一種利用光致Lamb波對微米級顆粒進行大通量操控的光聲圖案化方法

近日，北京理工大學李鋒教授聯合華南理工大學李志遠教授與中央民族大學郭紅蓮教授提出了一種利用光致Lamb波在空氣中對微米級顆粒進行大通量操控的光聲圖案化方法。相關成果以“Programmable Photoacoustic Patterning of Microparticles in Air”為題發表于Nature Communications期刊?！肮忤嚒迸c“聲鑷”技術各有優劣，光波的波長短，這意味著使用光來操控物體會更精密，而且成熟的光場調控儀器使得“光鑷”技術擁有非常高的靈活性。但“光鑷”只能操控透明顆粒，并且有破壞細胞活性的風險。而“聲鑷”較“光鑷”具有更大的操控力，但現有的聲場調控技術還存在著精度與靈活性不可兼得的問題。由上可以看出，“光鑷”與“聲鑷”技術是可以互補的，研究者因此提出融合“光鑷”與“聲鑷”技術的新手段。華南理工大學的張若欽博士為本文的第一作者，中央民族大學的趙希川碩士和北京理工大學的李金枝碩士為本文的共同第一作者；李鋒教授，李志遠教授與郭紅蓮教授為共同通訊作者。

眼球通過光線看見多彩繽紛的世界；聽小骨通過振動聽見充滿生機的聲音。我們已經習慣將光和聲音當作感知世界的媒介。所以可以理解德國物理學家克萊尼（Ernst Florens Friedrich Chladni）使用克萊尼板演示聲波對顆粒的排布、阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）使用激光光束實現對顆粒的捕獲帶給人們多大的震撼。光和聲音能夠操控物體本身就足夠有趣，這種不需要直接接觸物體的操控方法在生物學、醫學、化學等領域具有重要應用，吸引了一代又一代人對其進行研究和發展。研究人員將這種利用光進行操控的技術命名為“光鑷”，利用聲音進行操控的技術命名為“聲鑷”，意為用光和聲音像鑷子一樣操控物體?！肮忤嚒币约啊奥曡嚒奔夹g各有優劣，如果能夠做到取長補短，既如同“光鑷”一樣靈活，又有“聲鑷”的大操控力，將更有利于非接觸操控技術的發展。

研究者提出了空氣中可編程的光聲排列微粒方法（Programable photoacoustic patterning of microparticles in air, PPAP）。這種方法利用了光聲效應和芯片尺度級別的彈性波，具有很高的靈活性、穩定性以及分辨率，結合了全息“光鑷”技術以及“聲鑷”技術的優勢。該方法的靈活性來自于數字微鏡器件（Digital micromirrors device, DMD）。這種設備可以按照電腦上事先設定的目標圖案來控制芯片上的微鏡陣列的轉動方向，從而將照射于微鏡陣列上的均勻脈沖激光光斑有區分地反射到多層膜上。這樣，照射到多層膜上的激光帶有預定的目標圖案。被激光照亮的薄膜區域吸收激光的能量，溫度迅速升高，材料發生熱膨脹。熱膨脹帶來的應變激發了多層膜上的彈性波。多層膜下方水層的衰減效果使得彈性波局域在激光照射區域。當微粒位于薄膜上時，彈性波將動能從薄膜傳遞給微粒。形變越大的區域，顆粒受到的機械力也越大。具有足夠動能的微?？梢缘窒c薄膜之間的粘附力，從而被推向周圍。因為振動強烈的位置被局域在激光圖案附近，所以顆粒排布成的圖案與激光的圖案具有一致性。這一操作能將光學方法的高空間分辨率、高時間刷新頻率和聲學方法的高生物相容性、大操控力整合在一起。

研究者利用該方法產生特殊的激光圖案，實現了對大量粒子的同時操控。例如使用同心圓狀激光圖案對顆粒進行束縛與輸運。

圖1 可編程光聲排列顆粒系統的示意圖和彈性波的傳播。(a) 系統的示意圖。經過DMD調制的脈沖激光束照射到金屬薄膜上引發局部光聲效應。(b) 仿真計算的光聲效應引起的彈性波傳播的時空圖。(c) 實驗測量的彈性波傳播的時空圖。

技術突破與創新點

利用可編程光聲排列顆粒方法可以實現兩種不同類型的圖案。一種是將線條部分的顆粒移走的陰文；一種是移走背景上的顆粒，保留線條上的顆粒的陽文。其中陰文圖案的成型相對直接，多層膜上平鋪的顆粒會排列成與激光圖案相似的分布。圖2(a)是目標圖案，圖2(b)顯示的是多層膜某個時刻對應的變形量?？梢钥闯?，激光圖案的每條曲線都在多層膜上造成對應的凹陷和凸起。該方法可以同時驅動上萬顆微米顆粒運動。脈沖光照射大約3.5秒鐘后，微米顆粒排布出清晰的豬八戒陰文圖案，文章展示了“安靜的豬八戒”（如圖2(c)所示），“微笑的豬八戒”，和“大笑的豬八戒”圖案（可見附錄動畫）。通過編程控制，該方法也可以產生其它任意圖案。

圖2 陰文圖案的顆粒排布。(a) 豬八戒樣式的目標圖像。(b) 激光脈沖照射2 μs后的多層膜振動位移場。(c) 與“安靜的豬八戒”樣式圖案相對應的圖案化顆粒的照片。

附錄動畫：

想把顆粒排布成陽文樣式的圖案則需要額外的步驟。以圖3(a)所示的木棉花圖案為例，我們需要去除掉綠色區域內的顆粒，保留構成花朵輪廓的白色區域的顆粒。如圖3(c-f)所示，顆粒如同水浪一般被彈性波帶到了不同的區域。大約兩分鐘后，剩下的顆粒構成了如圖3(b)所示的木棉花陽文圖案。

圖3 木棉花陽文圖案化。(a) 木棉花目標圖像。(b) 木棉花陽文圖案化排布的最終結果。(c) 外部區域圖案化過程中的三幀。(d) 去除木棉花外部區域顆粒的過程。(e) 內部區域圖案化過程中的三幀。(f) 木棉花內部區域顆粒的圖案化進程。

附錄動畫：

“光聲鑷”平臺將“全息光鑷”的靈活性與“聲表面波聲鑷”的大驅動力相結合，為高效、高分辨率粒子操縱提供了可能，其潛在應用包括微粒組裝、微型機器人制造，同時也為微型3D打印提供了新途徑。