Pinzas acústicas - Acoustic tweezers

Las pinzas acústicas se utilizan para manipular la posición y el movimiento de objetos muy pequeños con ondas sonoras . Estrictamente hablando, solo una configuración basada en un solo haz puede llamarse pinzas acústicas. Sin embargo, el concepto amplio de pinzas acústicas implica dos configuraciones de haces: un solo haz y ondas estacionarias. La tecnología funciona controlando la posición de los nodos de presión acústica que atraen objetos a ubicaciones específicas de un campo acústico permanente. El objeto objetivo debe ser considerablemente más pequeño que la longitud de onda del sonido utilizado, y la tecnología se utiliza normalmente para manipular partículas microscópicas.

Se ha demostrado que las ondas acústicas son seguras para los objetos biológicos , lo que las hace ideales para aplicaciones biomédicas . Recientemente, se han encontrado aplicaciones para pinzas acústicas en la manipulación de objetos submilimétricos, como citometría de flujo , separación celular, atrapamiento celular, manipulación unicelular y manipulación de nanomateriales. El uso de ondas estacionarias unidimensionales para manipular partículas pequeñas se informó por primera vez en el artículo de investigación de 1982 "Inspección ultrasónica de suspensiones de fibra".

Método

En un campo acústico permanente , los objetos experimentan una fuerza de radiación acústica que los mueve a regiones específicas del campo. Dependiendo de las propiedades de un objeto, como la densidad y la compresibilidad , se puede inducir a que se mueva a nodos de presión acústica (regiones de presión mínima) o antinodos de presión (regiones de presión máxima). Como resultado, al controlar la posición de estos nodos, es factible el movimiento preciso de los objetos mediante ondas sonoras. Las pinzas acústicas no requieren equipos costosos ni configuraciones experimentales complejas.

Teoría fundamental

Las partículas en un campo acústico pueden moverse por fuerzas que se originan en la interacción entre las ondas acústicas, el fluido y las partículas. Estas fuerzas (incluida la fuerza de radiación acústica, la fuerza del campo secundario entre partículas y la fuerza de arrastre de Stokes ) crean el fenómeno de la acútoforesis , que es la base de la tecnología de pinzas acústicas.

Fuerza de radiación acústica

Cuando una partícula está suspendida en el campo de una onda de sonido, se ejerce sobre la partícula una fuerza de radiación acústica que se ha elevado a partir de la dispersión de las ondas acústicas. Esto fue modelado y analizado por primera vez en busca de partículas incompresibles en un fluido ideal por Louis King en 1934. Yosioka y Kawasima calcularon la fuerza de radiación acústica sobre partículas comprimibles en un campo de ondas planas en 1955. Gorkov resumió el trabajo anterior y propuso ecuaciones para determinar el promedio fuerza que actúa sobre una partícula en un campo acústico arbitrario cuando su tamaño es mucho menor que la longitud de onda del sonido. Recientemente, Bruus revisó el problema y dio una derivación detallada de la fuerza de radiación acústica.

Como se muestra en la Figura 1, la fuerza de radiación acústica sobre una partícula pequeña resulta de un flujo no uniforme de impulso en la región de campo cercano alrededor de la partícula , que es causado por las ondas acústicas entrantes y la dispersión en la superficie del partícula cuando las ondas acústicas se propagan a través de ella. Para una partícula esférica compresible con un diámetro mucho menor que la longitud de onda de las ondas acústicas en un fluido ideal, la fuerza de radiación acústica se puede calcular mediante , donde es una cantidad dada, también llamada energía potencial acústica. La energía potencial acústica se expresa como: ${\ Displaystyle \ mathbf {\ mathit {F ^ {rad}}} = - \ nabla {\ mathit {U}}}$${\ Displaystyle \ mathbf {\ mathit {F ^ {rad}}} = - \ nabla {\ mathit {U}}}$${\ Displaystyle {\ mathit {U}}}$

${\ Displaystyle U = {V_ {0}} ({{\ overline {p_ {in} ^ {2}}} \ over {2 {\ rho _ {f}} c_ {f} ^ {2}}} { f_ {1}} - {{3 {\ rho _ {f}} {\ overline {v_ {in} ^ {2}}}} \ over 4} {f_ {2}})}$

dónde

• ${\ displaystyle {\ mathit {V _ {\ mathit {0}}}}}$ es el volumen de la partícula,
• ${\ Displaystyle {\ mathit {p _ {\ mathit {in}}}}}$ es la presión acústica,
• ${\ Displaystyle {\ mathit {v _ {\ mathit {en}}}}}$ es la velocidad de las partículas acústicas,
• ${\ Displaystyle {\ mathit {\ rho}} _ {\ mathit {f}}}$ es la densidad de masa del fluido,
• ${\ Displaystyle {\ mathit {c _ {\ mathit {f}}}}}$ es la velocidad del sonido del fluido,
• ${\ Displaystyle {\ overline {<*>}}}$ es el término promedio de tiempo, ${\ Displaystyle {1 \ over T} \ int \ limits _ {0} ^ {T} {(*)} dt}$

