Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har upptäckt en potentiell felkälla när man använder akustiska vågor för att mäta egenskaperna hos vätskor som blod. Deras upptäckt ökar möjligheten till mer exakta diagnostiska tester för vissa typer av blodcancer och mer exakt sortering av blodkroppar.

Alla akustiska vågor, inklusive ultraljud, skapar områden med omväxlande högt och lågt tryck i ett medium som luft, vatten och andra vätskor som blod. Forskare använder dem ofta för att studera egenskaperna hos små volymer av "mikrofluider", de som är begränsade till kärl som inte är bredare än ett kreditkorts tjocklek.

För att mäta egenskaperna hos ett mikrofluidblodprov använder forskare ultraljudsvågor med en känd frekvens och energi, genererade precis under kärlets bottenvägg av en piezoelektrisk kristall, ett material som kan omvandla strömflödet till akustiska vågor. Vågorna som tränger in i vätskan åker mest längs bottenytan, mellan vätskan och väggen. Efter att vågorna lämnar vätskan, upptäcker forskare eventuell förlust av energi eller förändringar i vågornas frekvens. Dessa mätningar kan avslöja egenskaper som är avgörande för att mäta blodflödet, vilket kan vara farligt långsamt hos vissa blodcancerpatienter. Akustiska vågor kan också sortera celler i helblod.

Biomedicinska forskare och onkologer har ett särskilt intresse av att mäta en mikrovätskas viskositet. Viskositet kallas ibland för en vätskas tjocklek och definieras mer exakt som ett mått på motståndet hos en vätska mot skjuvning. Till exempel motstår melass skjuvning mycket mer än vatten och är cirka 5 000 gånger mer trögflytande, vilket förklarar dess långsamma hällande beteende.

Personer med vissa typer av blodcancer, inklusive multipelt myelom, leukemi och Waldenströms makroglobulinemi, kan ha blodplasma så trögflytande att det kan störa blodcirkulationen i hela kroppen. För att bedöma detta tillstånd, känt som hyperviskositetssyndrom, förlitar sig läkare på en mängd olika mätningar som helblod och blodserumviskositet.

För akustiska mätningar av dessa egenskaper upptäckte NIST-forskargruppen att en ofta ignorerad egenskap känd som slip bör beaktas för att säkerställa deras noggrannhet. Slip hänvisar till mikrovätskans rörelse när den glider mot behållarens fasta väggar. Slipningen i en mikrovätska, fann forskarna, liknar den som observerades i ett välbekant partytrick, när någon rycker i en duk och lämnar disken och besticken efter sig. (Utan halka skulle servisen ramla ihop med duken.)

En mikrovätska upplever glidning helt enkelt på grund av flödet av vätska mot väggen på dess behållare. Men när akustiska vågor kommer in i mikrovätskan introducerar de en andra typ av glidning. Den periodiska rörelsen av de akustiska vågorna – dess cykel av toppar och dalar – gör att ytan på mikrovätskan närmast vågkällan rör sig lite fram och tillbaka mot behållarens vägg. Denna rörelse i sidled är verkligen liten – rörelsen uppgår inte till mer än cirka 15 molekyler i längd.

I en serie experiment upptäckte Aurore Quelennec (nu på Teledyne Technologies i Kanada), tillsammans med NIST-forskarna Jason Gorman och Darwin Reyes, att närvaron av denna akustiska glidning förhindrar mikrofluider från att absorbera lika mycket energi från akustiska vågor som de annars skulle. Teamets studie uteslöt flera andra faktorer, såsom ytspänning och grovhet hos behållarens väggar, som också kan ha minskat mängden akustisk energi som absorberas av mikrovätskan, noterade Reyes.

"Slir på grund endast av vätskeflöde är väl förstått", sa Gorman. "Men eftersom många nya klasser av akusto-fluidiska enheter dyker upp i biovetenskapliga tillämpningar, såsom cellsortering, lys (nedbrytning av cellmembranet) och mätning av vätskeegenskaper, blir akustisk glidning viktigare och viktigare att karakterisera," Gorman sa.

Forskarna blev förvånade över att finna att den akustiska glidningen mellan vätskan och behållarens vägg liknar den hos en fast substans som gnuggar mot en annan, vilket styrs av Amontons-Coulombs friktionslagar. Likheten är viktig eftersom den gör det möjligt för forskare att modellera akustisk glidning baserat på ett mer välbekant och bättre studerat fenomen.

Om akustisk glidning vid vätske-fastämnesgränssnittet ignoreras, skulle förändringen i absorptionen av de akustiska vågorna helt och hållet tillskrivas de fysikaliska egenskaperna hos mikrovätskan genom vilken de färdades. Även om forskarna inte har undersökt hur deras upptäckt kan spela ut i akustiska studier av blod eller annat biologiskt material, kan akustisk glidning leda till ett mindre exakt mått på viskositeten.

Vätskeglidning kan också påverka förmågan hos akustiska vågor att sortera celler i ett litet prov av helblod. I denna teknik används vågorna för att driva celler i blodet. För en given energi och intensitet hos de akustiska vågorna kommer olika typer av blodkroppar att pressas olika mycket beroende på deras storlek och andra fysiska och mekaniska egenskaper, vilket resulterar i en separation. Men eftersom glidning minskar överföringen av energi och tryck, kommer kvaliteten på sorteringsprocessen att försämras.

"Om glidningens verkliga roll erkänns och redovisas, kommer det att möjliggöra akustiska mätningar i mikrovätskor för att uppnå högsta möjliga noggrannhet och främja framtida mätningar inom biologi och medicin," sa Reyes.

Forskarna rapporterade sina resultat online i numret av Nature Communications den 22 mars . + Utforska vidare

Forskare visar att korkskruvens elastiska vågor bär väldefinierat omloppsrörelsemängd

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av NIST. Läs originalberättelsen här.