Akustiska pincetter är baserade på fokuserade akustiska virvlar och lovar att exakt manipulera mikroorganismer och celler från millimeterskalan ner till submikronskalan, utan kontakt, och med en aldrig tidigare skådad selektivitet och infångningskraft. Den utbredda användningen av tekniken hindras för närvarande av begränsningar av de befintliga systemen som härrör från prestanda, miniatyrisering och oförmåga att tillgodogöra sig i fack. I en färsk studie, Michael Baudoin och kollegor vid Sorbonne University och French National Center for Scientific Research (CNRS), förbättrade potentialen för fokuserade akustiska virvlar genom att utveckla den första lägenheten, kompakt och parad enkel elektrod fokaliserad eller fokuserad 'akustisk pincett'.

Uppfinningen baserade sig på spiralomvandlare som konstruerades genom att vika en sfärisk akustisk virvel på ett platt piezoelektriskt substrat. Baudoin et al. visat förmågan hos dessa akustiska pincetter att gripa och förflytta mikrometriska föremål i en mikrofluidisk miljö med unik selektivitet. Systemet är enkelt och skalbart till högre frekvenser; öppna enorma perspektiv inom mikrobiologi, mikrorobotik och mikroskopi. Resultaten publiceras nu i Vetenskapliga framsteg .

De första rapporterade observationerna av partiell svävning i akustiska vågfält går tillbaka till Boyles och Lehmanns arbete 1925. Exakt och kontaktlös manipulation av fysiska och biologiska föremål i mikrometerskalan ner till nanometerskalan har lovande tillämpningar i det moderna, olika områden inom mikrorobotik, vävnadsteknik och mikro/nanomedicin. Akustiska pincetter är en framstående teknik för att utföra uppgiften eftersom de är icke -invasiva, biokompatibel och etikettfri. De kan också fånga krafter som är flera storleksordningar större än deras optiska motsvarigheter, vid samma manöverkraft. Dock, bara nyligen har forskare samtidigt utvecklat avancerade vågsyntessystem, mikrofluidiska inställningar och teorin om akustiskt strålningstryck, för att låta potentialen för akustofores (rörelse med ljud) utnyttjas.

Fram till nyligen var en majoritet av akustiska pincetter beroende av en enda, eller uppsättning ortogonala stående vågor för att skapa ett nätverk av noder och antinoder för att fånga partiklar. Även om dessa system var mycket effektiva för kollektiv manipulation av partiklar och celler, systemet förhindrade specifik selektivitet. Även om begränsad lokalisering av den akustiska energin kunde uppnås med hjälp av den ursprungliga tekniken för sub-time-of-flight, bara det starka fokuset på vågfält kan möjliggöra specifik selektivitet på nivån för den enskilda partikeln.

Fokuserade akustiska vågor är därför naturliga kandidater för att uppnå denna lokaliseringsnivå men många intressanta partiklar (celler och styva fragment) kan migrera till de stående vågnoderna för att utvisas från vågfokus, motverka forskningsinsatser för att konstruera en selektiv akustisk pincett. Medan en mängd system tidigare föreslogs för att syntetisera akustiska virvlar, förmågan att behålla en 3D-fälla och plocka en specifik partikel oberoende av sina grannar visades först nyligen med hjälp av en stark fokuserad akustisk virvel. Akustiska virvlar som sålunda syntetiseras förlitar sig på givaruppsättningar eller passiva system som är besvärliga och inkompatibla inom mikrosystem (mikrofluidik och mikrochips).

I det nuvarande arbetet, Baudoin et al. utnyttjade därför potentialen hos selektiva akustiska pincetter genom att vika fasen av en fokuserad akustisk virvel på en plan yta. För att åstadkomma detta, de följde principen för Fresnel -linser och syntetiserade akustiska virvlar med enstaka spiralformade interdigiterade elektroder avsatta vid ytan av ett piezoelektriskt substrat. De materialiserade två utrustningsfaslinjer med hjälp av elektroderna för att representera den vikta fasen på två diskreta nivåer. Formen på elektroden liknade en Archimedes-Fermat-spiral, där dess radiella sammandragning tillät vågfokusering utan krav på en krökt givare eller lins, som en stor fördel jämfört med befintliga system. Baudoin et al. kunde också övervinna alla begränsningar för den tidigare demonstrerade cylindriska virvelbaserade pincetten för att för närvarande visa högre selektivitet. I studien, forskarna använde utvecklingen för att:

1. Mät det akustiska fältet med en laserinterferometer och kvantifiera den snabbradiala minskningen av sekundära ringar (ringar med svagare amplitud som kan hindra selektiviteten) i systemet, och
2. Selektivt fånga och flytta en partikel oberoende av sina grannar inom en standardmikrofluidisk miljö, visar att det är praktiskt.

Forskarna utformade det experimentella systemet för att syntetisera fokala virvlar med en frekvens av 4,4 MHz, med spiralformiga metallelektroder som avsattes på ytan av ett Y-36 niobatlitium (LiNbO ₃ ) piezoelektriska substrat. För att driva vibrationerna hos dessa spiralelektroder använde forskarna en vågformsgenerator och en förstärkare för stråkkonvergens under experimentet i en vattenhaltig mikrofluiduppsättning bestående av ett glastäckglas och polydimetylsiloxan (PDMS) kammare. De säkerställde bättre överföring av akustisk energi från glaset till vätskan i den experimentella installationen och använde en Polytec laservibrometer för att mäta det resulterande akustiska fältet vid ytan av glasskyddet.