Los coeficientes y se pueden calcular mediante y${\ Displaystyle {\ mathit {f _ {\ mathit {1}}}}}$${\ Displaystyle {\ mathit {f _ {\ mathit {2}}}}}$${\ Displaystyle {f_ {1}} = 1 - {{{\ rho _ {f}} c_ {f} ^ {2}} \ over {{\ rho _ {p}} c_ {p} ^ {2} }}}$${\ Displaystyle {f_ {2}} = {{2 ({\ rho _ {p}} - {\ rho _ {f}})} \ over {2 {\ rho _ {p}} + {\ rho _ {F}}}}}$

dónde

• ${\ Displaystyle {\ mathit {\ rho}} _ {\ mathit {p}}}$ es la densidad de masa de la partícula,
• ${\ Displaystyle {\ mathit {c}} _ {\ mathit {p}}}$ es la velocidad del sonido de la partícula.

Fuerza de radiación acústica en ondas estacionarias

Las ondas estacionarias pueden formar un campo de energía potencial acústico estable, por lo que pueden crear una distribución estable de la fuerza de radiación acústica, lo que es deseable para muchas aplicaciones de pinzas acústicas. Para ondas estacionarias planas unidimensionales, los campos acústicos vienen dados por:

${\ Displaystyle {A_ {in}} (x, t) = {{- P_ {0}} \ over {{\ rho _ {f}} \ omega}} \ sin (kx) \ sin (\ omega t) }$,

${\ Displaystyle {p_ {in}} (x, t) = {P_ {0}} \ cos (kx) \ sin (\ omega t)}$,

${\ displaystyle {\ textbf {v}} _ {\ textbf {in}} (x, t) = {\ frac {-P_ {0}} {\ rho _ {f} c_ {f}}} \ sin ( kx) \ cos (\ omega t)) {\ textbf {e}} _ {\ textbf {x}}}$,

dónde

• ${\ Displaystyle {\ mathit {A _ {\ mathit {en}}}}}$ es el desplazamiento de la partícula acústica,
• ${\ Displaystyle {\ mathit {P _ {\ mathit {0}}}}}$ es la amplitud de la presión acústica,
• ${\ displaystyle {\ mathit {\ omega}}}$ es la velocidad angular,
• ${\ Displaystyle {\ mathit {k}}}$ es el número de oleada.

Con estos campos se pueden obtener los términos promedio de tiempo. Estos son:

${\ Displaystyle {\ overline {p_ {in} ^ {2}}} = {1 \ over 2} P_ {0} ^ {2} {\ cos ^ {2}} (kx)}$,

${\ displaystyle {\ overline {v_ {in} ^ {2}}} = {{P_ {0} ^ {2}} \ over {2 \ rho _ {f} ^ {2} c_ {f} ^ {2 }}} {\ sin ^ {2}} (kx)}$,

Por tanto, la energía potencial acústica es:

${\ Displaystyle U = {V_ {0}} {{P_ {0} ^ {2}} \ over {4 {\ rho _ {f}} c_ {f} ^ {2}}} [{\ cos ^ { 2}} (kx) {f_ {1}} - {3 \ over 2} {\ sin ^ {2}} (kx) {f_ {2}}]}$,

Entonces, la fuerza de radiación acústica se encuentra por diferenciación:

${\ Displaystyle {F_ {x}} ^ {rad} = - {\ partial _ {x}} U = {V_ {0}} k {E_ {ac}} \ sin (2kx) \ Phi}$,

${\ Displaystyle {E_ {ac}} = {{P_ {0} ^ {2}} \ over {4 {\ rho _ {f}} c_ {f} ^ {2}}}}$, , ${\ Displaystyle \ Phi = {f_ {1}} + {3 \ over 2} {f_ {2}} = {{5 {\ rho _ {p}} - 2 {\ rho _ {f}}} \ over {2 {\ rho _ {p}} + {\ rho _ {f}}}} - {{{\ rho _ {f}} c_ {f} ^ {2}} \ over {{\ rho _ {p }} c_ {p} ^ {2}}}}$

dónde

• ${\ Displaystyle {\ mathit {E _ {\ mathit {ac}}}}}$ es la densidad de energía acústica, y
• ${\ Displaystyle \ Phi}$es el factor de contraste acústoforético .

