Акустические пинцеты

Акустический пинцет (также известный как акустический пинцет ) представляет собой набор инструментов, которые используют звуковые волны для управления положением и движением очень маленьких объектов. ^[1] Строго говоря, акустическим пинцетом можно назвать только однолучевую конфигурацию. Однако широкая концепция акустических пинцетов предполагает две конфигурации лучей: одиночный луч и стоячие волны. Технология работает за счет контроля положения узлов акустического давления. ^[2] которые притягивают объекты к определенным местам постоянного акустического поля. ^[3] Целевой объект должен быть значительно меньше длины волны используемого звука, и эта технология обычно используется для манипулирования микроскопическими частицами. ^{[ нужна ссылка ]}

Акустические волны оказались безопасными для биологических объектов, что делает их идеальными для биомедицинских применений. ^[4] Недавно акустические пинцеты нашли применение для манипулирования объектами размером менее миллиметра, таких как проточная цитометрия , разделение клеток, захват клеток, манипуляции с отдельными клетками и манипуляции с наноматериалами. ^[5] Об использовании одномерных стоячих волн для манипулирования мелкими частицами впервые сообщалось в исследовательской статье 1982 года «Ультразвуковой контроль суспензий волокон». ^[6]

Метод

В постоянном акустическом поле объекты испытывают воздействие силы акустического излучения, которая перемещает их в определенные области поля. ^[2] В зависимости от свойств объекта, таких как плотность и сжимаемость , его можно заставить переместиться либо к узлам акустического давления (области минимального давления), либо к пучностям давления (области максимального давления). ^[3] В результате, контролируя положение этих узлов, становится возможным точное перемещение объектов с помощью звуковых волн. Акустические пинцеты не требуют дорогостоящего оборудования и сложных экспериментальных установок. ^{[ нужна ссылка ]}

Фундаментальная теория

Частицы в акустическом поле могут перемещаться под действием сил, возникающих в результате взаимодействия акустических волн, жидкости и частиц. Эти силы (включая силу акустического излучения, силу вторичного поля между частицами и силу сопротивления Стокса ) создают явления акустофореза , который является основой технологии акустических пинцетов.

Сила акустического излучения

При подвешивании частицы в поле звуковой волны на частицу действует сила акустического излучения, возникшая в результате рассеяния акустических волн. Впервые это было смоделировано и проанализировано для несжимаемых частиц в идеальной жидкости Луи Кингом в 1934 году. ^[7] Йосиока и Кавасима рассчитали силу акустического излучения на сжимаемые частицы в поле плоских волн в 1955 году. ^[8] Горьков подытожил предыдущие работы и предложил уравнения для определения средней силы, действующей на частицу в произвольном акустическом поле, когда ее размер много меньше длины волны звука. ^[2] Недавно Брюус вновь вернулся к этой проблеме и дал подробный вывод о силе акустического излучения. ^[9]

Как показано на рисунке 1, сила акустического излучения, действующая на небольшую частицу, возникает в результате неоднородного потока импульса в ближней области вокруг частицы. $\mathbf {\mathit {F^{rad}}} =-\nabla {\mathit {U}}$ , что вызвано приходящими акустическими волнами и рассеянием на поверхности частицы при распространении через нее акустических волн. Для сжимаемой сферической частицы диаметром, много меньшим длины волны акустических волн в идеальной жидкости, силу акустического излучения можно рассчитать по формуле $\mathbf {\mathit {F^{rad}}} =-\nabla {\mathit {U}}$ , где ${\mathit {U}}$ представляет собой заданную величину, также называемую акустической потенциальной энергией. ^[2]^[9] Акустическая потенциальная энергия выражается как:

