自Giddings [1]、[2]、[3]、[4]在20世紀(jì)70年代首次引入流式分離（Field-Flow Fractionation, FFF）技術(shù)以來，它已成為一種可靠的分析技術(shù)，用于基于顆粒尺寸的分離復(fù)雜顆粒混合物。在隨后的幾十年里，F(xiàn)FF技術(shù)被廣泛應(yīng)用于診斷[5]、[6]、[7]、生物化學(xué)[8]、[9]、[10]和環(huán)境工程[12]、[13]、[14]等領(lǐng)域，通過將FFF通道的輸出與高靈敏度的在線檢測器（如多角度光散射、動態(tài)光散射或單顆粒電感耦合等離子體質(zhì)譜）結(jié)合，用于分離顆粒混合物并表征其物理化學(xué)性質(zhì)。作為一種基于洗脫的分離方法，F(xiàn)FF利用垂直于流動方向的力場作用下粘性液體流的拋物線速度分布來分離顆粒混合物。圖1示意性地展示了典型的FFF通道以及分別在空間位阻模式和正常模式下運(yùn)行的分離機(jī)制。當(dāng)載液連續(xù)進(jìn)入通道入口時，由于重力作用沉降在靜止液體底部表面的顆粒開始通過流體動力阻力沿底部表面移動，并最終通過出口被洗脫。在這種空間位阻模式下，顆粒的傳輸速度由完全發(fā)展的載液流速決定，導(dǎo)致較大顆粒移動得更快并更早洗脫。然而，對于亞微米和納米級顆粒，布朗擴(kuò)散力會抵消重力作用，阻止它們在底部表面完全沉降，而是形成垂直平衡分布。這些顆粒根據(jù)載液流的速度分布在其垂直方向上移動。這種分布的程度決定了它們的平均遷移速度，分布較厚的顆粒移動得更快并首先被洗脫。這種分離機(jī)制被稱為正常模式。

考慮到FFF的分離機(jī)制，分離分析的顆粒尺寸范圍顯著受到正常模式分離效果的影響。隨著顆粒尺寸的減小，布朗擴(kuò)散性增加，僅靠重力無法充分抵消較小顆粒的擴(kuò)散作用，導(dǎo)致它們在整個FFF通道高度內(nèi)分散并以載液的平均速度遷移。為了解決這一問題并將分離范圍擴(kuò)展到納米尺度，人們將各種力場集成到FFF通道中。已經(jīng)探索并證明了離心力[6]、[14]、[15]、[16]、電泳力[9]、[17]、[18]、介電泳力[19]、[20]、[21]、熱力[22]、[23]、[24]以及主動流體動力[11]、[25]、[26]、[27]在分離數(shù)十至數(shù)百納米范圍內(nèi)的布朗擴(kuò)散顆粒方面的有效性。然而，這些強(qiáng)力無論顆粒在垂直方向上的位置如何，都可能通過增加沿底部表面移動的微米級顆粒的摩擦力來阻礙空間位阻模式的分離。

最近，研究人員探索了由駐波產(chǎn)生的聲輻射力作為一種有前景的力場，這種力場與FFF通道中的載液流動無關(guān)[28]、[29]、[30]、[31]。與其他提到的力不同，聲輻射力源自聲駐波場，在載液內(nèi)部垂直方向上變化。盡管存在這種垂直分布，聲場流式分離技術(shù)表明，這種力與重力共同作用可以擴(kuò)展空間位阻模式的分離顆粒尺寸范圍，抵消了粘性載液流動對微粒的壁效應(yīng)[29]。這種聲輻射力場在FFF中特別有利，因為它可以在不依賴于載液和固體顆粒的物理化學(xué)性質(zhì)的情況下操縱顆粒，也不需要復(fù)雜的通道結(jié)構(gòu)或動態(tài)運(yùn)動來建立垂直于載液流動的穩(wěn)定力場。

通常，聲場流式分離通道具有分層結(jié)構(gòu)，包括固定在頂板上的壓電換能器。當(dāng)換能器以正弦電壓信號振動時，它會產(chǎn)生機(jī)械波，這些波垂直穿過頂板進(jìn)入載液。這些波隨后到達(dá)底板并反射回液體中，形成超聲駐波模式的流體動力擾動。因此，遠(yuǎn)小于誘導(dǎo)超聲駐波波長的固體顆粒由于聲輻射力的作用而向壓力節(jié)點平面移動。這種機(jī)制不僅操縱顆粒，還抑制了布朗擴(kuò)散，并通過正常模式擴(kuò)展了FFF的顆粒分離范圍。

為了評估聲輻射力在利用空間位阻和正常模式混合分離技術(shù)分離多尺度顆粒混合物方面的有效性，本研究調(diào)查了采用四分之一波長超聲波場的聲場流式分離通道的分辨能力，其中壓力節(jié)點平面位于底部表面，而壓力反節(jié)點平面位于頂部表面。開發(fā)了一個分析模型，用于分析作用在顆粒上的所有力，包括流體阻力、重力和浮力、聲輻射力以及布朗運(yùn)動。該模型定量描述了誘導(dǎo)聲輻射力特性對混合模式聲場流式分離分辨能力的影響，還有助于確定在通道中生成四分之一波長超聲波場所需的正弦電壓，以實現(xiàn)高效的顆粒分離。