El término muestra que el período de la fuerza de radiación es la mitad del período de presión. Además, el factor de contraste puede ser positivo o negativo según las propiedades de las partículas y el fluido. Para un valor positivo de , la fuerza de radiación apunta desde los antinodos de presión a los nodos de presión, como se muestra en la Figura 2, y las partículas serán empujadas a los nodos de presión. ${\ Displaystyle \ sin ({\ mathit {2kx}})}$${\ Displaystyle \ Phi}$

Fuerzas acústicas secundarias

Cuando varias partículas en una suspensión se exponen a un campo de ondas estacionarias, no solo experimentarán la fuerza de radiación acústica, sino también las fuerzas acústicas secundarias causadas por las ondas dispersadas por otras partículas. Las fuerzas entre partículas a veces se denominan fuerzas de Bjerknes . Una ecuación simplificada para las fuerzas entre partículas de partículas idénticas es:

${\ Displaystyle {F_ {B}} (x) = 4 \ pi {a ^ {6}} [{{{{({\ rho _ {p}} - {\ rho _ {f}})} ^ { 2}} (3 {{\ cos} ^ {2}} \ theta -1)} \ over {6 {\ rho _ {f}} {d ^ {4}}}} {v_ {in}} ^ { 2} (x) - {{\ omega ^ {2} {\ rho _ {f}}} \ over {9 {d ^ {2}}}} {({1 \ over {{\ rho _ {p} } c_ {p} ^ {2}}} - {1 \ over {{\ rho _ {f}} c_ {f} ^ {2}}}) ^ {2}} p_ {in} ^ {2} ( X)]}$

dónde

• ${\ Displaystyle {\ mathit {a}}}$ es el radio de la partícula,
• ${\ Displaystyle {\ mathit {d}}}$ es la distancia entre las partículas,
• ${\ Displaystyle {\ mathit {\ theta}}}$ es el ángulo entre la línea central de las partículas y la dirección de propagación de la onda acústica incidente.

El signo de la fuerza representa su dirección: un signo negativo para una fuerza atractiva y un signo positivo para una fuerza repulsiva. El lado izquierdo de la ecuación depende de la amplitud de la velocidad de la partícula acústica y el lado derecho depende de la amplitud de la presión acústica . El término dependiente de la velocidad es repulsivo cuando las partículas están alineadas con la propagación de la onda (Θ = 0 °) y negativo cuando es perpendicular a la propagación de la onda (Θ = 90 °). El término dependiente de la presión no se ve afectado por la orientación de las partículas y siempre es atractivo. En el caso de un factor de contraste positivo, el término dependiente de la velocidad disminuye a medida que las partículas se dirigen al nodo de velocidad (antinodo de presión), como en el caso de las burbujas de aire y las vesículas lipídicas. De manera similar, el término dependiente de la presión disminuye a medida que las partículas son impulsadas hacia el nodo de presión (antinodo de velocidad), al igual que la mayoría de las partículas sólidas en soluciones acuosas. ${\ displaystyle {\ mathit {v}} _ {\ mathit {in}} ({\ mathit {x}})}$${\ displaystyle {\ mathit {p}} _ {\ mathit {in}} ({\ mathit {x}})}$

La influencia de las fuerzas secundarias suele ser muy débil y solo tiene efecto cuando la distancia entre partículas es muy pequeña. Se vuelve importante en aplicaciones de agregación y sedimentación, donde las partículas son inicialmente reunidas en nodos por la fuerza de la radiación acústica. A medida que las distancias entre partículas se hacen más pequeñas, las fuerzas secundarias ayudan a una mayor agregación hasta que los grupos se vuelven lo suficientemente pesados ​​como para que comience la sedimentación.

Streaming acústico

La transmisión acústica es un flujo constante generado por un efecto no lineal en un campo acústico. Dependiendo de los mecanismos, la transmisión acústica se puede clasificar en dos tipos generales, transmisión Eckert y transmisión Rayleigh. La transmisión de Eckert es impulsada por un flujo de impulso promedio en el tiempo creado cuando las ondas acústicas de alta amplitud se propagan y atenúan en el fluido. El flujo de Rayleigh, también llamado "flujo impulsado por límites", es forzado por una viscosidad de cizallamiento cercana a un límite sólido. Ambos mecanismos impulsados ​​provienen de un efecto no lineal promedio en el tiempo.