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

где

${\mathit {V_{\mathit {0}}}}$ - объем частицы,
${\mathit {p_{\mathit {in}}}}$ акустическое давление,
${\mathit {v_{\mathit {in}}}}$ - скорость акустических частиц,
${\mathit {\rho }}_{\mathit {f}}$ - массовая плотность жидкости,
${\mathit {c_{\mathit {f}}}}$ - скорость звука жидкости,
${\overline {<*>}}$ это средний по времени термин, ${1 \over T}\int \limits _{0}^{T}{(*)}dt$

Коэффициенты ${\mathit {f_{\mathit {1}}}}$ и ${\mathit {f_{\mathit {2}}}}$ можно рассчитать по ${f_{1}}=1-{{{\rho _{f}}c_{f}^{2}} \over {{\rho _{p}}c_{p}^{2}}}$ и ${f_{2}}={{2({\rho _{p}}-{\rho _{f}})} \over {2{\rho _{p}}+{\rho _{f}}}}$

где

${\mathit {\rho }}_{\mathit {p}}$ - массовая плотность частицы,
${\mathit {c}}_{\mathit {p}}$ - скорость звука частицы.

Сила акустического излучения в стоячих волнах

Стоячие волны могут формировать стабильное акустическое поле потенциальной энергии, поэтому они способны создавать стабильное распределение сил акустического излучения, что желательно для многих применений акустических пинцетов. Для одномерных плоских стоячих волн акустические поля определяются выражением: ^[9]

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

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

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

где

${\mathit {A_{\mathit {in}}}}$ – смещение акустической частицы,
${\mathit {P_{\mathit {0}}}}$ – амплитуда акустического давления,
${\mathit {\omega }}$ угловая скорость,
${\mathit {k}}$ это волновое число.

С помощью этих полей можно получить средние по времени члены. Это:

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

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

Таким образом, акустическая потенциальная энергия равна:

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

Тогда сила акустического излучения находится путем дифференцирования:

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

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

где

${\mathit {E_{\mathit {ac}}}}$ - плотность акустической энергии, а
$\Phi$ – фактор акустофоретического контраста .

Термин $\sin({\mathit {2kx}})$ показывает, что период радиационной силы составляет половину периода давления. Также коэффициент контрастности может быть положительным или отрицательным в зависимости от свойств частиц и жидкости. Для положительного значения $\Phi$ , сила излучения направлена от пучностей давления к узлам давления, как показано на рисунке 2, и частицы будут выталкиваться к узлам давления.

Вторичные акустические силы

Когда несколько частиц в суспензии подвергаются воздействию поля стоячих волн, они испытывают не только силу акустического излучения, но и вторичные акустические силы, вызванные волнами, рассеянными другими частицами. Межчастичные силы иногда называют силами Бьеркнеса . Упрощенное уравнение для межчастичных сил идентичных частиц: ^[10]^[11]

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

где

${\mathit {a}}$ - радиус частицы,
${\mathit {d}}$ расстояние между частицами,
${\mathit {\theta }}$ – угол между центральной линией частиц и направлением распространения падающей акустической волны.

Знак силы представляет ее направление: отрицательный знак для силы притяжения и положительный знак для силы отталкивания. Левая часть уравнения зависит от амплитуды скорости акустической частицы ${\mathit {v}}_{\mathit {in}}({\mathit {x}})$ а правая часть зависит от амплитуды акустического давления ${\mathit {p}}_{\mathit {in}}({\mathit {x}})$ . Член, зависящий от скорости, является отталкивающим, когда частицы ориентированы по направлению распространения волны (Θ = 0 °), и отрицательным, когда перпендикулярно распространению волны (Θ = 90 °). Член, зависящий от давления, не зависит от ориентации частицы и всегда притягивает. В случае положительного коэффициента контраста член, зависящий от скорости, уменьшается по мере того, как частицы перемещаются к узлу скорости (антиноузлу давления), как в случае пузырьков воздуха и липидных везикул. Аналогичным образом, член, зависящий от давления, уменьшается по мере того, как частицы движутся к узлу давления (антиноуз скорости), как и большинство твердых частиц в водных растворах.

