CN106370598A - 基于表面声波的微球操纵装置及其制作方法、成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于表面声波的微球操纵装置及其制作方法、成像系统，微球操纵装置包括基片和多个电极部；基片以压电材料制作；多个电极部位于基片平面内，多个电极部至少包括沿第一方向且以目标区域为中心相对设置的两个电极部，目标区域用于放置微球样品。向电极部通入交流电信号，可在基片表面激励产生表面声波，相对方向传播的表面声波在目标区域叠加形成表面声波驻波场，在驻波场的作用下驱动微球移动。本发明基于表面声波的微球操纵装置及成像系统，实现利用表面声波操纵微球移动，在扫描成像时可避免形成成像盲区，能得到样品的全部面积成像。

Description

基于表面声波的微球操纵装置及其制作方法、成像系统

技术领域

本发明涉及显微成像技术领域，特别是涉及一种基于表面声波的微球操纵装置及其制作方法。本发明还涉及一种成像系统。

背景技术

随着现代生物学和材料科学的发展，在微观结构的研究中对成像分辨率提出了越来越高的要求，科学家希望从分子水平揭示生命过程和材料性能的物理本质。

对于普通光学显微镜，由于受到光学衍射极限的限制，其横向分辨率被限制在200nm以上，这对于研究深亚波长结构或者细胞结构是远远不能满足要求的。为了突破衍射极限的限制，世界各地的科研人员对此展开了深入的研究，其中，最典型的几种方法包括受激发射损耗显微技术、结构光照明显微法、随机光场重建显微法、荧光蛋白光激活定位技术等，但这几种方法大多基于复杂数据的后续处理，存在系统较为复杂、价格昂贵、效率较低等问题，不能被普遍地应用。

基于微球纳米锥效应的超分辨成像技术，首先由英国曼彻斯特大学的研究团队于2011年提出，该技术采用白光照明光源，激发样品产生消逝波，利用微米量级的微球耦合消逝波，并进行空间放大产生放大的虚像，再对虚像进行二次成像，来获得样品表面的超分辨显微图像，实现了基于白光宽场照明达到远场超分辨的显微成像。该项技术基于其系统结构简单、效率高、成本低廉等优点受到普遍关注。

目前，应用微球的超分辨显微成像技术中，由于在扫描成像过程中微球不能移动，因此只能对微球位置周围的区域进行成像，在微球位置处会形成成像盲区，因此导致不能得到样品的全部面积成像。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种基于表面声波的微球操纵装置，实现利用表面声波操纵微球移动，从而避免在扫描成像时形成成像盲区，以保证得到样品的全部面积成像。本发明还提供一种基于表面声波的微球操纵装置制作方法及成像系统。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于表面声波的微球操纵装置，包括基片和多个电极部；

所述基片以压电材料制作；

多个所述电极部位于所述基片平面内，多个所述电极部至少包括沿第一方向且以目标区域为中心相对设置的两个所述电极部，所述目标区域用于放置微球样品。

可选地，多个所述电极部至少还包括沿第二方向且以所述目标区域为中心相对设置的两个所述电极部。

可选地，所述第一方向与所述第二方向垂直设置。

可选地，多个所述电极部还包括沿第三方向且以所述目标区域为中心相对设置的两个所述电极部，所述第三方向与所述第一方向和所述第二方向均交叉。

可选地，所述电极部包括相互平行的两侧总线，以及位于所述两侧总线中间区域的周期性排列的电极，所述电极与所述总线垂直，一周期电极包括分别与两侧总线交替连接的两组电极，所述电极部的中线轴指向所述目标区域。

