Foldning af en akustisk hvirvel på en flad holografisk transducer for at danne miniaturiserede selektive akustiske pincetter

Akustiske pincetter er baseret på fokuserede akustiske hvirvler og lover at præcist manipulere mikroorganismer og celler fra millimeterskalaen ned til submikronskalaen, uden kontakt, og med hidtil uset selektivitet og fangstkraft. Den udbredte anvendelse af teknikken hindres i øjeblikket af begrænsninger i de eksisterende systemer, der stammer fra ydeevne, miniaturisering og manglende evne til at assimilere i rum. I en nylig undersøgelse, Michael Baudoin og kolleger ved Sorbonne University og det franske nationale center for videnskabelig forskning (CNRS), forbedret potentialet for fokuserede akustiske hvirvler ved at udvikle den første lejlighed, kompakt og parret enkelt elektrode fokaliseret eller fokuseret 'akustisk pincet'.

Opfindelsen baserede sig på spiralformede transducere, der blev konstrueret ved at folde en sfærisk akustisk hvirvel på et fladt piezoelektrisk substrat. Baudoin et al. demonstreret disse akustiske pincettes evne til at gribe og fortrænge mikrometriske objekter i et mikrofluidisk miljø med unik selektivitet. Systemet er enkelt og skalerbart til højere frekvenser; åbner enorme perspektiver inden for mikrobiologi, mikrorobotik og mikroskopi. Resultaterne er nu offentliggjort i Videnskab fremskridt .

De første rapporterede observationer af delvis levitation i akustiske bølgefelter går tilbage til Boyle og Lehmanns arbejde i 1925. Præcis og kontaktløs manipulation af fysiske og biologiske objekter i mikrometerskalaen ned til nanometerskalaen har lovende anvendelser i det moderne, forskellige områder inden for mikrorobotik, vævsteknik og mikro/nanomedicin. Akustiske pincetter er en fremtrædende teknologi til at udføre opgaven, da de er ikke -invasive, biokompatibel og mærkefri. De er også i stand til at fange kræfter, der er flere størrelsesordener større end deres optiske modstykker, ved samme aktiveringskraft. Imidlertid, først for nylig har forskere samtidig udviklet avancerede bølgesyntesesystemer, mikrofluidiske opsætninger og teorien om akustisk strålingstryk, at tillade potentialet ved akustoforese (bevægelse med lyd) at blive udnyttet.

Indtil for nylig var et flertal af akustiske pincetter baseret på en enkelt, eller sæt orthogonale stående bølger for at skabe et netværk af noder og antinoder til at fange partikler. Selvom disse systemer var yderst effektive til den kollektive manipulation af partikler og celler, systemet forhindrede specifik selektivitet. Selvom begrænset lokalisering af den akustiske energi kunne opnås ved hjælp af den originale flyvetidsteknik, kun bølgefelternes stærke fokus kunne tillade specifik selektivitet på niveau med den enkelte partikel.

Fokuserede akustiske bølger er derfor naturlige kandidater til at opnå dette lokaliseringsniveau, men mange interessepartikler (celler og stive fragmenter) kan migrere til de stående bølgeknuder for at blive bortvist fra bølgefokus, modvirke forskningsindsatsen for at konstruere en selektiv akustisk pincet. Mens et væld af systemer tidligere blev foreslået til at syntetisere akustiske hvirvler, evnen til at beholde en 3-D fælde og vælge en bestemt partikel uafhængigt af sine naboer blev først for nylig demonstreret ved hjælp af en stærkt fokuseret akustisk hvirvel. Akustiske hvirvler, der således syntetiseres, er afhængige af transducerarrays eller passive systemer, der er besværlige og inkompatible inden for mikrosystemer (mikrofluidik og mikrochips).

I det nuværende arbejde, Baudoin et al. udnyttede derfor potentialet ved selektive akustiske pincetter ved at folde fasen af ​​en fokuseret akustisk hvirvel på en flad overflade. For at opnå dette, de fulgte princippet om Fresnel -linser og syntetiserede akustiske hvirvler med enkelt spiralformede interdigiterede elektroder afsat på overfladen af ​​et piezoelektrisk substrat. De materialiserede to udstyrsfaselinjer ved hjælp af elektroderne til at repræsentere den foldede fase på to diskrete niveauer. Formen på elektroden lignede en Archimedes-Fermat-spiral, hvor dens radiale sammentrækning tillod bølgefokusering uden krav om en buet transducer eller linse, som en stor fordel i forhold til eksisterende systemer. Baudoin et al. var også i stand til at overvinde alle begrænsninger for den tidligere demonstrerede cylindriske vortexbaserede pincet for i øjeblikket at demonstrere højere selektivitet. I undersøgelsen, forskerne brugte udviklingen til at:

1. Mål det akustiske felt med et laserinterferometer og kvantificer det hurtigt radiale fald i sekundære ringe (ringe med svagere amplitude, der kan hæmme selektiviteten) i systemet, og
2. Selektivt fange og flytte en partikel uafhængigt af sine naboer inden for et standard mikrofluidisk miljø, demonstrerer dets praktiske egenskaber.