В дополнение к вторичным акустическим силам, связанным с рассеянием, поле потока, возникающее в результате взаимодействия различных акустических полей потока , генерируемых акустическим пограничным слоем каждой частицы (иногда называемое микропотоком ), может вызывать дополнительные вязкие силы сдвига на каждой из частиц. поверхности частиц, что затем приводит к дополнительному вкладу во вторичные акустические силы в полностью вязких составах. ^[12] Вязкие эффекты на вторичную акустическую силу могут стать значительными по сравнению с рецептурой идеальной жидкости, приведенной выше, и даже доминирующими в определенных предельных случаях, приводя как количественно, так и качественно к другим результатам, чем те, которые предсказываются невязкой теорией. ^[13] Актуальность вязких вкладов сильно варьируется в зависимости от конкретного исследуемого случая, и поэтому необходимо проявлять особую осторожность при выборе подходящей модели вторичной акустической силы для данного сценария.

Влияние вторичных сил обычно очень слабое и дает эффект только тогда, когда расстояние между частицами очень мало. Это становится важным в приложениях агрегации и седиментации, где частицы первоначально собираются в узлах под действием силы акустического излучения. По мере того как расстояния между частицами становятся меньше, вторичные силы способствуют дальнейшей агрегации, пока кластеры не станут достаточно тяжелыми для начала седиментации.

Акустическая потоковая передача

Акустическое течение – это установившийся поток, порождаемый нелинейной составляющей колебаний акустического поля. ^{[ нужны дальнейшие объяснения ]} В зависимости от механизмов акустическое потокообразование можно разделить на два основных типа: поток Эккарта и поток Рэлея. ^[14]^[15] Поток Эккарта обусловлен средним по времени потоком импульса, создаваемым при распространении и затухании акустических волн высокой амплитуды в жидкости. Рэлеевское течение, также называемое «пограничным потоком», вызывается напряжениями Рейнольдса в вязком пограничном слое . Оба приводных механизма возникают в результате усредняемого по времени нелинейного эффекта.

Для анализа явления нелинейного акустического течения используется метод возмущений. ^[16] Основными уравнениями этой проблемы являются уравнения сохранения массы и уравнения Навье-Стокса :

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

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

где

${\mathit {\rho }}$ плотность жидкости,
${\textbf {v}}$ - скорость частицы жидкости,
${\mathit {p}}$ это давление,
${\mathit {\mu }}$ – динамическая вязкость жидкости,
${\mathit {\beta }}$ это коэффициент вязкости.

Ряд возмущений можно записать как $p={p_{0}}+{p_{1}}+{p_{2}}$ , ${\textbf {v}}={\textbf {0}}+{\textbf {v}}_{\textbf {1}}+{\textbf {v}}_{\textbf {2}}$ , ${\mathit {\rho }}={\mathit {\rho }}_{0}+{\mathit {\rho }}_{1}+{\mathit {\rho }}_{2}$ , которые представляют собой убывающие ряды, в которых члены более высокого порядка намного меньше членов более низкого порядка.

В состоянии нулевого порядка жидкость покоится и однородна. Подставляя ряд возмущений в уравнение сохранения массы и Навье-Стокса и используя соотношение ${p_{1}}=c_{f}^{2}{\rho _{1}}$ , уравнения первого порядка могут быть получены путем сбора членов первого порядка,

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

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

Аналогичным образом можно найти и уравнения второго порядка:

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

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

Для уравнений первого порядка, взяв вывод по времени уравнения Навье-Стокса и вставив закон сохранения массы, можно найти комбинированное уравнение:

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

Это уравнение акустической волны с вязким затуханием. Физически, ${\mathit {p}}_{1}$ и ${\textbf {v}}_{\textbf {1}}$ можно интерпретировать как акустическое давление и скорость акустической частицы.

