Akoestische pincetten zijn gebaseerd op gerichte akoestische wervels en zijn veelbelovend voor het nauwkeurig manipuleren van micro-organismen en cellen van de millimeterschaal tot de submicronschaal, zonder contact, en met ongekende selectiviteit en vangkracht. Het wijdverbreide gebruik van de techniek wordt momenteel belemmerd door beperkingen aan de bestaande systemen die voortvloeien uit prestaties, miniaturisatie en het onvermogen om te assimileren in compartimenten. In een recente studie, Michael Baudoin en collega's van de Sorbonne Universiteit en het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (CNRS), verbeterde het potentieel van gerichte akoestische wervels door de eerste vlakke, compacte en gepaarde enkele elektrode gefocaliseerde of gerichte 'akoestische pincet'.

De uitvinding was gebaseerd op spiraalvormige transducers die werden ontworpen door een sferische akoestische vortex op een plat piëzo-elektrisch substraat te vouwen. Boudewijn et al. demonstreerde het vermogen van deze akoestische pincet om micrometrische objecten te grijpen en te verplaatsen in een microfluïdische omgeving met unieke selectiviteit. Het systeem is eenvoudig en schaalbaar naar hogere frequenties; het openen van enorme perspectieven in de microbiologie, microrobotica en microscopie. De resultaten zijn nu gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

De eerste gerapporteerde waarnemingen van gedeeltelijke levitatie in akoestische golfvelden dateren uit het werk van Boyle en Lehmann in 1925. Nauwkeurige en contactloze manipulatie van fysieke en biologische objecten op micrometerschaal tot op nanometerschaal heeft veelbelovende toepassingen in de moderne, diverse gebieden van microrobotica, tissue engineering en micro/nanogeneeskunde. Akoestische pincetten zijn een prominente technologie om de taak te volbrengen omdat ze niet-invasief zijn, biocompatibel en labelvrij. Ze zijn ook in staat om krachten op te vangen die enkele ordes van grootte groter zijn dan hun optische tegenhangers, bij hetzelfde bedieningsvermogen. Echter, pas onlangs hebben wetenschappers gelijktijdig geavanceerde golfsynthesesystemen ontwikkeld, microfluïdische opstellingen en de theorie van akoestische stralingsdruk, om het potentieel van acoustoforese (beweging met geluid) te benutten.

Tot voor kort vertrouwde een meerderheid van de akoestische pincetten op een enkele, of een reeks orthogonale staande golven om een ​​netwerk van knopen en antiknopen te creëren om deeltjes op te vangen. Hoewel deze systemen zeer efficiënt waren voor de collectieve manipulatie van deeltjes en cellen, het systeem verhinderde specifieke selectiviteit. Hoewel een beperkte lokalisatie van de akoestische energie kon worden bereikt met behulp van de originele sub-time-of-flight-techniek, alleen de sterke focus van golfvelden kon specifieke selectiviteit op het niveau van het enkele deeltje mogelijk maken.

Gefocuste akoestische golven zijn daarom natuurlijke kandidaten om dit niveau van lokalisatie te bereiken, maar veel interessante deeltjes (cellen en stijve fragmenten) kunnen migreren naar de staande golfknooppunten om uit de golffocus te worden verdreven. het dwarsbomen van onderzoeksinspanningen op het gebied van engineering van een selectief akoestisch pincet. Hoewel eerder een schat aan systemen werd voorgesteld om akoestische wervels te synthetiseren, het vermogen om een ​​3D-val vast te houden en een specifiek deeltje onafhankelijk van zijn buren te kiezen, werd pas onlangs aangetoond met behulp van een sterk gefocuste akoestische vortex. Zo gesynthetiseerde akoestische wervels zijn afhankelijk van transducerarrays of passieve systemen die omslachtig en onverenigbaar zijn binnen microsystemen (microfluïdica en microchips).

In het huidige werk, Boudewijn et al. daarom het potentieel van selectieve akoestische pincetten benut door de fase van een gerichte akoestische vortex op een plat oppervlak te vouwen. Om dit te bereiken, ze volgden het principe van Fresnel-lenzen en synthetiseerden akoestische wervelingen met enkele spiraalvormige in elkaar grijpende elektroden afgezet op het oppervlak van een piëzo-elektrisch substraat. Ze materialiseerden twee equiphase-lijnen met behulp van de elektroden om de gevouwen fase op twee discrete niveaus weer te geven. De vorm van de elektrode was vergelijkbaar met een Archimedes-Fermat-spiraal, waar de radiale samentrekking golffocussering mogelijk maakte zonder de noodzaak van een gebogen transducer of lens, als een groot voordeel ten opzichte van bestaande systemen. Boudewijn et al. waren ook in staat om alle beperkingen van de eerder gedemonstreerde cilindrische vortex-gebaseerde pincet te overwinnen om momenteel hogere selectiviteit aan te tonen. In de studie, de wetenschappers gebruikten de ontwikkeling om:

1. Meet het akoestische veld met een laserinterferometer en kwantificeer de snelle radiale afname van secundaire ringen (ringen met een zwakkere amplitude die de selectiviteit kunnen belemmeren) in het systeem, en
2. Het selectief vangen en verplaatsen van een deeltje onafhankelijk van zijn buren binnen een standaard microfluïdische omgeving, de bruikbaarheid ervan aantonen.

