声学镊子：用声波“转移”细微粒子

来源：米乐m6网页    发布时间：2024-09-07 13:21:27

  关于那些肉眼看得见却用手抓不住的细微物体，一般镊子是一种很好的辅助东西。如果是那些看不见摸不着的物体，如细胞或分子级巨细的颗粒，一般镊子就力不从心了。跟着生物技能、新资料技能等高新技能的开展，对细胞、分子级或纳米级细微物体的移动和操控，就成为摆在科学家面前的一道难题，呼喊打破传统认知的新东西，创造出能夹取细微物体的新镊子。

  需求激起立异。1986年，物理学家阿斯金开端研讨奇特的光学镊子技能：他使用光辐射压原理，用激光来移动操作原子、分子和生物细胞，并将技能推广到生物学范畴，有用促进了相关科技的开展。32年后，阿斯金的“光学镊子及其在生物体系的使用”，获得2018年诺贝尔物理学奖。

  但因为受根底原理的约束，光学镊子的使用仍存在许多局限性。因为光学镊子以激光为动力源，其体系自身的标准不可能太小，又因为激光穿透性有限，光学镊子只能使用于通明介质。再者，激光源强度较大，运用时会对布景介质或细胞微粒发生损害。

  只需想不到，没有做不到。一种用声响来移动和操控细胞或细微颗粒的技能真的发生了。这便是声学镊子。

  从理论开展的进程来看，提出声学镊子的概念，最早可追溯到1991年。在阿斯金提出光学镊子概念5年后，佛蒙特大学的吴君汝教授受其启示，在试验中使用两束聚集声波发生的驻波场，完结了对270微米直径的乳胶粒子和一团青蛙卵的捕获及移动，初次证明了声学镊子的可行性。尔后，科研人员分别从原理、设备及使用等多方面，对声学镊子技能进行了拓宽和推进，使其向着操控精度更高、体系更老练、实用性更强等方向开展。

  与光学镊子不同，声学镊子是使用声辐射力原理来捕获和操控细微粒子的一种前沿技能。声波的能量虽小，可是其单位输入下的辐射力可达激光的10万倍。此外，声波是一种弹性波，可在包含流体、固体等任何介质内传达，不受介质通明性、电磁特性等影响。其能量和作业频率与医学范畴的超声成像体系参数适当，可完结对单个细胞或纳米颗粒的操控，并保证生物体和方针粒子的安全。

  驻波型声学镊子，是经过多束声波彼此叠加，在声场中发生强弱散布的驻波场，压力最大的一系列点称为波腹，压力为零的点则称为波节。只需声源特性不变，波腹和波节的方位就不会改动。这样，当一个细微颗粒或单个细胞落入这样的声场中，在声学辐射力的效果下，就将被“推”到波腹或波节方位，并“确定”在那里，被“镊子”牢牢夹住。然后，经过声源调理来改动波腹和波节的散布，然后将其移动到想要的方位。它还可经过粒子特性与声源之间的彼此关系，改动声场特性，操控一个区域内细微粒子或单个细胞的挑选和分类。

  行波型声学镊子，是经过不同声场发生方法构成安稳的压力波节，然后捕获和操控方针粒子或单个细胞；而声流型声学镊子，则是使用微气泡或微结构的振动，在声场中发生较强的声辐射力，以此来完结对其间的细胞、微粒和微安排的操控。

  声学镊子操控的微粒，最小的标准可到1微米左右。从维度来看，既可完结一维和二维空间粒子的排列组合，也能完结粒子在三维空间的移动改换。现在的科学试验，已完结对塑料微球颗粒、牛血细胞等细微颗粒的操控，乃至能对毫米标准的线虫生物体进行捕获、移动和拉伸等操控。

  从原理上讲，因为声波波长标准跨度很大，在必定条件下，声学镊子可完结对超越厘米级粒子的大标准粒子及其结构的捕获和操控。它不但可操控细微粒子，还可对流体介质发生必定的影响，对构成特定的流场环境有很大的价值。

  作为一种新式前沿技能，声学镊子现在尚处于理论研讨阶段，一些技能难点有待打破。但正因其具有的奇特功用和研发潜力，让科学家们信心十足。尤其是国际科学技能强国，在这方面投入了很多人力、物力进行研讨，其相关试验已获得重要开展。

  在生物医学范畴，声学镊子对生物安排和方针粒子具有十分杰出的安全性和操控性，它可将药物分子定向运输到病变部位，又不会对其他生物安排器官形成影响和损害，以此来完结精准快速的医治。声学镊子还可经过不同声波场的叠加，对不同细胞群进行别离、挑选和分类，完结对单个细胞特性和成长进程的调查操控。因而它在医治肿瘤等严重疾病方面具有先天优势，或对促进相关严重医学研讨和前进人类健康水平带来革命性打破。

  在新资料范畴，声学镊子可经过对单个粒子运动状况的准确操控，科学合理调配资料分子组成，如3D打印般制作出各种高精度的新式分子结构，并能完结对结构特性的彻底自主操控，然后研发出人们所需求的高功能纳米资料和智能资料，促进新资料技能和人工智能技能的前进。

  未来，跟着声学超构资料技能等前沿技能的开展，声学镊子技能将完结严重打破，必将促进军事技能开展，对新军事革新发生严重影响。

  ——声学镊子可用来完结分子级高精度微型结构的加工制作，为微型无人机、迷你机器人、发动机高精度部件等高精尖武器装备和核心部件的研发，拓荒新途径、供给新手法。

  ——使用声学镊子对粒子运动状况的准确操控和“如你所愿”的合理调配，研发功能更好、抗腐蚀性更强的新式军用涂料，前进战机、舰艇等武器装备的隐身功能和防腐蚀才能。

  ——声学镊子对生物细胞和药物分子杰出的安全操控性，将会促进战场快速医疗等技能的开展。

  ——声学镊子可经过对海洋战场环境的搅扰和再造，完结对敌方方针运动轨道的搅扰和操控，在未来海上作战使用中堪当大任。

  专家小传：高东宝，国防科技大学气候海洋学院讲师，理学博士，主讲《声学根底》《声学试验技能》等研讨生根底课程，掌管和参加国家自然科学基金、国家高技能开展研讨相关项目10余项，宣布论文20余篇。