Уравнения второго порядка можно рассматривать как определяющие уравнения, используемые для описания движения жидкости с источником массы. $[-\nabla \cdot ({\mathit {\rho }}_{1}{\textbf {v}}_{\textbf {1}}))]$ и источник силы $[-\rho _{1}\partial _{t}{\textbf {v}}_{\textbf {1}}-\rho _{0}({\textbf {v}}_{\textbf {1}}\cdot \nabla ){\textbf {v}}_{\textbf {1}}]$ . Как правило, акустическое течение представляет собой устойчивый средний поток, масштаб времени отклика которого намного меньше, чем у акустической вибрации. Средний по времени срок ${\overline {{\textbf {v}}_{\textbf {2}}}}$ обычно используется для представления акустической потоковой передачи. Используя ${\overline {\partial _{\mathit {t}}{\mathit {\rho }}_{2}}}=0$ , можно получить средние по времени уравнения второго порядка:

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

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

Важно отметить, что усреднение по времени чистых членов первого порядка приводит к их отмене, поскольку они по определению гармоничны . Это означает, что они представляют собой чистые синусоидальные волны и, следовательно, имеют среднее значение 0, что приводит к отмене любого члена, который их содержит. Члены второго порядка, однако, не являются гармоническими и не исключаются при усреднении по времени. ^[17] Это наиболее важно для понимания акустического течения: члены первого порядка, связанные с простым колебательным движением, имеют гораздо большие величины, чем члены второго порядка, и, таким образом, доминируют в шкале времени колебаний. Однако эти члены первого порядка, представляющие собой чистые синусы, в квазистационарном состоянии повторяются после каждого цикла колебаний, не давая чистого потока жидкости. Члены второго порядка, напротив, не являются гармоническими и, таким образом, могут иметь кумулятивный эффект, который, несмотря на то, что он меньше, может складываться в течение многих циклов колебаний, что приводит к развитию чистого установившегося потока, который мы определяем как акустическое течение .

Таким образом, при определении акустического течения наиболее важны уравнения второго порядка. Поскольку уравнения Навье-Стокса можно решить аналитически только для простых случаев, численные методы обычно используются , причем наиболее распространенным методом является метод конечных элементов (МКЭ). Его можно использовать для моделирования явлений акустического течения. На рисунке 3 показан один из примеров акустического обтекания сплошной круглой колонны, рассчитанный методом FEM.

Как уже упоминалось, акустическое течение вызывается источниками массы и силы, возникающими в результате затухания звука. Однако это не единственные движущие силы акустической потоковой передачи. Граничная вибрация также может способствовать, особенно «пограничному потоку». В этих случаях граничные условия также должны быть обработаны методом возмущений и соответственно наложены на уравнения двух порядков.

Движение частиц

Движение взвешенной частицы, гравитация которой уравновешивается силой плавучести в акустическом поле, определяется двумя силами: силой акустического излучения и силой сопротивления Стокса . Применяя закон Ньютона, движение можно описать как:

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

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

где

${\textit {v}}$ скорость жидкости,
${\textit {u}}$ - скорость частицы.

В приложениях со статическим потоком скорость жидкости определяется акустическим течением. Величина акустического потока зависит от мощности и частоты входного сигнала, а также свойств текучей среды. Для типичных микроустройств на акустической основе рабочая частота может находиться в диапазоне от кГц до МГц . Амплитуда вибрации находится в диапазоне от 0,1 нм до 1 мкм. Если предположить, что используемой жидкостью является вода, расчетная величина акустического течения находится в диапазоне от 1 мкм/с до 1 мм/с. Таким образом, акустический поток должен быть меньше основного потока для большинства применений с непрерывным потоком. В этих приложениях сила сопротивления в основном создается основным потоком.

