基于聲表面波的傳感器的電極結(jié)構(gòu)通常由一對方向相反的叉指換能器

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)。基于聲表面波的傳感器的電極結(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(gè)作為輸入IDT，另一個(gè)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(shí)，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(shí)具有無接觸的優(yōu)點(diǎn)，可有效避免樣品污染的風(fēng)險(xiǎn)。

基于上述優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)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(duì)根據(jù)聲表面波振動(dòng)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(huì)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(diǎn)，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(diǎn)。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(diǎn)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(shí)時(shí)、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(duì)介紹

西安交通大學(xué)先進(jìn)傳感團(tuán)隊(duì)（Advanced Sensing Group），依托機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和教育部微納制造與測試技術(shù)國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室開展研究工作，致力于微機(jī)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、陜西省重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)等項(xiàng)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(shí)驗(yàn)平臺，在微納動(dòng)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(duì)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(xiàng)，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