De wetenschappers ontwierpen het experimentele systeem om focale wervels te synthetiseren met een frequentie van 4,4 MHz, met spiraalvormige metalen elektroden die werden afgezet op het oppervlak van een Y-36 niobaat lithium (LiNbO ₃ ) piëzo-elektrisch substraat. Om de trilling van deze spiraalvormige elektroden aan te sturen, gebruikten de wetenschappers een golfvormgenerator en een versterker voor bundelconvergentie tijdens het experiment in een waterige microfluïdische opstelling bestaande uit een glazen dekglaasje en polydimethylsiloxaan (PDMS) kamer. Ze zorgden in de experimentele opstelling voor een betere overdracht van akoestische energie van het glas naar de vloeistof en gebruikten een Polytec-laservibrometer om het resulterende akoestische veld aan het oppervlak van het glazen dekglaasje te meten.

In de proefopstelling is Boudewijn et al. gebruikte metalen elektroden die op het oppervlak van het piëzo-elektrische substraat waren afgezet om geconvergeerde Hankel-bundels met een eindige opening te synthetiseren. Ze prikkelden elke elektrode om gelokaliseerde trillingen op het piëzo-elektrische substraat te veroorzaken en een bulk akoestische vortex in een glasplaatje te produceren. Bij deze holografische methode ze combineerden verschillende concepten op het gebied van micro-elektronica, inclusief de onderliggende fysieke principes van Fresnel-lenzen in optica, de specificiteit van Bessel-bundeltopologie en de principes van golfsynthese met interdigitale transducers (IDT's).

Sferische akoestische Bessel-bundels zijn sferische wervels die uitstekende kandidaten vormen om een ​​gelokaliseerde akoestische val te creëren. mechanisch, deze akoestische velden kunnen de akoestische energie in 3D concentreren om een ​​schaduwzone te creëren in het centrum van de vortex, omringd door een heldere schil om deeltjes op te vangen. Net zoals een vlakke staande golf een combinatie is van twee zich in tegengestelde richting voortplantende golven, een sferische Bessel-bundel is het gevolg van de interferentie tussen een convergerende en divergerende sferische Hankel-bundel.

Als resultaat, een Bessel-bundel kan experimenteel worden geproduceerd door een enkele Hankel-convergerende bundel die interfereert met zijn divergerende tegenhanger die in de focus wordt gegenereerd, d.w.z. binnen de centrale singulariteit van de vortex. Door het piëzo-elektrische effect, de wetenschappers waren in staat om de mechanische trillingen van de bulk akoestische golven te koppelen aan de elektrische potentiaal en de elektroden te modelleren als perfecte draden (isopotentiaallijnen). Met behulp van de twee elektroden, Boudewijn et al. discretiseerde de gevouwen fase op twee niveaus om het akoestische pincet te vormen.

De wetenschappers vergeleken het experimenteel gemeten akoestische veld met de numerieke voorspellingen verkregen met de hoekspectrummethode om een ​​uitstekende overeenkomst tussen beide aan te tonen, voor de intensiteit en fase van het golfveld. Ze vergeleken de experimenteel gemeten en gemiddelde radiale evolutie van de intensiteit van de ring met (1) de radiale evolutie van een cilindrische vortex (rood) en (2) de radiale evolutie van een sferische vortex (blauw). De resultaten toonden aan dat, aangezien de stralingsdruk evenredig was met de bundelintensiteit, de selectiviteit werd sterk verbeterd door axiale focussering van de bundel in vergelijking met cilindrische wervels. Op deze manier, de wetenschappers toonden 3D-focalisatie van de energie als een groot voordeel om de deeltjes selectief te manipuleren.

Om het vermogen van de akoestische pincet te demonstreren om een ​​deeltje te kiezen en onafhankelijk van zijn buren te bewegen, Boudewijn et al. gedispergeerde monodisperse polystyreendeeltjes met een straal van 75 ± 2 µm in de microfluïdische kamer met een hoogte van 300 µm. Het pincet plukte een specifiek deeltje van polystyreen, waar de zwakke dichtheid en samendrukbaarheid van deeltjes contrasteerde met de omringende vloeistof. Volgens een eerder rapport was de vangkracht die wordt uitgeoefend op vaste deeltjes door een eerste-orde Bessel-bundel sterk afhankelijk van de contrasterende dichtheid en/of samendrukbaarheid; zwakker het contrast - zwakker de vangkracht. Alleen de deeltjes die vastzaten in het midden van de vortex bewogen, terwijl de anderen stil bleven staan. Met behulp van de techniek, de wetenschappers demonstreerden het vermogen van het pincet om een ​​set van 18 polystyreendeeltjes met een straal van 75 ± 2 µm nauwkeurig te positioneren, beginnend bij willekeurige verdeling in een voorgeschreven patroon om 'MOV' (Moving Objects with Vortices) te spellen.

In totaal, Boudewijn et al. bestaande beperkingen van akoestische pincetten opgeheven die tot dusver een afweging hadden gemaakt tussen selectiviteit en miniaturisatie of integratie, het voorkomen van hun toepassingen in microfluïdica en microbiologie. Ze overwonnen de beperkingen door (1) akoestische trapping met gerichte wervels, (2) holografische golfsynthese met IDT's en (3) integratie van de principes van Fresnel-lenzen in een enkele, compact en transparant miniaturisatieapparaat.

Met behulp van het microsysteem, de wetenschappers demonstreerden contactloze manipulatie van deeltjes binnen een standaard microscopie-omgeving met ultramoderne selectiviteit. Door de eenvoud van de technologie en schaalbaarheid naar hogere frequenties, het werk kan de weg vrijmaken voor individuele manipulatie en in situ assemblage van fysieke en biologische micro-objecten.

De rigoureuze demonstratie van echte 3D-trapping met een progressieve golf vereist de eliminatie van staande golven die kunnen optreden door golfreflecties in een beperkte opstelling. De praktische demonstraties van de 3D-vangcapaciteit van het Archimedes-Fermat-pincet zullen een interessant perspectief bieden in microrobotica, weefseltechnologie en nanogeneeskunde.

© 2019 Wetenschap X Netwerk