聚焦束中声辐射力与流动-induced 阻力之间的竞争作用用于三维细胞捕获
应用物理
2026-04-22 v1
摘要
三维捕获单个细胞或微粒的能力对于生物医学和微流控应用至关重要。基于聚焦波的单束声学 tweezers 因其高空间分辨率和强烈梯度而提供一种紧凑且生物相容的方案。然而，在高频率下，由于纵向恢复声学辐射力较弱，难以克服自由空间中由声学体流动产生的推动阻力。声学辐射力与流动-induced 阻力对微粒的综合效应尚未系统研究。虽然辐射力随焦点压强幅值 p_foc 的平方比例，但在不同流动条件下，流动-induced 阻力随 p_foc 的比例尚不明确。本文建立了一个统一的理论和数值框架，用于比较这两种效应，并推导出流动速度的显式比例规律 U0 ~ p_foc^n。我们指出，在粘性极限 (Re_lambda << 1) 中 n=2，在惯性极限 (Re_lambda >> 1) 中 n=4/3，在过渡极限 (Re_lambda ~ 1) 中 n 位于 4/3 与 2 之间。我们进一步引入 Schiller-Naumann 模型，以比 Stokes 模型更准确地估计阻力。基于此，我们发现轴向辐射力与阻力之比随 p_foc 可能呈非单调变化，与常规的单调增加预期相反。本工作为优化用于稳定捕获单个细胞的单束声学 tweezers 提供了理论依据。
引用
@article{arxiv.2604.19050,
title = {Competition between acoustic radiation force and streaming-induced drag force in focused beams for 3D cell trapping},
author = {Shiyu Li and Zhixiong Gong},
journal= {arXiv preprint arXiv:2604.19050},
year = {2026}
}