可选地，在所述每一周期电极中，一组电极包括与同一侧总线连接的一个电极或者两个电极。

可选地，所述压电材料包括石英、铌酸锂、钽酸锂或者硅酸镓镧。

一种成像系统，包括：

包括目镜和物镜的光学显微镜；

设置在所述光学显微镜的载物台上的、如上所述的微球操纵装置。

一种基于表面声波的微球操纵装置制作方法，包括：

采用压电材料制作基片，在所述基片的一面沉积金属层；

在所述基片的金属层上形成具有电极图形的掩模板；

通过干法刻蚀在金属层形成电极图形，去除光刻胶，在所述基片上形成电极部。

可选地，还包括：采用固化银浆将金属线与电极部的总线粘接，并经烘干处理将粘接点固化。

由上述技术方案可以看出，本发明所提供的基于表面声波的微球操纵装置，包括基片和多个电极部，其中基片以压电材料制作，多个电极部位于基片平面内，至少包括沿第一方向且以目标区域为中心相对设置的两个电极部，该目标区域用于放置微球样品。向电极部通入交流电信号，由于压电效应，以压电材料制作的基片会产生机械应变，会在表面激励产生表面声波；相对的两个电极部激励产生的表面声波相向传播，频率相同，在目标区域叠加后形成驻波，在形成的表面声波驻波场中微球受到作用力，从而驱动微球移动。

因此，本发明基于表面声波的微球操纵装置及成像系统，实现利用表面声波操纵微球移动，在扫描成像时可避免形成成像盲区，能得到样品的全部面积成像。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于表面声波的微球操纵装置操纵微球的原理示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于表面声波的微球操纵装置的示意图；

图3为图2所示微球操纵装置的电极部的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于表面声波的微球操纵装置制作方法的流程图；

图5为本发明实施例提供的基于表面声波的微球操纵装置制作方法的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种基于表面声波的微球操纵装置，包括基片和多个电极部；

所述基片以压电材料制作；

多个所述电极部位于所述基片平面内，多个所述电极部至少包括沿第一方向且以目标区域为中心相对设置的两个所述电极部，所述目标区域用于放置微球样品。

可以看出，本实施例提供的基于表面声波的微球操纵装置，包括基片和多个电极部，其中基片以压电材料制作，多个电极部位于基片平面内，至少包括沿第一方向且以目标区域为中心相对设置的两个电极部，该目标区域用于放置微球样品。向电极部通入交流电信号，由于压电效应，以压电材料制作的基片会产生机械应变，会在表面激励产生表面声波；相对的两个电极部激励产生的表面声波相向传播，频率相同，在目标区域叠加后形成驻波，在形成的表面声波驻波场中微球受到作用力，从而驱动微球移动，可参考图1所示，图1为本实施例装置操纵微球的原理示意图。

因此，本发明基于表面声波的微球操纵装置实现利用表面声波操纵微球移动，在扫描成像时可避免形成成像盲区，能得到样品的全部面积成像。

微球在形成的表面声波驻波场中，微球受到的声学力包括主辐射力和次辐射力。主辐射力是驻波场本身对微球的作用力，次辐射力则是微球的散射声波产生的力。其中，主辐射力起主导作用，主辐射力可以分解为轴向分力和横向分力，轴向分力沿声波传播方向，其作用力大小大于横向分力，轴向分力将微球推向驻波节点，如此微球在驻波场的作用下移动。微球受到的轴向分力F_r表示如下：

$F_r=-\left(\frac{{\mathrm{\πp}}_0^2{V}_c{\mathrm{\β}}_w}{2\mathrm{\λ}}\right)\mathrm{\φ}(\mathrm{\φ},\mathrm{\ρ})sin\left(2kx\right);$

$\mathrm{\φ}(\mathrm{\β},\mathrm{\ρ})=\frac{5{\mathrm{\ρ}}_c-2{\mathrm{\ρ}}_w}{2{\mathrm{\ρ}}_c+{\mathrm{\ρ}}_w}-\frac{{\mathrm{\β}}_c}{{\mathrm{\φ}}_w};$

其中，p₀表示驻波的振幅，V_c为微球的体积，β_c表示微球的压缩系数，β_w表示周围液体的压缩系数，ρ_c表示微球的密度，ρ_w表示周围液体的密度，λ为表面声波的波长，k为波数，x表示微球距离驻波场中最近节点的距离。