Приложения

Разделение клеток

Клетки с разной плотностью и силой сжатия теоретически можно разделить с помощью акустической силы. Было высказано предположение, что акустический пинцет можно использовать для отделения липидных частиц от эритроцитов . ^[18] Это проблема во время кардиохирургических операций с использованием аппарата искусственного кровообращения, для решения которой нынешние технологии недостаточны. Согласно предложению, акустическая сила, приложенная к плазме крови, проходящей через канал, заставит эритроциты собраться в узле давления в центре, а липидные частицы собраться в пучностях по бокам (см. Рисунок 4). В конце канала отделенные клетки и частицы выходят через отдельные выходы.

Акустический метод также может быть использован для разделения частиц разного размера. Согласно уравнению силы первичного акустического излучения, более крупные частицы испытывают большие силы, чем более мелкие частицы. Ши и др. сообщили об использовании встречно-штыревых преобразователей (IDT) для генерации поля стоячих поверхностных акустических волн (SSAW) с узлами давления в середине микрофлюидного канала, разделяющими микрочастицы разного диаметра. ^[19] При введении смеси частиц разного размера с края канала более крупные частицы будут быстрее мигрировать к середине и собираться на центральном выходе. Более мелкие частицы не смогут мигрировать к центральному выпускному отверстию до тех пор, пока они не будут собраны из боковых выпускных отверстий. Эта экспериментальная установка также использовалась для разделения компонентов крови, бактерий и частиц гидрогеля. ^[20]^[21]^[22]

3D-фокусировка клеток

Сортировщики клеток, активируемые флуоресценцией (FACS), могут сортировать клетки, фокусируя поток жидкости, содержащий клетки, обнаруживая флуоресценцию отдельных клеток и отделяя интересующие клетки от других клеток. Они имеют высокую пропускную способность, но дороги в приобретении и обслуживании, громоздки и имеют сложную конфигурацию. Они также влияют на физиологию клеток посредством высокого давления сдвига, ударных сил и электромагнитных сил, что может привести к клеточным и генетическим повреждениям. Акустические силы не опасны для клеток, ^{[ нужна ссылка ]} и был достигнут прогресс в интеграции акустического пинцета с оптическими/электрическими модулями для одновременного анализа и сортировки клеток в меньшем по размеру и менее дорогом устройстве.

Акустические пинцеты были разработаны для достижения трехмерной фокусировки клеток/частиц в микрофлюидике. ^[23] Пара встречно-штыревых преобразователей (ВШП) наносится на пьезоэлектрическую подложку, а микрофлюидный канал связан с подложкой и расположен между двумя ВШП. Растворы микрочастиц вводятся в микрофлюидный канал потоком, управляемым давлением. Как только радиочастотный сигнал подается на оба ВШП, две серии поверхностных акустических волн (ПАВ) распространяются в противоположных направлениях к раствору суспензии частиц внутри микроканала. Конструктивная интерференция двух ПАВ приводит к образованию ССАВ. Внутри канала генерируются волны утечки в продольном режиме, вызывающие колебания давления, действующие на частицы латерально. В результате взвешенные частицы внутри канала будут вытеснены либо к узлам давления, либо к пучностям, в зависимости от плотности и сжимаемости частиц и среды. Когда ширина канала охватывает только один узел давления (или пучность), частицы будут фокусироваться в этом узле.

Помимо фокусировки в горизонтальном направлении, клетки/частицы также можно фокусировать в вертикальном направлении. ^[24] После включения SSAW случайно распределенные частицы фокусируются в единый файловый поток (рис. 10в) в вертикальном направлении. Путем интеграции микроустройства на основе стоячей поверхностной акустической волны (SSAW), способного осуществлять трехмерную фокусировку частиц/клеток, с системой обнаружения лазерно-индуцированной флуоресценции (LIF), акустический пинцет превращается в микропоточный цитометр для высокопроизводительного анализа одиночных клеток.

Возможность настройки, обеспечиваемая чирпедом ^{[ нужны разъяснения ]} межпальцевые преобразователи ^[25]^[26] делает его способным точно сортировать клетки по нескольким (например, пяти) выходным каналам за один этап. Это главное преимущество перед большинством существующих методов сортировки, которые обычно сортируют клетки только по двум выходным каналам.