I den experimentella inställningen, Baudoin et al. använde metalliska elektroder avsatta på ytan av det piezoelektriska substratet för att syntetisera konvergerade Hankel -strålar med ändlig bländare. De upphetsade varje elektrod för att framkalla lokaliserade vibrationer på det piezoelektriska substratet och producera en akustisk virvel i en glasskiva. I denna holografiska metod, de kombinerade flera koncept inom mikroelektronik, inklusive de underliggande fysiska principerna för Fresnel -linser inom optik, specificiteten hos Bessel -stråltopologi och principerna för vågsyntes med interdigitalomvandlare (IDT).

Sfäriska akustiska Besselstrålar är sfäriska virvlar som bildar utmärkta kandidater för att skapa en lokaliserad akustisk fälla. Mekaniskt, dessa akustiska fält kan fokusera den akustiska energin i 3D för att skapa en skuggzon i virvelcentrum omgiven av ett ljust skal för att fånga partiklar. Ungefär som en plan stående våg är en kombination av två motpropagerande resande vågor, en sfärisk Bessel -stråle är resultatet av interferensen mellan en konvergerande och avvikande sfärisk Hankel -stråle.

Som ett resultat, en Bessel -stråle kan experimentellt produceras av en enda Hankel -konvergerande stråle som stör dess divergerande motsvarighet som genereras vid fokus, dvs inom virvelns centrala singularitet. På grund av den piezoelektriska effekten, forskarna kunde koppla de mekaniska vibrationerna i de stora akustiska vågorna till den elektriska potentialen och modellera elektroderna som perfekta trådar (isopotentiella linjer). Med hjälp av de två elektroderna, Baudoin et al. diskretiserade den vikta fasen på två nivåer för att bilda den akustiska pincetten.

Forskarna jämförde det akustiska fältet som uppmätts experimentellt med de numeriska förutsägelserna från vinkelspektrummetoden för att visa utmärkt överensstämmelse mellan båda, för vågfältets intensitet och fas. De jämförde den experimentellt uppmätta och genomsnittliga radiella utvecklingen av ringens intensitet med (1) den radiella utvecklingen av en cylindrisk virvel (röd) och (2) den radiella utvecklingen av en sfärisk virvel (blå). Resultaten visade att eftersom strålningstrycket var proportionellt mot strålintensiteten, selektiviteten förbättrades kraftigt genom axiell fokusering av strålen jämfört med cylindriska virvlar. På det här sättet, forskarna visade 3-D fokalisering av energin som en stor fördel för att selektivt manipulera partiklarna.

För att demonstrera den akustiska pincettens förmåga att plocka en partikel och röra sig oberoende av sina grannar, Baudoin et al. dispergerade monodispersa polystyrenpartiklar med en radie av 75 ± 2 µm inuti mikrofluidkammaren med en höjd av 300 µm. Pincetten valde en specifik partikel av polystyren, där partiklarnas svaga densitet och komprimerbarhet stod i kontrast med den omgivande vätskan. Enligt en tidigare rapport var infångningskraften som utövas på fasta partiklar av en första ordnings Bessel-stråle starkt beroende av kontrasterande densitet och/eller komprimerbarhet; svagare kontrast - svagare infångningskraft. Endast partiklarna fångade i virvelns centrum rörde sig, medan de andra stod stilla. Med hjälp av tekniken, forskarna visade pincettens förmåga att exakt placera en uppsättning av 18 polystyrenpartiklar med en radie på 75 ± 2 µm från slumpmässig fördelning till ett föreskrivet mönster för att stava 'MOV' (Moving Objects with Vortices).

Totalt, Baudoin et al. upphävde befintliga begränsningar av akustiska pincetter som hittills tvingat fram en avvägning mellan selektivitet och miniatyrisering eller integration, förhindra deras tillämpningar inom mikrofluidik och mikrobiologi. De övervann begränsningarna genom (1) akustisk fångst med fokuserade virvlar, (2) holografisk vågsyntes med IDT och (3) integration av principerna för Fresnel -linser inom en enda, kompakt och transparent miniatyriseringsanordning.

Med hjälp av mikrosystemet, forskarna visade kontaktlös manipulation av partiklar inom en standardmikroskopimiljö med toppmodern selektivitet. På grund av teknikens enkelhet och skalbarhet till högre frekvenser, arbetet kan bana väg för individuell manipulation och montering på plats av fysiska och biologiska mikroobjekt.

Den noggranna demonstrationen av verklig 3D-fångst med en progressiv våg kommer att kräva eliminering av alla stående vågor som kan uppstå från vågreflektioner i en begränsad inställning. De praktiska demonstrationerna av 3D-infångningskapacitet hos Archimedes-Fermat-pincetten kommer att presentera ett intressant perspektiv inom mikrorobotik, vävnadsteknik och nanomedicin.

© 2019 Science X Network