Page 118 - 《应用声学》2025年第1期

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high-precision ultrasound signal transmission system based on field programmable gate array (FPGA), and built
a high-precision ultrasound liquid handling platform with a custom-designed five-element ultrasonic transducer.
Experimental results demonstrate that the proposed liquid handling strategy can achieve dynamic and precise
adjustment of ultrasound focus, and accurately transfer nanoliter-level liquid droplets at different focal lengths,
improving the efficiency and throughput of ultrasonic liquid handling. It shows significant application value
and promising prospects.
Keywords: Electronic focusing; Annular array ultrasound transducer; Field programmable gate array; Acous-
tic liquid transfer
液面高度的液体处理。这种机械移动会降低移液效
0 引言 率，并且会增加整个移液系统的复杂性。环阵超声

换能器可以通过控制施加在每个阵元上的驱动信
超声移液技术是一种利用超声波进行精确而
号时间延迟来实现聚焦。与单阵元聚焦换能器相
快速液体分配的方法。相比传统的移液枪或者移
比，环阵换能器采用电子聚焦技术，可以快速实现
液工作站，超声移液技术具有无接触、无交叉污染、
焦点在轴向上的调节。这意味着在液体处理过程
精度高和耗材成本低的优势，在药物开发、合成生
中，焦点可以根据需求进行实时调整，无需移动换
物学、基因测序、和化学分析等需要准确分配微量
能器，不仅能够提高移液工作效率、节省时间，同
液体的领域具有非常重要的意义，尤其是纳升甚
时降低了整个系统的复杂性，结构更加简洁。环阵
至皮升级的微量液体无接触式转移为科学研究开
换能器的动态聚焦对于超声移液有很大的优势，但
拓了新的发展空间 [1−2] 。超声移液是将高强度的
也对硬件控制系统提出了更高的要求。在实现动
声能聚焦在液体表面，通过控制传递到流体表面的
态聚焦时，硬件超声信号发射延时的精确性是至关
聚焦声波能量以喷射出精确体积的液滴。1981 年，
重要的因素。
Lovelady 提出了使用弧面超声换能器实现液滴喷
基于上述分析，本工作设计搭建了一套基于现
射的概念 [3] ，并展开了相关实验。随着持续的研究
场可编程门阵列 (Field programmable gate array,
和发展，现今已有相对成熟的超声移液方案，并且
FPGA)的环形阵列超声移液平台，采用定制的五阵
已经实现了商业化。其中，美国Labcyte公司开发的
元环形阵列超声换能器和五通道超声信号发射系
echo 系列超声移液系统已实现纳升级的液体转移，
统实现了超声焦点在轴向上的精准动态聚焦，并实
在生物医学领域得到了广泛的应用 [4−6] 。此外，国
现了不同焦距下液滴的精准转移，证明了基于环阵
内的科研课题组也在超声移液技术领域进行了进
超声的高精度高通量超声移液技术的可行性。这一
一步的探索与发展。例如，天津大学科研团队通过
技术的应用前景广阔，将为生命科学研究和实验室
他们自主研发的超声移液平台对超声移液的相关
应用带来更多的便利与创新机会。
规律进行了深入研究 [7] ；中国科学院深圳先进技术
研究院的科研团队提出了通过调节超声频率控制
1 原理及方法
液滴体积的新方法，并基于高频超声换能器实现了
皮升级液滴的转移 [8] 。 1.1 环阵超声换能器结构与原理
由于单阵元聚焦换能器具有制作工艺简单、聚 本工作使用的五阵元环阵超声换能器中心频
焦效果好等优势，基于单阵元聚焦换能器的超声移 率为 10 MHz，换能器孔径为 16.2 mm。图1 是环阵
液技术被广泛研究应用。但是，单阵元聚焦换能器 换能器阵元布局示意图，换能器的 5 个阵元分别为
是通过将换能器制成弧面形状或利用弧面声透镜 等面积的圆环，各阵元按照同心圆的方式排布。根
实现超声波束的聚焦。换能器或声透镜弧面形状固 据各阵元与圆心之间的半径大小，配合带有延迟线
定，导致换能器焦距固定。然而，在移液过程中液 波束形成器，当各个阵元被不同时间延迟的超声信
面高度会由于液体体积改变而改变，且不同容器中 号激励时，在轴向上可以叠加形成一个聚焦点 [9] 。
液体高度也会不一样，需要通过机械移动单阵元聚 而且通过改变各个阵元的时间延迟可以实现焦点
焦换能器，将超声焦点置于液面处，从而实现不同 在轴线上的动态调节。