声镊利用梯度声场产生的超声辐射力实现对微小颗粒的捕获、排列和搬运，因其具有非接触、无创、无损等特点，成为声学领域研究热点方向之一。然而，相较于2018年获得诺贝尔物理学奖的光镊技术，超声的声波波长较长，衍射效应明显，导致声镊难以实现对微纳米生物颗粒的精确操控。如何突破声学衍射极限以产生亚波长乃至超深亚波长声束，已成为推动声操控技术向超微生物尺度拓展的关键。

近日，中国科学院深圳先进技术研究院医学成像科学与技术系统全国重点实验室郑海荣院士、孟龙研究员团队联合美国弗吉尼亚理工大学田振华教授团队在超深亚波长声束构建方面取得突破。研究团队提出了激发微泡共振产生超深亚波长声束的方法，成功突破了传统声学的衍射极限，实现了对声场的精细调控。并且利用大规模共振气泡阵列，实现了全血样本中高纯度外泌体及其亚群的原位快速分离，为液体活检和精准医疗领域提供了新手段。研究成果以“Oscillating Microbubble Array-based Metamaterials (OMAMs) for Rapid Isolation of High-Purity Exosomes”为题发表在期刊Science Advances，并被选为当期的封面文章。

研究团队在聚二甲基硅氧烷（PDMS）上设计直径为40 μm的微腔结构，并利用液体表面张力的作用，在微腔处产生了稳定的气泡。这种无外壳束缚的气泡在165 kHz共振频率（波长：~9 mm）激发下，产生明显的非线性振动，成功产生了宽度仅为1/186波长的超深亚波长声束，比声波波长小2个数量级。当气泡直径为20微米时，声束宽度达到24微米。而且，当大规模共振气泡排布成不同的图案时，可实现图案化声场的构建。例如，1.2万个共振气泡就能精确“描绘”出熊猫图案的声场分布。此外，通过改变气泡的大小并精准控制其在不同空间位置的共振状态，还能实现对声场的动态调控。比如，组成图案b的气泡直径为100 μm，q图形中的气泡粒径为40 μm。当利用68 kHz超声激励气泡时，可构建“b”图案的声场；当同时施加68 kHz和165 kHz激励时，可产生“bq”复合图案的声场。

通过微纳加工工艺，结合表面疏水处理，成功制备了4.6万个直径为40 μm的微腔阵列，大幅提高了气泡粒径的一致性，气泡粒径偏差控制在1 μm以内。通过精确调控微腔间距至160 μm，避免了气泡振动时的能量耦合，每个微腔形成的气泡可视为独立的、能量局域的“点声源”，从而实现了大规模气泡的非线性共振。在操控颗粒方面，揭示了颗粒在气泡共振场中的动力学机制：对于40 μm的气泡，当颗粒直径超过18 μm时，气泡振动产生的二阶声辐射力主导颗粒动力学行为，可将其稳定捕获于气泡表面；当颗粒直径小于18 μm时，声微流（microstreaming）产生的拽力起到了主导作用，驱动颗粒沿涡旋轨迹绕气泡运动。该方法拓展了超声操控的跨尺度能力，成功将超声操控的下限拓展至65 nm，实现了对未经稀释全血中纳米级外泌体的高通量、高纯度分选。与传统的分选方法相比，该系统的分选外泌体时间从16小时缩短至3分钟，同时纯度达到93%。并且，分离后的外泌体保持了结构完整性和生物功能，保证了外泌体的生物应用。

中国科学院深圳先进技术研究院孟龙研究员、牛丽丽研究员、美国弗吉尼亚理工大学田振华教授为论文共同通讯作者，中国科学院深圳先进技术研究院博士生李昕珈为论文第一作者。该研究成果得到国家自然科学基金、中国科学院先导B专项、广东省自然科学基金等项目的资助。

图1：文章封面

图2：(A)单个气泡共振声场，(B)声束宽度可以达到驱动频率的λ/186；(C)利用气泡实现图案化声场构建; (D) 声场动态调控

图3：(A)大规模气泡共振捕获20 μm颗粒；(B)分离出来的外泌体的形态结构；(C)实现外泌体亚类分离