多场耦合作用下液滴的超声驻波悬浮及运动机理研究

As the basic unit of life, cells reveal the rules of life activity, clarify the pathology and treatment theory. However, cell liquid is not only to be easily absorbed on the container’s well, but also to chemically react. And transmission and monitoring block the analysis of cells as well. Therefore, it is essential to develop a device with characteristics such as good biocompatibility, high monitoring precision, and easy manipulation in the fields of chemistry, biology and medicine. Acoustic levitation technique offers a solution to levitate and transmit a liquid particle. It avoids the pollution caused by the vessel and the monitoring interference from vessel wall, performs multi-dimensional and non-contact monitoring. It is noted that the acoustic field, temperature field caused by an acoustic field, and gravity field have coupling relationship. Secondly, the project aims at studying the reaction law of the coupling effect on the levitated liquid particle, accordingly establishing the force model on the liquid particles. The modulation parameters of an acoustic field have been optimized and accordingly the method of acoustic levitation transmission will be proposed. The levitation transmission system with acoustic force feedback will be set up. The device could achieve liquid particle’s levitation, dimensional propelling, transmission, precisely location and multi-dimensional monitoring. And this method without a container promotes the development of the high quality material manufacture, of Powder metallurgy, and of the pharmacy, due to the fact that these processing have a common on manipulating the liquid particles.

单细胞作为生命活动的基本单位，揭示了生命活动规律, 阐明了病理和治疗机制，然而，单细胞微体（<1µL）易受容器壁吸附，与容器发生反应，定向迁移和监测困难，因此，研制生物相容性好、监测精度高、易于操控微体的系统，成为分析化学、生物学和医学领域亟待解决的问题。超声驻波悬浮可实现微体的非接触悬浮与传输，消除器壁污染、避免器壁光学效应对检测信号的干扰、实现多方位监测，成为单细胞生化行为研究的有效方法。伴随驻波声场的形成，谐振腔内形成了温度场，且声场、温度场、重力场存在耦合关系。本项目探索其耦合效应对被悬浮液体颗粒的作用规律，建立其力学模型；优化声场主动调制参数，建立液滴声悬浮传输方法；构建具有声辐射力反馈的悬浮传输装置，实现液滴稳定悬浮、定向驱动、匀速传输、精确定位及全方位监测。此外，该研究提供的无容器处理方法，为高性能材料制备、粉末冶炼、制药等过程中的液体颗粒操作这一共同环节提供了强大的实验手段

单细胞作为生命活动的基本单位，揭示了生命活动规律, 阐明了病理和治疗机制，因此，建立生物相容性好、监测精度高、易于操控的单细胞分析系统成为目前亟待解决的问题。超声驻波悬浮技术的无容器和生物相容性的特征为细胞水平的生化分析研究提供了强大的实验手段。.本研究建立了多耦合场中的力学模型，探讨声场主动调制参数与声悬浮液滴受迫谐振动状态的映射关系。确定声场主动调制参数。结合实验修正系数，构建适合生物（全过程声能量最小）、液滴稳定悬浮（全过程声能量恒定）、定向驱动、匀速传输、精确定位的方法。并完善了利用激光测振仪测量谐振腔内静态声场及声场重建的方法，通过该测量方法研究谐振腔内非线性现象的部分性质，并研究了辐射面振幅、谐振腔结构等参数对跳跃与回滞现象以及谐振产生现象的影响，验证了多耦合场的力学模型。.针对目前对于超声悬浮的生物安全性方面的评价还不够全面的问题，本课题利用超声驻波悬浮声场模拟微重力、无容器、非接触的空间环境。以斑马鱼为模式动物，在超声驻波悬浮声场中培养，斑马鱼早期胚胎各发育阶段的生物安全性进行了评价，选取死亡率，畸形率，孵化率，自主运动和心率等发育过程中重要指标，从而评价生物的空间安全性。研究发现，斑马鱼胚胎在胚胎发育早期：卵裂期，囊胚期，原肠期之前（0-8hpf）受超声驻波影响较大，经超声悬浮处理后出现一定的致畸和致死效应，孵化率显著性降低。同时，自主运动，心率出现显著性上升。但是，当胚胎发育至咽囊期之后（24-32hpf），超声悬浮对斑马鱼发育的影响显著减轻，与对照组无明显差异，说明在胚胎发育时期后，超声驻波悬浮处理具有较好的生物安全性。.综上，本课题依托驻波超声悬浮系统，建立了用于液滴声悬浮传输的声场监测与调制的方法。并基于此方法进行了活体生物胚胎不同阶段的声悬浮实验，为超声驻波悬浮技术在生物领域的安全应用提供了一个科学的参考。