Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een mogelijke bron van fouten ontdekt bij het gebruik van akoestische golven om de eigenschappen van vloeistoffen zoals bloed te meten. Hun ontdekking verhoogt de mogelijkheid van nauwkeurigere diagnostische tests voor bepaalde soorten bloedkanker en een nauwkeurigere sortering van bloedcellen.

Alle akoestische golven, inclusief ultrageluid, creëren gebieden met afwisselende hoge en lage druk in een medium zoals lucht, water en andere vloeistoffen zoals bloed. Onderzoekers gebruiken ze vaak om de eigenschappen te bestuderen van kleine hoeveelheden 'microvloeistoffen', die beperkt zijn tot vaten die niet breder zijn dan de dikte van een creditcard.

Om de eigenschappen van een microfluïde bloedmonster te meten, gebruiken onderzoekers ultrasone golven met een bekende frequentie en energie, die net onder de bodem van het vat worden gegenereerd door een piëzo-elektrisch kristal, een materiaal dat de stroom van elektriciteit kan omzetten in akoestische golven. De golven die de vloeistof binnendringen, rijden meestal langs het bodemoppervlak, tussen de vloeistof en de wand. Nadat de golven de vloeistof verlaten, detecteren wetenschappers enig verlies van energie of verschuiving in frequentie van de golven. Deze metingen kunnen eigenschappen onthullen die cruciaal zijn voor het meten van de bloedstroom, die bij sommige patiënten met bloedkanker gevaarlijk traag kan zijn. Akoestische golven kunnen ook cellen in volbloed sorteren.

Biomedische onderzoekers en oncologen hebben een bijzondere interesse in het meten van de viscositeit van een microvloeistof. Soms aangeduid als de dikte van een vloeistof, wordt viscositeit nauwkeuriger gedefinieerd als een maat voor de weerstand van een vloeistof tegen afschuiving. Melasse is bijvoorbeeld veel beter bestand tegen afschuiving dan water en is ongeveer 5.000 keer viskeuzer, wat het langzame gietgedrag verklaart.

Mensen met bepaalde soorten bloedkanker, waaronder multipel myeloom, leukemie en de macroglobulinemie van Waldenström, kunnen bloedplasma hebben dat zo stroperig is dat het de bloedcirculatie door het lichaam kan verstoren. Om deze aandoening, bekend als hyperviscositeitssyndroom, te beoordelen, vertrouwen artsen op een verscheidenheid aan metingen, zoals de viscositeit van volbloed en bloedserum.

Voor akoestische metingen van deze eigenschappen ontdekte het NIST-onderzoeksteam dat er rekening moet worden gehouden met een vaak genegeerde eigenschap die bekend staat als slip om hun nauwkeurigheid te garanderen. Slip verwijst naar de beweging van de microvloeistof terwijl deze tegen de massieve wanden van de houder glijdt. De slip in een microvloeistof, vonden de onderzoekers, is vergelijkbaar met die waargenomen in een bekende feesttruc, wanneer iemand aan een tafelkleed trekt en de borden en het bestek achterlaat. (Zonder slip zou het servies met het tafelkleed naar beneden vallen.)

Een microfluïdum ervaart slip simpelweg door de vloeistofstroom tegen de wand van zijn container. Maar wanneer akoestische golven de microvloeistof binnendringen, introduceren ze een tweede type slip. De periodieke beweging van de akoestische golven - de cyclus van toppen en dalen - zorgt ervoor dat het oppervlak van de microvloeistof die zich het dichtst bij de golfbron bevindt, enigszins heen en weer beweegt tegen de wand van de container. Deze zijwaartse beweging is inderdaad klein - de beweging bedraagt ​​niet meer dan ongeveer 15 moleculen lang.

In een reeks experimenten ontdekte Aurore Quelennec (nu bij Teledyne Technologies in Canada), samen met NIST-wetenschappers Jason Gorman en Darwin Reyes, dat de aanwezigheid van deze akoestische slip verhindert dat microvloeistoffen zoveel energie van akoestische golven absorberen als ze anders zouden doen. De studie van het team sloot verschillende andere factoren uit, zoals oppervlaktespanning en ruwheid van de containerwanden, die mogelijk ook de hoeveelheid akoestische energie die door de microvloeistof wordt geabsorbeerd, hebben verminderd, merkte Reyes op.

"Uitglijden alleen als gevolg van vloeistofstroom is goed begrepen", zei Gorman. "Aangezien er echter veel nieuwe klassen van akoestisch-fluïdische apparaten opduiken in biowetenschappelijke toepassingen, zoals celsortering, lysis (het afbreken van het celmembraan) en het meten van vloeistofeigenschappen, wordt akoestische slip steeds belangrijker om te karakteriseren", zegt Gorman. zei.

De onderzoekers waren verrast toen ze ontdekten dat de akoestische slip tussen de vloeistof en de containerwand lijkt op die van een vaste stof die tegen een andere wrijft, die wordt bepaald door de wrijvingswetten van Amontons-Coulomb. De gelijkenis is belangrijk omdat het onderzoekers in staat zal stellen akoestische slip te modelleren op basis van een bekender en beter bestudeerd fenomeen.

Als akoestische slip bij het vloeistof-vaste stof grensvlak wordt genegeerd, zou de verandering in de absorptie van de akoestische golven volledig worden toegeschreven aan de fysieke eigenschappen van de microvloeistof waar ze doorheen reisden. Hoewel de onderzoekers niet hebben onderzocht hoe hun bevindingen zouden kunnen uitpakken in akoestische studies van bloed of ander biologisch materiaal, kan akoestische slip leiden tot een minder nauwkeurige meting van de viscositeit.

Vloeistofslip kan ook van invloed zijn op het vermogen van akoestische golven om cellen in een klein monster volbloed te sorteren. Bij deze techniek worden de golven gebruikt om cellen in het bloed te duwen. Voor een bepaalde energie en intensiteit van de akoestische golven zullen verschillende soorten bloedcellen met verschillende hoeveelheden worden geduwd, afhankelijk van hun grootte en andere fysieke en mechanische eigenschappen, wat resulteert in een scheiding. Maar omdat slip de overdracht van energie en druk vermindert, gaat de kwaliteit van het sorteerproces achteruit.

"Als de ware rol van slip wordt erkend en verantwoord, zal het akoestische metingen in microvloeistoffen mogelijk maken om de hoogst mogelijke nauwkeurigheid te bereiken en toekomstige metingen in de biologie en geneeskunde vooruit te helpen," zei Reyes.

De onderzoekers rapporteerden hun bevindingen online in het 22 maart nummer van Nature Communications . + Verder verkennen

Onderzoekers tonen aan dat elastische golven van kurkentrekker een goed gedefinieerd orbitaal impulsmoment hebben

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.