Se utiliza un enfoque de perturbación para analizar el fenómeno de la transmisión acústica no lineal. Las ecuaciones que gobiernan este problema son la conservación de masas y las ecuaciones de Navier-Stokes :

${\ Displaystyle \ parcial _ {\ mathit {t}} {\ mathit {\ rho}} = - \ nabla \ cdot ({\ mathit {\ rho}} {\ textbf {v}})}$,

${\ Displaystyle {\ mathit {\ rho}} [\ parcial _ {\ mathit {t}} {\ textbf {v}} + ({\ textbf {v}} \ cdot \ nabla) {\ textbf {v}} ] = - \ nabla {\ mathit {p}} + {\ mathit {\ mu}} \ nabla ^ {2} {\ textbf {v}} + {\ mathit {\ beta}} {\ mathit {\ mu} } \ nabla (\ nabla \ cdot {\ textbf {v}}))}$

dónde

• ${\ Displaystyle {\ mathit {\ rho}}}$ es la densidad del fluido,
• ${\ Displaystyle {\ textbf {v}}}$ es la velocidad de la partícula de fluido,
• ${\ Displaystyle {\ mathit {p}}}$ es la presión,
• ${\ Displaystyle {\ mathit {\ mu}}}$ es la viscosidad dinámica del fluido,
• ${\ displaystyle {\ mathit {\ beta}}}$ es la relación de viscosidad.

La serie de perturbaciones se puede escribir como , , , que están disminuyendo serie con los términos de orden superior mucho más pequeñas que las de orden inferior. ${\ Displaystyle p = {p_ {0}} + {p_ {1}} + {p_ {2}}}$${\ displaystyle {\ textbf {v}} = {\ textbf {0}} + {\ textbf {v}} _ {\ textbf {1}} + {\ textbf {v}} _ {\ textbf {2}} }$${\ displaystyle {\ mathit {\ rho}} = {\ mathit {\ rho}} _ {0} + {\ mathit {\ rho}} _ {1} + {\ mathit {\ rho}} _ {2} }$

El líquido está inactivo y homogéneo en su estado de orden cero. Sustituyendo la serie de perturbaciones en la conservación de masa y la ecuación de Navier-Stokes y usando la relación de , las ecuaciones de primer orden pueden obtenerse recolectando términos en primer orden, ${\ Displaystyle {p_ {1}} = c_ {f} ^ {2} {\ rho _ {1}}}$

${\displaystyle \partial _{\mathit {t}}{\mathit {p}}_{1}=-{\mathit {\rho }}_{0}{\mathit {c}}_{\mathit {f}}^{2}\nabla \cdot {\textbf {v}}_{\textbf {1}}}$,

${\displaystyle {\mathit {\rho }}_{0}\partial _{\mathit {t}}{\textbf {v}}_{\textbf {1}}=-\nabla {\mathit {p}}_{1}+{\mathit {\mu }}\nabla ^{2}{\textbf {v}}_{\textbf {1}}+{\mathit {\beta }}{\mathit {\mu }}\nabla (\nabla \cdot {\textbf {v}}_{\textbf {1}})}$.

De manera similar, las ecuaciones de segundo orden también se pueden encontrar,

${\displaystyle \partial _{\mathit {t}}{\mathit {\rho }}_{2}=-{\mathit {\rho }}_{0}\nabla \cdot {\textbf {v}}_{\textbf {2}}-\nabla \cdot ({\mathit {\rho }}_{1}{\textbf {v}}_{\textbf {1}})}$,

${\displaystyle {\mathit {\rho }}_{0}\partial _{\mathit {t}}{\textbf {v}}_{\textbf {2}}=-\nabla {\mathit {p}}_{2}+{\mathit {\mu }}\nabla ^{2}{\textbf {v}}_{\textbf {2}}+{\mathit {\beta }}{\mathit {\mu }}\nabla (\nabla \cdot {\textbf {v}}_{\textbf {2}})-{\mathit {\rho }}_{1}\partial _{t}{\textbf {v}}_{\textbf {1}}-{\mathit {\rho }}_{0}({\textbf {v}}_{\textbf {1}}\cdot \nabla ){\textbf {v}}_{\textbf {1}}}$.

Para las ecuaciones de primer orden, tomando la derivación temporal de la ecuación de Navier-Stokes e insertando la conservación de masa, se puede encontrar una ecuación combinada:

${\ Displaystyle {1 \ over {c_ {f} ^ {2}}} \ parcial _ {t} ^ {2} {p_ {1}} = [1 - {{(1- \ beta) \ mu} \ sobre {{\ rho _ {0}} c_ {f} ^ {2}}} {\ partial _ {t}}] {\ nabla ^ {2}} {p_ {1}}}$.