下面对本发明基于表面声波的微球操纵装置作进一步的详细说明。

本实施例微球操纵装置，基片以压电材料制作，向基片上的电极部施加交流电信号时，压电基片产生机械应变。会在表面激励产生表面声波。压电材料的特性决定产生表面声波的性能，在选择压电材料时要考虑材料的定向、机电耦合系数、温度稳定性、波束偏向、传播损耗、介电常数等性能参数。本实施例中，压电材料采用压电单晶材料，可采用的压电单晶材料包括石英、铌酸锂(LiNbO₃)、钽酸锂(LiTaO₃)或者硅酸镓镧(La₃Ga₅SiO₁₄)。

本实施例微球操纵装置，在基片平面内，至少设置沿一个方向且以目标区域为中心相对设置的两个电极部，通过沿一个方向以微球样品为中心相对设置的两个电极部，激励产生表面声波可以操纵微球在一维方向上移动。

在一种优选实施例中，在基片平面内，至少设置沿第一方向以目标区域为中心相对设置的两个电极部，以及沿第二方向以目标区域为中心相对设置的两个电极部，通过两个方向上的表面声波的作用，可以实现操纵微球在二维平面内移动。

优选的，第一方向和第二方向垂直设置，可参考图2所示，由图可以看到，在基片1平面内，沿相互垂直的第一方向和第二方向分别设置有电极部2。

在另一种实施例中，在上一实施例的基础上，在基片平面内还包括沿第三方向且以目标区域为中心相对设置的两个电极部，所述第三方向与所述第一方向和所述第二方向均交叉。通过三个方向上传播的表面声波的作用，可以对微球在平面内的位移实现更为精确的控制。其中，第三方向与第一方向、第二方向的夹角可灵活调节。

本实施例中，电极部2的结构可按如下方式设置，可参考图2和图3，所述电极部2包括相互平行的两侧总线21，以及位于所述两侧总线21中间区域的周期性排列的电极20，所述电极20与所述总线21垂直，其中，一周期电极包括分别与两侧总线21交替连接的两组电极，即一周期电极中，一组电极与一侧总线连接，另一组电极与另一侧总线连接。

通过总线21向电极20通电。

本实施例中，各所述电极部2的中线轴指向所述目标区域，使激励产生的表面声波沿指向目标区域的方向传播。

本实施例所述电极部，主要参数包括电极周期、电极对数和孔径。电极周期指相邻两周期电极中与同一侧总线连接的电极之间的距离，电极周期决定了激励产生的表面声波的波长。

电极对数指每一周期电极中每一组电极中包含的电极的数量。其中，在一组电极中，可包括与同一侧总线连接的一个电极或者两个电极。一组电极包括与同一侧总线连接的一个电极，这种电极结构简单，制作时对光刻精度要求较低，其激励产生的表面声波能满足对微球移动的控制。一组电极中包括与同一侧总线连接的两个电极，这种电极结构主要应用到对声波频率有更精确控制要求的场合中。

孔径指在一周期电极内相邻电极之间的距离。另外，电极部激励产生表面声波的性能还受电极厚度、基片材料以及晶体切向等因素影响。

示例性的，在一种具体实施例中，在图3所示的微球操纵装置中，设置电极周期为300μm，电极的宽度为75μm，高度为150μm，相应其激励产生的表面声波波长为300μm。

下面对本实施例基于表面声波的微球操纵装置的制作方法进行详细描述。请参考图4和图5，图4为本实施例提供的一种基于表面声波的微球操纵装置制作方法的流程图，图5为本实施例基于表面声波的微球操纵装置制作方法的示意图，包括步骤：

S1：采用压电材料制作基片，在所述基片的一面沉积金属层。

根据需求选择压电材料和电极材料。示例性的，本实施例中以压电材料采用铌酸锂(LiNbO₃)单晶，采用金属Cr/Au制作电极来说明，具体制作过程包括：采用铌酸锂(LiNbO₃)单晶制作形成基片后，对基片两面进行抛光处理，然后在基片的一面通过蒸镀镀膜的方法沉积Cr/Au金属层。