Неинвазивный захват клеток и формирование паттерна

Стеклянный отражатель с вытравленными жидкостными каналами прикреплен к печатной плате, на которой находится преобразователь. Клетки, введенные в чип, улавливаются стоячей ультразвуковой волной, образующейся в канале. Акустические силы фокусируют клетки в кластеры в центре канала, как показано на вставке. Поскольку захват происходит близко к поверхности преобразователя, фактические места захвата определяются распределением давления в ближнем поле, как показано на трехмерном изображении. Клетки будут сгруппированы в кластеры вокруг локальных минимумов давления, создавая различные узоры в зависимости от количества захваченных клеток. Пики на графике соответствуют минимумам давления.

Манипуляции с отдельной клеткой, частицей или организмом

Манипулирование отдельными клетками важно для многих биологических исследований, например, для контроля клеточного микроокружения и выделения конкретных представляющих интерес клеток. Было продемонстрировано, что акустический пинцет позволяет манипулировать каждой отдельной клеткой с разрешением микрометрового уровня. Клетки обычно имеют диаметр 10–20 мкм. Чтобы удовлетворить требования к разрешению при манипулировании отдельными ячейками, следует использовать коротковолновые акустические волны. В этом случае поверхностная акустическая волна (ПАВ) предпочтительнее объемной акустической волны (БАВ), поскольку она позволяет использовать акустические волны с более короткой длиной волны (обычно менее 200 мкм). ^[27] Дин и др. сообщил о микроустройстве SSAW, которое способно манипулировать отдельными ячейками по заданным путям. ^[28] На рисунке 6 продемонстрировано, что движением отдельных клеток можно точно управлять с помощью акустического пинцета. Принцип работы устройства заключается в управляемом перемещении узлов давления в поле SSAW. Дин и др. использовались чирпированные встречно-штыревые преобразователи (IDT), которые способны генерировать SSAW с регулируемым положением узлов давления путем изменения входной частоты. микроорганизмом C. elegan Они также показали, что таким же образом можно манипулировать размером в миллиметр. Они также исследовали клеточный метаболизм и пролиферацию после акустической обработки и не обнаружили существенных различий по сравнению с контрольной группой, что указывает на неинвазивный характер манипуляций с акустической базой. Помимо использования чирпированных IDT, также сообщалось о манипуляциях с отдельными частицами/клетками на основе фазового сдвига. ^[29]^[30]^[31]

Манипулирование отдельными биомолекулами

Ситтерс и др. показали, что акустику можно использовать для манипулирования отдельными биомолекулами, такими как ДНК и белки. Этот метод, который изобретатели называют акустической силовой спектроскопией, позволяет измерять силовой отклик одиночных молекул. Это достигается путем прикрепления небольших микросфер к молекулам с одной стороны и прикрепления их к поверхности с другой. Отталкивая микросферы от поверхности стоячей акустической волной, молекулы эффективно растягиваются. ^[32]

Манипуляции с органическими наноматериалами

дисплеи с полимерной дисперсией Жидкокристаллические (PDLC) можно переключать с непрозрачного на прозрачное с помощью акустического пинцета. Световой затвор PDLC, управляемый ПАВ, был продемонстрирован путем интеграции отвержденной пленки PDLC и пары встречно-штыревых преобразователей (IDT) на пьезоэлектрическую подложку. ^[33]

Манипуляции с неорганическими наноматериалами

Акустический пинцет обеспечивает простой способ создания настраиваемого рисунка нанопроволоки. В этом подходе SSAW генерируются встречно-штыревыми преобразователями, которые индуцируют периодическое электрическое поле переменного тока (AC) на пьезоэлектрической подложке и, следовательно, формируют рисунок металлических нанопроволок в подвеске. Узоры можно было наносить на подложку после испарения жидкости. Контролируя распределение поля SSAW, металлические нанопроволоки собираются в различные узоры, включая параллельные и перпендикулярные массивы. Расстояние между массивами нанопроволок можно регулировать, управляя частотой поверхностных акустических волн. ^[34]

