聲表面波（Surface acoustic waves，SAWs）是沿物體表面傳播的彈性波，由英國物理學家Rayleigh于1885年在研究地震波的過程中首次發現。基于聲表面波的傳感器的電極結構通常由一對方向相反的叉指換能器（Interdigital transducers，IDTs）組成，其中一個作為輸入IDT，另一個作為輸出IDT。

由于聲表面波的傳播速度高度依賴于表面溫度、粘度和質量載荷的變化，因此基于聲表面波的傳感器是液體環境中生物傳感的絕佳選擇。與微流控技術相結合時，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，同時具有無接觸的優點，可有效避免樣品污染的風險。

基于上述優點，聲表面波器件已廣泛應用于生物檢測領域，包括作為樣品預處理過程的驅動器，以及用于各種生物靶標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中的應用

近日，西安交通大學韋學勇教授團隊根據聲表面波振動模式和邊界條件的不同，對聲表面波微流控器件進行了分類總結，并對基于表面聲波的微流控器件在生物學中的應用進行了詳細綜述，該綜述以“Surface acoustic wave based microfluidic devices for biological applications”為題，發表在英國皇家化學會期刊Sensors & Diagnostics上。

文章首先介紹了聲表面波的基礎知識，包括其理論基礎和物理原理。隨后文章詳細總結和討論了不同類別聲表面波器件的主要設置、關鍵特征、優勢和應用挑戰，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具有良好的生物相容性、無創性和較高的分選效率等優點，已成為一種非常有前途的樣品預處理方法。在IDTs區域之間具有導波層的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用平臺，與傳統生物檢測方法相比，具有反應速度快、體積小、靈敏度高等優點。而基于薄膜結構的柔性蘭姆波器件也被開發用于液體微流控和生物傳感，由于其低成本、可回收及無線監測等優點在可穿戴設備方面有巨大應用潛力。

圖2 基于瑞利波的聲表面波分離技術應用于樣品預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時、無創、反應快速、高靈敏、免標記等優勢，有望發展為可用于快速疾病診斷以及醫學研究領域的集成設備。

團隊介紹

西安交通大學先進傳感團隊（Advanced Sensing Group），依托機械制造系統工程國家重點實驗室和教育部微納制造與測試技術國際合作聯合實驗室開展研究工作，致力于微機電系統與納米技術、微流控技術與生物傳感等先進前沿領域研究。在國家重點研發計劃、國家自然科學基金、陜西省重點研發專項等項目的資助下，搭建了硅微諧振器高真空測試系統、原位力學測試系統、精密光學測試系統、微流控與生物傳感測試系統等實驗平臺，在微納動力學基礎研究、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。研究團隊在ACS Nano、ACS Applied Materials & Interfaces、Applied Physics Letters、Microsystems & Nanoengineering.、Lab on a Chip、Mechanical Systems and Signal Processing等高水平期刊上發表論文300余篇，獲授權發明專利 100 余項，研究成果在國內外相關領域產生了廣泛的影響。

論文信息

https://doi.org/10.1039/D2SD00203E

審核編輯 ：李倩