Forskerne designede det eksperimentelle system til at syntetisere fokalvirvler med en frekvens på 4,4 MHz, med spiralformede metalliske elektroder, der blev afsat på overfladen af ​​et Y-36 niobat lithium (LiNbO ₃ ) piezoelektrisk substrat. For at drive vibrationen af ​​disse spiralelektroder brugte forskerne en bølgeformgenerator og en forstærker til strålekonvergens under forsøget inden for en vandig mikrofluidopsætning bestående af et glasdækglas og polydimethylsiloxan (PDMS) kammer. De sikrede bedre overførsel af akustisk energi fra glasset til væsken i den eksperimentelle opsætning og brugte et Polytec laservibrometer til at måle det resulterende akustiske felt ved overfladen af ​​glasdækslet.

I den eksperimentelle opsætning, Baudoin et al. brugte metalliske elektroder afsat på overfladen af ​​det piezoelektriske substrat til at syntetisere konvergerede Hankel -stråler med endelig blænde. De begejstrede hver elektrode for at fremkalde lokaliserede vibrationer på det piezoelektriske substrat og producere en akustisk hvirvel i bulk inde i et glasglas. I denne holografiske metode, de kombinerede flere begreber inden for mikroelektronik, herunder de underliggende fysiske principper for Fresnel -linser i optik, specificiteten af ​​Bessel -stråletopologi og principperne for bølgesyntese med interdigitale transducere (IDT'er).

Sfæriske akustiske Bessel -bjælker er sfæriske hvirvler, der danner fremragende kandidater til at skabe en lokaliseret akustisk fælde. Mekanisk, disse akustiske felter kan fokusere den akustiske energi i 3D for at skabe en skyggezone i hvirvelcentret omgivet af en lys skal for at fange partikler. Ligesom en plan stående bølge er en kombination af to modpropagerende rejsebølger, en sfærisk Bessel -stråle skyldes interferensen mellem en konvergerende og divergerende sfærisk Hankel -stråle.

Som resultat, en Bessel -stråle kan eksperimentelt fremstilles af en enkelt Hankel -konvergerende stråle, der forstyrrer dens divergerende modstykke, der genereres ved fokus, dvs. inden for hvirvelen central singularitet. På grund af den piezoelektriske effekt, forskerne var i stand til at koble de mekaniske vibrationer i de store akustiske bølger til det elektriske potentiale og modellere elektroderne som perfekte ledninger (isopotentiale linjer). Ved hjælp af de to elektroder, Baudoin et al. diskretiserede den foldede fase på to niveauer for at danne den akustiske pincet.

Forskerne sammenlignede det akustiske felt eksperimentelt målt med de numeriske forudsigelser opnået fra vinkelspektrummetoden for at vise fremragende overensstemmelse mellem begge, for bølgefeltets intensitet og fase. De sammenlignede den eksperimentelt målte og gennemsnitlige radiale udvikling af ringens intensitet med (1) den radiale udvikling af en cylindrisk hvirvel (rød) og (2) den radiale udvikling af en sfærisk hvirvel (blå). Resultaterne viste, at da strålingstrykket var proportional med stråleintensiteten, selektiviteten blev stærkt forstærket ved aksial fokusering af strålen sammenlignet med cylindriske hvirvler. På denne måde, forskerne viste 3-D fokalisering af energien som en stor fordel for selektivt at manipulere partiklerne.

For at demonstrere den akustiske pincets evne til at plukke en partikel og bevæge sig uafhængigt af dens naboer, Baudoin et al. dispergerede monodisperse polystyrenpartikler med en radius på 75 ± 2 µm inde i mikrofluidkammeret med en højde på 300 µm. Pincetten valgte en bestemt partikel lavet af polystyren, hvor partikels svage tæthed og komprimerbarhed stod i kontrast til den omgivende væske. Ifølge en tidligere rapport var fangstkraften, der udøves på faste partikler af en førsteordens Bessel-stråle, stærkt afhængig af den kontrasterende densitet og/eller komprimerbarhed; svagere kontrast - svagere fangstkraft. Kun partiklerne fanget i hvirvelens centrum bevægede sig, mens de andre forblev stille. Ved hjælp af teknikken, forskerne demonstrerede pincettens evne til præcist at placere et sæt af 18 polystyrenpartikler med en radius på 75 ± 2 µm startende fra tilfældig fordeling til et foreskrevet mønster for at stave 'MOV' (Moving Objects with Vortices).

I alt, Baudoin et al. ophævede eksisterende begrænsninger for akustiske pincetter, der hidtil havde tvunget en afvejning mellem selektivitet og miniaturisering eller integration, forhindrer deres anvendelser inden for mikrofluidik og mikrobiologi. De overvandt begrænsningerne gennem (1) akustisk fangst med fokuserede hvirvler, (2) holografisk bølgesyntese med IDT'er og (3) integration af principperne for Fresnel -linser i en enkelt, kompakt og gennemsigtig miniaturiseringsenhed.

Ved hjælp af mikrosystemet, forskerne demonstrerede kontaktløs manipulation af partikler inden for et standardmikroskopimiljø med topmoderne selektivitet. På grund af teknologiens enkelhed og skalerbarhed til højere frekvenser, arbejdet kan bane vej for individuel manipulation og in situ-samling af fysiske og biologiske mikroobjekter.

Den strenge demonstration af ægte 3D-fangst med en progressiv bølge vil kræve fjernelse af eventuelle stående bølger, der kan opstå fra bølgerefleksioner i et begrænset setup. De praktiske demonstrationer af 3D-fangstkapacitet i Archimedes-Fermat pincetten vil præsentere et interessant perspektiv inden for mikrorobotik, vævsteknik og nanomedicin.

© 2019 Science X Network