Ésta es una ecuación de onda acústica con atenuación viscosa. Físicamente, y se puede interpretar como la presión acústica y la velocidad de la partícula acústica. ${\ Displaystyle {\ mathit {p}} _ {1}}$${\ displaystyle {\ textbf {v}} _ {\ textbf {1}}}$

Las ecuaciones de segundo orden pueden considerarse como ecuaciones de gobierno que se utilizan para describir el movimiento de un fluido con fuente de masa y fuente de fuerza . Generalmente, la transmisión acústica es un flujo medio constante, donde la escala de tiempo de respuesta es mucho menor que la de la vibración acústica. El término de promedio de tiempo se usa normalmente para presentar la transmisión acústica. Al usar , se pueden obtener las ecuaciones de segundo orden de promedio de tiempo: ${\ Displaystyle [- \ nabla \ cdot ({\ mathit {\ rho}} _ {1} {\ textbf {v}} _ {\ textbf {1}}))]}$${\ Displaystyle [- \ rho _ {1} \ partial _ {t} {\ textbf {v}} _ {\ textbf {1}} - \ rho _ {0} ({\ textbf {v}} _ {\ textbf {1}} \ cdot \ nabla) {\ textbf {v}} _ {\ textbf {1}}]}$${\ Displaystyle {\ overline {{\ textbf {v}} _ {\ textbf {2}}}}}$${\ Displaystyle {\ overline {\ partial _ {\ mathit {t}} {\ mathit {\ rho}} _ {2}}} = 0}$

${\displaystyle {\mathit {\rho }}_{0}\nabla \cdot {\overline {{\textbf {v}}_{\textbf {2}}}}=-\nabla \cdot {\overline {({\mathit {\rho }}_{1}{\textbf {v}}_{\textbf {1}})}}}$,

${\displaystyle {\mathit {\mu }}\nabla ^{2}{\overline {{\textbf {v}}_{\textbf {2}}}}+{\mathit {\beta }}{\mathit {\mu }}\nabla (\nabla \cdot {\overline {{\textbf {v}}_{\textbf {2}}}})-{\overline {\nabla {\mathit {p}}_{2}}}={\overline {{\mathit {\rho }}_{1}\partial _{\mathit {t}}{\textbf {v}}_{\textbf {1}}}}-{\mathit {\rho }}_{0}{\overline {({\textbf {v}}_{\textbf {1}}\cdot \nabla ){\textbf {v}}_{\textbf {1}}}}}$.

Al determinar la transmisión acústica, las ecuaciones de primer orden son las más importantes. Dado que las ecuaciones de Navier-Stokes solo se pueden resolver analíticamente para casos simples, generalmente se utilizan métodos numéricos , siendo el método de elementos finitos (FEM) la técnica más común. Puede emplearse para simular los fenómenos de transmisión acústica. La Figura 3 es un ejemplo de transmisión acústica alrededor de un pilar circular sólido, que se calcula mediante FEM.

Como se mencionó, la transmisión acústica es impulsada por fuentes de masa y fuerza que se originan en la atenuación acústica. Sin embargo, estas no son las únicas fuerzas impulsadas por la transmisión acústica. La vibración de límite también puede contribuir, especialmente a la "transmisión impulsada por límites". Para estos casos, la condición de frontera también debe procesarse mediante el enfoque de perturbación e imponerse en las ecuaciones de dos órdenes en consecuencia.

Movimiento de partículas

El movimiento de una partícula suspendida cuya gravedad está equilibrada por la fuerza de flotación en un campo acústico está determinado por dos fuerzas: la fuerza de radiación acústica y la fuerza de arrastre de Stokes . Al aplicar la ley de Newton, el movimiento se puede describir como:

${\displaystyle {\mathit {m}}{\frac {d{\textit {u}}}{\mathit {dt}}}={\textit {F}}^{\textit {rad}}+{\textit {F}}^{\textit {drag}}}$,

${\displaystyle {\textit {F}}^{\textit {drag}}=6\pi {\mathit {a}}{\mathit {\mu }}({\textit {v}}-{\textit {u}})}$.

dónde

• ${\ Displaystyle {\ textit {v}}}$ es la velocidad del fluido,
• ${\ Displaystyle {\ textit {u}}}$ es la velocidad de la partícula.

