Риндюк О.В., к.т.н, доц. Калашнікова Л.Є.

Національний технічний університет України «КПІ», Україна

ТЕХНІКА БЕЗКОНТАКТНОЇ МАНІПУЛЯЦІЇ ЗА ДОПОМОГОЮ ПОВЕРХНЕВИХ АКУСТИЧНИХ ХВИЛЬ

Маніпулювання, розділ, очищення та ізоляція мікрочастинок, біочастинок і клітин все більше використовуються в широкому діапазоні досліджень, особливо в галузі біології та медицини [1,2].

Маніпуляція зразків може бути досягнута за допомогою різних фізичних явищ, таких як електрична, магнітна, оптична або акустична левітації [1, 4]. Незважаючи на вражаючі показники такі методи вимагають громіздких, складних установок. Пристрої що працюють на поверхневих акустичних хвилях у порівнянні з оптичними, електричними або магнітними аналогами, акустичні методи, засновані на неінвазивній дії на біологічні об'єкти і придатний для маніпуляції більшості мікрочастинок, незалежно від їх оптичних, електричних або магнітних властивостей [2].

Сили, що виникають в акустичній стоячій хвилі, здатні утримувати в підвішеному стані об'єкти масою в кілька грамів[1,2]. Для того, щоб генерувати стоячу хвилю, випромінювач розміщують на фіксованій дистанції від рефлектора, яка в ідеалі рівна половині довжини хвилі. В умовах мікрогравітації об'єкти (частки) повинні позиціонуватися точно в вузлових точках (точках з нульовим акустичним тиском). Ці системи можуть точно позиціонувати і переміщувати частинки до одного мікрона, що є дуже важливим для нано та біотехнологій, а саме використання нанороботів [1].

Коли ПАХ стикається з рідким середовищем усередині каналу, хвилі викликають коливання тиску в середовищі. Ці коливання викликають акустичні сили, які діють на частинки в каналі, переміщаючи їх у вузли тиску поля ПАХ, на мікрочастинки почнуть діяти сили акустичного випромінювання, вони дифундуватимуть у напрямку бічних стінок відповідно до їх коефіцієнтів дифузії. Як правило, менші частинки дифундують швидше, дифузійні сили є домінуючими для малих частинок в мікроканалі.

Принцип роботи та особливості конструкції пристрою для маніпуляції мікрочастинок показані на Рис.1.

Рис. 1 Конструкція пристрою для маніпуляції мікрочастинок

Мікрочастинки під дією ПАХ змушені мігрувати або в вузли тиску або до антивузлів залежно від значення акустичного коефіцієнту контрастності (Qg) , яка є функцією щільності і стисливості мікрочастинки і середовища, відповідно. Для позитивних чи негативних значень акустичний коефіцієнт контрастності, акустична сила випромінювання викликана коливання тиску штовхає мікрочастинки в мікроканалі до вузлів негативного чи позитивного тиску. Наприклад, так як значення Qg становить 0,32 для еритроцитів, 0,97 для WBC і 0,67 для тромбоцитів, всі клітини крові мають тенденцію мігрувати у вузли тиску. Щоб маніпулювати мікрочастинками в мікроканалі можна змінювати положення вузлів тиску регулюванням довжини акустичної хвилі і ширини мікроканалу.

Література

1. Hartmann C.S. Future high volume applications of SAW devices. Proceedings of 1985 IEEE

Ultrasonics Symposium. 1985. Vol. 1. P. 64–73.

2. Controlling Cell-Cell Interactions using Surface Acoustic Waves / [G. Feng, L. Peng, J. H. Tony та ін.]. // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS). – 2014. – №22068.