用于制作生物微阵列的压电超声聚焦微喷系统

　　生物微阵列是当今开展大规模并行生物分析的重要手段[1]。利用微喷制作生物微阵列的方法成本低[2],大多数是在改进喷墨打印机的基础上进行的。目前商业化的喷墨打印机按工作原理大体上可分为采用机械挤压方法形成微小液滴式(如压电式和静电式)和采用瞬间加热电极形成蒸汽气泡的热泡式两种。其共同点为:

　　(1)液滴的大小由喷孔的直径来控制,为了减小液滴直径必须减小喷孔直径,即使试剂中不包含任何大颗粒物质,其中的微小气泡很容易造成堵塞。

　　(2)喷射过程中存在着高压/高温和大剪切力过程,可能对某些敏感的生物试剂(例如蛋白质)造成不可逆转的损坏。

　　本文利用超声聚焦原理制作了一个超声聚焦微喷系统,该系统具有喷射过程温和,对试剂无损伤,无堵塞及阵列整齐等优点。

　　1 超声聚焦微喷的原理

　　图1为超声聚焦喷射的原理图。其工作原理是把脉冲调制的超声波汇聚到自由液面上,在局部范围内形成很高的声压来克服液体的表面张力,形成微小的液滴。这种方式喷射出来的液滴直径完全由超声波频率和聚焦元件的参数决定[3],不依赖任何微小的孔径,所以激振频率越高形成的液滴直径越小,且大小始终均匀。和上述常见的微喷方式相比,它消除了堵塞问题,且喷射过程温和,没有大剪切力及高温、高压等恶劣过程,因而不会对生物试剂造成任何损害。

　　2 微喷换能器的设计

　　为了制作出液滴直径尽可能小的超声聚焦换能器,应当尽可能提高声波在声透镜的焦点区域内的集中程度,即通过尽力减小焦平面上声压幅值分布的主瓣宽度(R3 dB)来实现。由文献[4]可知

　　式中:

　　λ是声波在介质中的波长;

　　Fn是球面声透镜的F数,它等于球面声透镜的焦距F与直径D的比值。即

　　式中:

　　R是球面声透镜的曲率半径;

　　c1和c2分别是声波在透镜材料和液体中的传播速度;

　　θ是球面声透镜的球面张角。

　　经过简单的代数运算可得

　　从式(1)~(4)可看出,为了减小R3dB可减小声波在液体中的波长和减小Fn。对于减小声波在液体中的波长,随着声波频率的提高,压电元件的厚度将随之减小,然而对于PZT压电陶瓷,由于晶粒大小和现有工艺水平的限制,一次谐波最高谐振频率通常最高只有十几到几十兆赫兹;对于减小Fn,除了增大H外,还可减小c2/c1,即选择声速高的材料来制作声透镜。比较可知,在方便制作不采用任何匹配层的条件下,石英玻璃是一种较理想的透镜材料,这是因为它的纵波速度较高(5970m/s),而密度较小(2200kg/m³),因而有助于声波从透镜到液体的传播。如当声波分别垂直入射到蓝宝石/水和石英玻璃/水组成的界面上时,根据文献[5]提供的折射声波能量传输比公式为