压电效应(英语:Piezoelectricity),是电介质材料中一种机械能与电能互换的现象。 压电效应有两种,正压电效应及逆压电效应。 正压电效应,简单理解,就是当对压电材料施以物理压力时,材料相对的表面上产生正负电荷,形成电压。压力的机械能转化为了电能。如下面的示意图。 逆压电效应,简单理解,就是当对压电材料表面施加电场(电压)时,压电材料会沿电场方向伸长,发生变形。电能转化成了压电材料变形的机械能。施加周期性的电场,就会让压电材料周期性的伸长和恢复,即相应频率的振动。而振动频率足够高,则产生超声。 1880年皮埃尔·居里和雅克·居里兄弟,首先发现电气石具有压电效应。 1881年,他们通过实验验证了逆压电效应,并得出了正逆压电常数。1910年,德国物理学家沃德马·沃伊特发表著作《晶体物理学教科书》(Lehrbuch der Kristallphysik,Textbook on Crystal Physics)。这本书描述了20种能够产生压电效应的自然晶体。 其实压电效应,在我们日常生活中也有典型的应用。如打火机的点火装置,当我们按压打火机时,按压时的机械能,被转化成电能/电火花,从而点燃打火机。 空气加湿器中,产生水雾的装置,也是压电陶瓷。空气加湿器中的压电陶瓷,是将电能转化为了振动的机械能,从而产生细小水雾。
压电效应在声音的产生和侦测(如核潜艇的声呐)、高电压的生成、电频生成、微量天平和光学器件的超细聚焦有着重要的运用。 同时,压电效应在IVD仪器、科学仪器等方面,也有广泛的应用,比如压电泵、超声聚焦、超声细胞洗涤、超声清洗采样针、超声混匀、超声液位探测、超声排气泡、流式细胞分选仪喷嘴振荡等等。 1. 压电陶瓷微型泵 以压电陶瓷驱动膜片运动,配合单向阀,实现液体的吸入排出。如下图,是Takasago的压电式微型泵 SDMP320/330W系列压电陶瓷微型泵的外观及内部构造。泵的体积可以做的非常小,近似一枚硬币。
2. 超声细胞分离和洗涤 AcouSort公司推出了采用超声,进行血液样本分离和细胞洗涤的设备。声场使得微流道内的不同大小、不同质量细胞,向不同的区域聚集,从而实现分离。
3. 流式细胞仪超声辅助流动聚焦 ThermoFisher公司,将超声聚焦技术,应用于流式细胞仪。Attune NxT流式细胞仪,在流体动力学聚焦的基础上,增加了超声聚焦,使得样本流速速最大可达到1000uL/min,细胞仍能保持较好的聚焦状态通过光斑,从而保证了数据的CV。仅基于流体动力学聚焦的流式细胞仪,样本流速一般在300uL/min以内。
4. 超声清洗采样针 Roche 的 c503(Cobas Pro)的血清采样针,针除了有水洗的冲洗池外,附加一个稀释碱液的冲洗池,这个冲洗池带有超声发生器,激发清洗剂气泡进行样品针的清洗。具体可见郑老师的文章。
5. 超声混匀 Hitachi 的 ISE的稀释杯结构上,安装有压电陶瓷,用于产生振荡,实现液体混匀。具体可见郑老师的文章。
6. 超声液位探测 通过检测超声波发送与反射的时间差,来计算液位高度。该方式可能会受液面气泡的影响。
7. 超声除气泡 Hitachi将超声技术应用于生化分析仪的反应杯上,除了进行液体混匀外,也辅助进行除气泡。避免气泡对后续检测的干扰。具体可见郑老师的文章。
8. 流式细胞分选仪 流式细胞分选仪,一种主要的实现方式,就是通过压电陶瓷,对样本流施加振荡,从而按固定频率产生液滴,然后实现分选。(类似喷墨打印机。)
除了这种依靠压电陶瓷产生液滴的分选,还有一种直接利用压电陶瓷产生的外力,对细胞进行分选。
9. 超声波移液 Labcyte.Inc(被Beckman Coulter收购) Echo 555仪器使用超声波,进行液面高度检测及纳升量级移液。
以上是压电陶瓷/超声技术,在IVD仪器或科学仪器上的应用。
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