Технические науки/2.Механика

К.ф.-м. наук Красико А.Н.

Национальний технический университет Украины «КПИ», г. Киев, Украина

МАНИПУЛИРОВАНИЕ МИКРОЧАСТИЦАМИ ПРИ ПОМОЩИ ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН

Манипулирование, разделение, очистка и изоляция микрочастиц, биочастичек и клеток все больше используются в широком диапазоне исследований, особенно в области биологии и медицины [1, 2, 3]. Одной из новых, но самой перспективной в данном вопросе является технология акустической левитации, что обеспечивает большой потенциал для выполнения задач манипуляции и разделения частиц.

Образцы могут находится в состоянии левитации при помощи различных физических явлений, таких как электрическая, магнитная, оптическая или акустическая левитации [1, 4]. Открытие оптического пинцета обеспечило новую платформу для управления и структурирования микро и нано-объектов с беспрецедентной точностью. При помощи такой технологии были продемонстрированы примеры захвата и транспортировки диэлектрических наночастиц размером до 75 нм [3, 4]. Однако такой метод требует громоздких, сложных оптических установок. Методы, основанные на магнитных / электрических полях (например, магнитного или электронного пинцета) могут служить альтернативным решением. Эти методы поддаются миниатюризации устройств, но они имеют ограниченную универсальность. Так, магнитный пинцет требует предварительного намагничивания материалов, а электронный пинцет пригоден для заряженных частиц.

Акустическая левитация, в отличие от всех других методов имеет ряд преимуществ. Такая методика неинвазивна, простота и имеет высокое разрешение [2, 4]. С помощью акустической левитации возможно переносить микролитре жидкостей с миллионами частиц на расстояние нескольких сантиметров [1, 2].

В сравнении с оптическими, электрическими или магнитными аналогами, акустические методы, характеризуются неинвазивным воздействием на биологические объекты и пригодны для манипуляции микрочастиц различной природы, независимо от их оптических, электрических или магнитных свойств.

Принцип работы устройства манипуляции микрочастицами

Силы, возникающие в акустической стоячей волны, способные удерживать в подвешенном состоянии объекты массой в несколько граммов [4, 5]. Для того, чтобы генерировать стоячую волну, излучатель размещают на фиксированной дистанции от рефлектора, которая в идеале равна половине длины волны. В условиях микрогравитации, объекты должны позиционироваться точно в узловых точках (точках с нулевым акустическим давлением). Поэтому узлам акустического давления соответствует максимальная акустическая скорость. В узле акустического давления сила левитации равна нулю. Главное преимущество ультразвуковой акустической левитации состоит в полной независимости от вида материала, по сравнению с оптическими, электрическими или магнитными аналогами, акустические методы, основанные на неинвазивной воздействия на биологические объекты и пригоден для манипуляции большинства микрочастиц, независимо от их оптических, электрических или магнитных свойств [3].

Эти системы могут точно позиционировать и перемещать частицы до одного микрона, что очень важно для нано и биотехнологий, а именно использование нанороботов [1].

Принцип работы устройства манипуляции микрочастиц

Устройство состоит из рабочего канала и пары встречно-штыревых преобразователей (ВШП), нанесенных на пьезоэлектрическую подложку в параллельном или ортогональном порядке. После распределения частиц или клеток в канале, сигнал подается на оба ВШП для создания двух серий идентичных поверхностных акустических волн (ПАВ), которые распространяются или в противоположном или ортогональном направлении. Интерференция двух серий ПАВ образует стоячие поверхностные акустические волны. Принцип работы и особенности конструкции устройства для манипуляции микрочастиц показаны на рис.1.

ВШП

частички

Пьезоэлектрическая подложка

Рис. 1. Конструкция устройства для манипуляции микрочастиц: перемещение с помощью двух параллельных независимых ВШП. и 2D перемещения с использованием двух ортогональных ВШП

Когда ПАВ сталкивается с жидкой средой внутри канала, волны вызывают колебания давления в среде. Эти колебания вызывают акустические силы, действующие на частицы в канале, перемещая их в узлы давления поля ПАВ. Длина волны ПАВ определяется конструкцией шага ВШП, λ=2d, а рабочая частота F ПАВ определяется соотношением, F=C_S/λ, где C_S это скорость распространения волн в пьезоэлектрической подложке. Когда ПАВ вступает в контакт с жидкостью, акустическая энергия влияет на жидкость за счет разницы между скоростью распространения волны в пьезоэлектрической подложке, C_S и в жидкости, c_l (~ 1485 м / с для воды), чем дальше распространяется волна тем больше она затухает [6].

Направление действия силы f определяет положение объектов: если f> 0, объекты будут двигаться к узлам давления, и наоборот. В одномерном примере ПАВ поля, с помощью узлов давления частицы выравниваются в несколько линий, которые параллельны волновым фронтам в результате 1D структуры частиц упорядочиваются вдоль этих линий. В двумерной структуре (2D) ПАВ поля, вместо формирования параллельных линий, узлы давления образуют ортогональный 2D массив Частицы движутся в направлении соседних узлов давления, образуя 2D скопления.

Когда на микрочастицы начнут действовать силы акустического излучения, они диффундируют в направлении боковых стенок. Как правило, меньшие частицы диффундируют быстрее. В миграции малых частиц находящихся в микроканалах доминируют диффузные процессы. Микрочастицы под действием ПАВ вынуждены мигрировать или в узлы или пучности давления, в зависимости от значения акустического коэффициента контрастности (Q_g), который является функцией плотности и сжимаемости микрочастицы и среды соответственно. Для положительных или отрицательных значений акустического коэффициента контрастности, акустическая сила излучения, вызванная колебаниями давления, толкает микрочастицы в микроканалы к узлам отрицательного или положительного давления. Установлено, что значение Q_g для эритроцитов составляет 0,32, для лейкоцитов 0,97 и 0,67 для тромбоцитов. Такие показатели обеспечивают тенденцию мигрирации в узлы давления всех клеток крови. Чтобы манипулировать микрочастицами в микроканалах необходимо изменять положение узлов давления регулировкой длины акустической волны и шириной микроканала.

Выводы:

1. Акустическая левитация разработана на основе взаимодействия поверхностных акустических волн и микрочастиц.

2. Акустическая левитация позволяет активно манипулировать клетками и микрочастицами.

3. Метод акустической левитации не требует предварительной обработки микрочастиц.

4. Акустическая левитация может быть применим к микрочастицам любого типа (в том числе и к биообъектам), независимо от их формы и физических свойств (электрических, магнитных, оптических).

Литература

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.- Р.23-25.

3. Xie, Shikuan Yang, , and Tony Jun Huang, In-Situ Fabrication of 3D Nanostructures for Microfluidic Surface-Enhanced Raman Scattering Systems, ACS Nano, 2014.- Р. 345

4. An acoustofluidic chemical waveform generator and switch / [D. Ahmed, H. Muddana, T. Huang та ін.]. // Analytical Chemistry. – 2014. – №86.- Р.45-47.

5. M.R. Bhalla, A.V. Bhalla. Comparative Study of Various Touchscreen Technologies // International Journal of Computer Applications. – 2010. – V.6 – No.8.-З.67-72.

6. Орлов С.А. Фильтры на поверхностных акустических волнах для современных коммуникационных применений // Chip News. – 2000. - №2. - C. 31.