Para aplicaciones en un flujo estático, la velocidad del fluido proviene de la transmisión acústica. La magnitud de la transmisión acústica depende de la potencia y frecuencia de la entrada y de las propiedades del medio fluido. Para microdispositivos típicos de base acústica, la frecuencia de funcionamiento puede ser desde el rango de kHz hasta el de MHz . La amplitud de vibración está en un rango de 0,1 nm a 1 μm. Suponiendo que el fluido utilizado es agua, la magnitud estimada de la transmisión acústica está en el rango de 1 μm / sa 1 mm / s. Por lo tanto, la transmisión acústica debe ser menor que el flujo principal para la mayoría de las aplicaciones de flujo continuo. La fuerza de arrastre es inducida principalmente por el flujo principal en esas aplicaciones.

Aplicaciones

Separación celular

Teóricamente, las células con diferentes densidades y resistencias a la compresión se pueden separar con fuerza acústica. Se ha sugerido que se podrían usar pinzas acústicas para separar las partículas de lípidos de los glóbulos rojos . Este es un problema durante la cirugía cardíaca con el apoyo de una máquina cardiopulmonar, para la cual las tecnologías actuales son insuficientes. Según la propuesta, la fuerza acústica aplicada al plasma sanguíneo que pasa a través de un canal hará que los glóbulos rojos se junten en el nodo de presión en el centro y las partículas lipídicas se junten en antinodos a los lados (ver Figura 4). Al final del canal, las células y partículas separadas salen por salidas separadas.

El método acústico también podría usarse para separar partículas de diferentes tamaños. De acuerdo con la ecuación de la fuerza de radiación acústica primaria, las partículas más grandes experimentan fuerzas más grandes que las partículas más pequeñas. Shi y col. reportaron el uso de transductores interdigitales (IDT) para generar un campo de ondas acústicas de superficie estacionaria (SSAW) con nodos de presión en el medio de un canal de microfluidos, separando micropartículas con diferentes diámetros. Al introducir una mezcla de partículas de diferentes tamaños desde el borde del canal, las partículas más grandes migrarán hacia el centro más rápidamente y se recogerán en la salida central. Las partículas más pequeñas no podrán migrar a la salida central antes de que se recojan de las salidas laterales. Esta configuración experimental también se ha utilizado para separar componentes sanguíneos, bacterias y partículas de hidrogel.

Enfoque de celda 3D

Los clasificadores de células activados por fluorescencia (FACS) pueden clasificar las células enfocando una corriente de fluido que contiene las células, detectando la fluorescencia de las células individuales y separando las células de interés de otras células. Tienen un alto rendimiento, pero son costosos de comprar y mantener, y son voluminosos con una configuración compleja. También afectan la fisiología celular con alta presión de cizallamiento, fuerzas de impacto y fuerzas electromagnéticas, que pueden resultar en daño celular y genético. Las fuerzas acústicas no son peligrosas para las células, y se ha avanzado en la integración de pinzas acústicas con módulos ópticos / eléctricos para el análisis y clasificación simultánea de células, en una máquina más pequeña y menos costosa.

Se han desarrollado pinzas acústicas para lograr el enfoque 3D de células / partículas en microfluidos. Un par de transductores interdigitales (IDT) se depositan sobre un sustrato piezoeléctrico y un canal de microfluidos se une al sustrato y se coloca entre los dos IDT. Las soluciones de micropartículas se infunden en el canal de microfluidos mediante un flujo impulsado por presión. Una vez que se aplica una señal de RF a ambos IDT, dos series de ondas acústicas de superficie (SAW) se propagan en direcciones opuestas hacia la solución de suspensión de partículas dentro del microcanal. La interferencia constructiva de los dos SAW da como resultado la formación de un SSAW. En el interior del canal se generan ondas de fuga en modo longitudinal que provocan fluctuaciones de presión que actúan lateralmente sobre las partículas. Como resultado, las partículas suspendidas dentro del canal serán forzadas hacia los nodos de presión o antinodos, dependiendo de la densidad y compresibilidad de las partículas y el medio. Cuando el ancho del canal cubre solo un nodo de presión (o antinodo), las partículas se enfocarán en ese nodo.

Además de enfocar en una dirección horizontal, las células / partículas también se pueden enfocar en la dirección vertical. Una vez que SSAW está activado, las partículas distribuidas aleatoriamente se enfocan en un solo flujo de archivo (Fig. 10c) en la dirección vertical. Al integrar un microdispositivo basado en ondas acústicas de superficie estacionaria (SSAW) capaz de enfocar partículas / células 3D con un sistema de detección de fluorescencia inducida por láser (LIF), las pinzas acústicas se desarrollan en un citómetro de microflujos para análisis de células individuales de alto rendimiento.

