相比，基于SAW的粒子操控具有更高分辨率、快速响应和低功耗的优势[29]、[30]。此外，SAW操控技术能够精确分离不同尺寸、形态和密度的粒子，在细胞操控、纳米粒子分析、病理研究等领域具有巨大应用潜力[31]、[32]、[33]。Faridi等人提出了一种微气泡激活的声学细胞操控（BAACS）方法[34]，他们将抗体功能化的微气泡与目标细胞结合，利用微气泡作为强负声学对比粒子，驱动目标细胞迁移到超声驻波的压力反节点，实现了高效连续的操控。该方法对结肠癌细胞的分离效率超过75%，所有微气泡-细胞复合物均定向迁移到反节点。Liu等人开发了一种结合声辐射力和液压压力的微流控芯片[14]，他们利用倾斜的驻波声场控制粒子的横向位移距离，并结合多级液压分流设计实现聚苯乙烯粒子的三阶段连续分离。Maramizonouz等人通过数值模拟和实验研究了表面声波引起的声流效应对微通道中粒子/液滴的操控机制[35]，比较了全声场模型和简化近似模型的准确性和效率，全声场模型能更准确预测粒子动态行为，而低精度模型在计算成本上具有优势但仍保持合理精度。Undvall等人研究了高流速下惯性力对微流控声波操控效率的影响，发现了“溢出效应”——当流速超过临界值时粒子轨迹偏差会导致操控失败[36]。通过实验观察和三维有限元建模发现，界面变形而非壁面升力是粒子溢出的主要原因，并建立了临界流速和分离比的预测模型。该研究为临床级高通量细胞操控芯片的设计提供了关键参数优化依据，证明传统声学流控技术在接近临界条件下的操控效率会下降。尽管基于SAW的粒子操控技术已取得初步研究进展，但仍面临操控精度、通道设计和设备集成及商业化应用等亟待解决的问题[37]、[38]、[39]、[40]、[41]。因此，深入研究表面声波驱动的粒子操控机制及相关技术解决方案的优化是当前研究的重要方向。
本文旨在综述微流控系统中表面声波粒子操控的最新进展，探讨其原理、技术应用、实验研究及未来发展趋势，为相关领域的研究人员提供参考和启发（见图1）。通过这篇综述，我们深入分析了SAW在微流控粒子操控中的工作原理，探讨了其在不同应用中的实际效果，并总结了当前挑战和未来研究方向，为实现更精确、高效和多功能的粒子操控技术提供理论基础和技术支持。
SAW的基本原理
SAW是一种沿固体表面传播的机械波[42]，具有显著的空间限制和高频特性，广泛应用于传感、信号处理、液体操控等领域[43]。SAW的传播依赖于固体介质的弹性特性[44]，通过激发表面及近表面区域的局部变形，声能以波的形式传播到接近表面的流体或固体介质中。
SAW驱动的微流控系统原理
在SAW驱动的微流控系统中，微流控通道和压电材料表面共同作用，形成液体操控、粒子操控和分析的平台[63]。压电材料（如石英、锆钛酸盐等）在表面施加交流信号时，会激发表面声波的产生[64]。声波在压电基底表面传播并与
表面声波驱动的粒子操控机制
基于SAW的粒子操控机制依赖于SAW波对微流控系统中粒子的机械作用，通过诱导粒子的运动、聚集或分离来实现高效操控。SAW的驱动效应主要来源于其产生的周期性压力波以及随之产生的机械现象，包括流体振荡、声压梯度以及粒子在这些力场下的响应。细胞分析与操控
SAW驱动的粒子操控技术可根据细胞的物理特性（如大小、形状、密度等）[143]进行精确分类[143]。细胞在微流控通道中受到SAW的机械作用，沿压力场定向移动[144]。不同类型的细胞对SAW的反应各不相同[145]，通过调整声波的频率和振幅，可以准确分离目标细胞。例如，在癌症技术整合与系统发展
随着微流控技术的日益成熟，SAW粒子操控系统在集成性、便携性和低成本方面将取得重要进展。技术整合与系统发展使SAW粒子操控技术更加灵活多样，能满足不同应用的需求。未来的SAW技术将趋向高度集成，整合更多功能模块，如粒子操控、流体操控、传感等
结论
SAW驱动的粒子操控技术作为微流控领域的一项重要创新，近年来受到了广泛关注和研究[1]。通过将SAW的机械效应与微流控系统相结合，SAW粒子操控技术提供了一种高效、精确且非接触式的粒子操控方法，展现出巨大应用潜力。本文总结了现有研究成果，并展望了其未来发展趋势作者贡献声明
韩文博：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、资源获取、方法论设计、调查、数据分析、概念化。傅志航：资源获取、方法论设计、调查。徐志伟：可视化、验证、数据分析。邹鸿源：资源获取、方法论设计。岳浩宇：方法论设计、调查。李伟：项目监督、项目管理、资金争取。张洪鹏：撰写 – 审稿与编辑、项目监督
出版同意
不适用。伦理审批
不适用。资助
国家重点研发计划（2024YFB3213100、2022YFB4301400）、
国家自然科学基金（项目编号52271303、52301361）、
中央高校基本科研业务费（项目编号3132023522）、
中国博士后科学基金（项目编号2023M730454）、
大连市科技创新基金（项目编号2022JJ11CG010）、
先进设备应用创新项目（62602010210）、
国家重点开放基金利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：张洪鹏的报告得到了国家自然科学基金（项目编号52301361、52271303）、中央高校基本科研业务费（项目编号3132023522）、中国博士后科学基金（项目编号2023M730454）、大连市科技创新基金（项目编号2022JJ11CG010）的资助致谢
本工作得到了
国家重点研发计划（2024YFB3213100、2022YFB4301400）、
国家自然科学基金（项目编号52271303、52301361）、
中央高校基本科研业务费（项目编号3132023522）、
中国博士后科学基金（项目编号2023M730454）、
大连市科技创新基金（项目编号2022JJ11CG010）、
先进设备应用创新项目（62602010210）的资助