S2：在所述基片的金属层上形成具有电极图形的掩模板。

在进行该步骤前，先设计具有电极图形的掩模板，可通过AutoCAD、CorelDraw12等软件设计所需要的电极图形结构。

然后，将具有电极图形的掩模板制作到基片金属层上，再通过紫外光刻曝光的方式使掩模板图形形成，主要工艺操作包括：前处理-甩胶-前烘-曝光-后烘-后曝光-显影。

S3：通过干法刻蚀在金属层形成电极图形，去除光刻胶，在所述基片上形成电极部。

通过干法刻蚀，使金属层形成电极图形，然后可利用丙酮将覆盖在电极上的光刻胶去除，在基片上制作形成电极部。

S4：采用固化银浆将金属线与电极部的总线粘接，并经烘干处理将粘接点固化。可以将器件放入烘箱中对粘接点进行固化牢固。

本实施例基于表面声波的微球操纵装置，应用于微球应用的显微成像系统中，利用表面声波形成的驻波操纵微球在平面内移动，对样品进行宽视场扫描成像，在扫描成像时避免了形成成像盲区，保证形成样品的全部面积成像。本实施例微球操纵装置具有结构简单，成本低等优点，能够得到普遍和广泛的应用。

相应的，本发明实施例还提供一种成像系统，包括：

包括目镜和物镜的光学显微镜；

设置在所述光学显微镜的载物台上的、如上所述的微球操纵装置。

在实际应用中对样品进行显微成像观察时，先将制作好的微球操纵装置放在光学显微镜的载物台上，将光学显微镜的物镜及目镜的放大倍数调整到适应值；然后，将样品放在操纵装置基片的目标区域上，在样品上滴注含介质微球的悬浮液，其中可选的，所采用的介质微球的直径为2-9μm，折射率为1.3-1.9，例如可采用直径为5μm的二氧化硅小球(n＝1.46)。在扫描成像过程中，改变电极部的施加交流电信号操纵微球移动。通过逐点扫描实现对样品的二维成像。

本实施例显微成像系统，在微球应用超分辨成像技术中，利用声学表面声波产生的驻波操纵液体中微球移动，在扫描成像中避免了形成成像盲区，能够形成样品的全部面积成像。因此，本实施例成像系统，利用介质微球的纳米锥效应实现对纳米超精细结构的成像。实现超分辨成像，同时利用表面声波操纵微球移动，将表面声波声镊和微球超分辨技术结合，实现了微纳结构宽场快速扫描成像。

以上对本发明所提供的基于表面声波的微球操纵装置及其制作方法、成像系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于表面声波的微球操纵装置，其特征在于，包括基片和多个电极部；

所述基片以压电材料制作；

多个所述电极部位于所述基片平面内，多个所述电极部至少包括沿第一方向且以目标区域为中心相对设置的两个所述电极部，所述目标区域用于放置微球样品。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，多个所述电极部至少还包括沿第二方向且以所述目标区域为中心相对设置的两个所述电极部。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一方向与所述第二方向垂直设置。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，多个所述电极部还包括沿第三方向且以所述目标区域为中心相对设置的两个所述电极部，所述第三方向与所述第一方向和所述第二方向均交叉。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电极部包括相互平行的两侧总线，以及位于所述两侧总线中间区域的周期性排列的电极，所述电极与所述总线垂直，一周期电极包括分别与两侧总线交替连接的两组电极，所述电极部的中线轴指向所述目标区域。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，在所述每一周期电极中，一组电极包括与同一侧总线连接的一个电极或者两个电极。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压电材料包括石英、铌酸锂、钽酸锂或者硅酸镓镧。

8.一种成像系统，其特征在于，包括：

包括目镜和物镜的光学显微镜；

设置在所述光学显微镜的载物台上的、如权利要求1-7任一项所述的微球操纵装置。

9.一种基于表面声波的微球操纵装置制作方法，其特征在于，包括：

采用压电材料制作基片，在所述基片的一面沉积金属层；

在所述基片的金属层上形成具有电极图形的掩模板；

通过干法刻蚀在金属层形成电极图形，去除光刻胶，在所述基片上形成电极部。

10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，还包括：采用固化银浆将金属线与电极部的总线粘接，并经烘干处理将粘接点固化。