La capacidad de sintonización que ofrecen los transductores interdigitales con chirrido lo hace capaz de clasificar con precisión las células en un número (por ejemplo, cinco) de canales de salida en un solo paso. Esta es una gran ventaja sobre la mayoría de los métodos de clasificación existentes, que normalmente solo clasifican las celdas en dos canales de salida.

Atrapamiento y modelado de células no invasivas

Un reflector de vidrio con canales fluídicos grabados se sujeta al PCB que sostiene el transductor. Las células infundidas en el chip quedan atrapadas en la onda estacionaria ultrasónica formada en el canal. Las fuerzas acústicas concentran las células en grupos en el centro del canal, como se ilustra en el recuadro. Dado que el atrapamiento ocurre cerca de la superficie del transductor, los sitios de atrapamiento reales vienen dados por la distribución de presión de campo cercano como se muestra en la imagen 3D. Las células quedarán atrapadas en grupos alrededor de los mínimos de presión local creando diferentes patrones según la cantidad de células atrapadas. Los picos en el gráfico corresponden a los mínimos de presión.

Manipulación de una sola célula, partícula u organismo

La manipulación de células individuales es importante para muchos estudios biológicos, como el control del microambiente celular y el aislamiento de células específicas de interés. Se ha demostrado que las pinzas acústicas manipulan cada celda individual con una resolución de nivel micrométrico. Las células generalmente tienen un diámetro de 10 a 20 μm. Para cumplir con los requisitos de resolución de la manipulación de celdas individuales, deben emplearse ondas acústicas de longitud de onda corta. En este caso, se prefiere una onda acústica de superficie (SAW) a una onda acústica masiva (BAW), porque permite utilizar ondas acústicas de longitud de onda más corta (normalmente menos de 200 μm). Ding y col. informó un microdispositivo SSAW que puede manipular celdas individuales con rutas prescritas. La Figura 6 registra una demostración de que el movimiento de células individuales se puede controlar con precisión con pinzas acústicas. El principio de funcionamiento del dispositivo radica en el movimiento controlado de los nodos de presión en un campo SSAW. Ding y col. empleó transductores interdigitales chirridos (IDT) que pueden generar SSAW con posiciones ajustables de nodos de presión cambiando la frecuencia de entrada. También demostraron que el microorganismo C. Elegan, de tamaño milimétrico, se puede manipular de la misma manera. También examinaron el metabolismo y la proliferación celular después del tratamiento acústico y no encontraron diferencias significativas en comparación con el grupo de control, lo que indica la naturaleza no invasiva de la manipulación de la base acústica. Además de utilizar IDT con chirridos, también se ha informado de manipulación de una sola partícula / célula basada en el desplazamiento de fase.

Manipulación de biomoléculas individuales

Sitters y col. han demostrado que la acústica se puede utilizar para manipular biomoléculas individuales como el ADN y las proteínas. Este método, que los inventores denominan espectroscopia de fuerza acústica, permite medir la respuesta de fuerza de moléculas individuales. Esto se logra uniendo pequeñas microesferas a las moléculas en un lado y uniéndolas a una superficie en el otro. Al empujar las microesferas lejos de la superficie con una onda acústica estacionaria, las moléculas se estiran de manera efectiva.

Manipulación de nanomateriales orgánicos

Las pantallas de cristal líquido de dispersión de polímero (PDLC) se pueden cambiar de opacas a transparentes con unas pinzas acústicas. Se ha demostrado un obturador de luz PDLC impulsado por SAW integrando una película PDLC curada y un par de transductores interdigitales (IDT) en un sustrato piezoeléctrico.

Manipulación de nanomateriales inorgánicos

Las pinzas acústicas proporcionan un enfoque simple para el modelado de nanocables sintonizables. En este enfoque, los SSAW se generan mediante transductores interdigitales, que inducen un campo eléctrico de corriente alterna (CA) periódico en el sustrato piezoeléctrico y, en consecuencia, nanocables metálicos modelados en suspensión. Los patrones podrían depositarse sobre el sustrato después de que el líquido se evaporara. Al controlar la distribución del campo SSAW, los nanocables metálicos se ensamblan en diferentes patrones que incluyen arreglos paralelos y perpendiculares. El espaciado de las matrices de nanocables podría ajustarse controlando la frecuencia de las ondas acústicas de la superficie.

Manipulación selectiva

Si bien la mayoría de las pinzas acústicas pueden manipular una gran cantidad de objetos de forma colectiva, una función complementaria es poder manipular una sola partícula dentro de un grupo sin mover objetos adyacentes. Para lograr este objetivo, la trampa acústica debe localizarse espacialmente. Un primer enfoque consiste en utilizar haces acústicos altamente enfocados. Dado que muchas partículas de interés son atraídas a los nodos de un campo acústico y, por lo tanto, expulsadas del punto de enfoque, algunas estructuras de ondas específicas que combinan una fuerte focalización pero con un mínimo de amplitud de presión en el punto focal (rodeadas por un anillo de intensidad para crear trampa) son necesarios para atrapar este tipo de partículas. Estas condiciones específicas las cumplen los haces de Bessel de orden topológico mayor que cero, también llamados "vórtices acústicos". Con este tipo de estructuras de onda, se ha demostrado la manipulación selectiva de partículas en 2D y 3D con una serie de transductores impulsados ​​por componentes electrónicos programables.

Se han propuesto pinzas acústicas planas compactas basadas en transductores interdigitales en forma de espiral como una alternativa a esta compleja matriz de transductores. Este tipo de dispositivo permite modelar docenas de partículas microscópicas en un portaobjetos de microscopio (consulte la Figura 7). No obstante, la selectividad fue limitada, ya que el vórtice acústico solo se enfocó lateralmente y, por lo tanto, algunos anillos secundarios espurios más débiles también podrían atrapar partículas. Se ha logrado una mayor selectividad generando vórtices acústicos de enfoque esférico con un transductor holográfico plano, combinando los principios físicos subyacentes de las lentes de Fresnel en óptica, la especificidad de la topología del haz de Bessel y los principios de síntesis de ondas con IDT. Estas últimas pinzas generan vórtices acústicos de enfoque esférico y tienen potencial para la manipulación 3D de partículas.

La selección, manipulación y posicionamiento individual viable de células humanas en un entorno de microscopía estándar se ha demostrado con pinzas acústicas selectivas basadas en vórtices acústicos enfocados generados por hologramas activos. Se informan fuerzas de captura de hasta 200 pN con menos de 2 mW de potencia acústica sin afectar la viabilidad de las células.

Alternativamente, otro enfoque para localizar la energía acústica se basa en el uso de campos pulsados ​​a escala de nanosegundos para generar ondas estacionarias acústicas localizadas.

Pinzas de alta frecuencia y transductores interdigitados holográficos (IDT)

La manipulación selectiva individual de microobjetos requiere sintetizar campos acústicos complejos, como vórtices acústicos (ver sección anterior) a una frecuencia suficientemente alta para alcanzar la resolución espacial necesaria (normalmente, la longitud de onda debe ser comparable al tamaño del objeto manipulado para ser selectivo). ). Se han desarrollado muchos métodos holográficos para sintetizar campos de ondas complejos, incluidos conjuntos de transductores, hologramas impresos en 3D, metamateriales o rejillas de difracción. No obstante, todos estos métodos se limitan a frecuencias relativamente bajas con una resolución insuficiente para abordar partículas micrométricas, células o microorganismos individualmente. Por otro lado, los transductores interdigitados (IDT) eran conocidos como una técnica confiable para sintetizar campos de ondas acústicas hasta una frecuencia de GHz. Por lo tanto, para abordar el problema de resolución, se propuso combinar el concepto de IDT y de hologramas: con los IDT holográficos, la onda se sintetiza al materializarse con electrodos metálicos en líneas equifásicas del campo de ondas objetivo en la superficie de un sustrato piezoeléctrico. Con este método se ha demostrado la síntesis de vórtices acústicos enfocados lateralmente (cilíndricos) y enfocados en 3D (esféricos). Pero el método es general y también se podrían abordar otros campos de ondas complejos. La principal diferencia entre el método utilizado para la síntesis de vórtices 2D y vórtices 3D es que en el primero se sintetizan ondas acústicas superficiales, mientras que en el segundo se sintetizan ondas masivas. Para las ondas acústicas de superficie, el diseño de los electrodos depende de la velocidad de la onda en el sustrato (anisotrópico) que conduce a la forma de los electrodos anistrópicos (ver Figura 9, izquierda). Mientras que para las ondas masivas, el diseño de los electrodos depende de la velocidad de la onda en el soporte de vidrio (isotrópico), lo que conduce a electrodos isotrópicos (ver Fig. 10 a la derecha). El interés de estos IDT holográficos reside en (i) su alta frecuencia de trabajo que permite resoluciones hasta escalas micrométricas, (ii) su fácil fabricación con técnicas de litografía estándar y (iii) su sencilla integración en un microscopio estándar ya que son planos, transparentes y miniaturizado.

Ver también

• Levitación acústica
• Factor de contraste acústico

Referencias

enlaces externos

• Pinzas acústicas rápidas : video de YouTube que ilustra cómo funcionan las pinzas acústicas