Выборочное манипулирование

Хотя большинство акустических пинцетов способны коллективно манипулировать большим количеством объектов, ^[27] дополнительная функция — возможность манипулировать отдельной частицей внутри кластера, не перемещая соседние объекты. Для достижения этой цели акустическая ловушка должна быть локализована в пространстве. Первый подход заключается в использовании высокосфокусированных акустических лучей. ^[35] Поскольку многие интересующие частицы притягиваются к узлам акустического поля и, таким образом, выбрасываются из точки фокуса, некоторые специфические волновые структуры, сочетающие сильную фокусировку, но с минимальной амплитудой давления в фокусной точке (окруженные кольцом интенсивности для создания ловушка) необходимы для улавливания частиц этого типа. Этим конкретным условиям отвечают пучки Бесселя топологического порядка больше нуля, также называемые «акустическими вихрями». При таких волновых структурах 2D ^[36] и 3D ^[37]^[38] избирательное манипулирование частицами было продемонстрировано с помощью массива преобразователей, управляемых программируемой электроникой.

Альтернативно, другой подход к локализации акустической энергии основан на использовании импульсных полей наносекундного масштаба для генерации локализованных стоячих акустических волн. ^[39]

Высокочастотные пинцеты и голографические межцифровые преобразователи (IDT)

Индивидуальное избирательное манипулирование микрообъектами требует синтеза сложных акустических полей, таких как акустические вихри (см. предыдущий раздел), на достаточно высокой частоте, чтобы достичь необходимого пространственного разрешения (обычно длина волны должна быть сопоставима с размером манипулируемого объекта, чтобы быть селективным). ). Было разработано множество голографических методов для синтеза сложных волновых полей, включая матрицы преобразователей, ^[40]^[41]^[36]^[42]^[38] 3D-печатные голограммы, ^[43] метаматериалы ^[44] или дифракционные решетки. ^[45]^[46] Тем не менее, все эти методы ограничены относительно низкими частотами с недостаточным разрешением для индивидуального воздействия на микрометрические частицы, клетки или микроорганизмы. С другой стороны, межцифровые преобразователи (IDT) были известны как надежный метод синтеза акустических волновых полей частотой до ГГц. ^[47]

См. также

Ссылки

^ Озчелик А., Руфо Дж., Го Ф. и др. Акустические пинцеты для наук о жизни. Nat Methods 15, 1021–1028 (2018). https://doi.org/10.1038/s41592-018-0222-9
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Горьков, Л.П.; Советская физика-Доклады, 1962, 6(9), 773-775.
^ Jump up to: ^а ^б Нильссон, Андреас; Петерссон, Филип; Йонссон, Хенрик; Лорел, Томас (2004). «Акустический контроль взвешенных частиц в микрофлюидных чипах». Лабораторный чип . 4 (2). Королевское химическое общество (RSC): 131–135. дои : 10.1039/b313493h . ISSN 1473-0197 . ПМИД 15052353 .
^ Лин, Сз-Чин Стивен; Мао, Сяоле; Хуанг, Тони Цзюнь (2012). «Акустофорез поверхностных акустических волн (ПАВ): сейчас и за его пределами» . Лаборатория на чипе . 12 (16). Королевское химическое общество (RSC): 2766–2770. дои : 10.1039/c2lc90076a . ISSN 1473-0197 . ПМЦ 3992433 . ПМИД 22781941 .
^ Дин, Сяоюнь; Ли, Пэн; Лин, Сз-Чин Стивен; Страттон, Закари С.; Нама, Нитеш; Го, Фэн; Слоткаваж, Дэниел; Мао, Сяоле; Ши, Джинджи; Костанцо, Франческо; Хуанг, Тони Цзюнь (2013). «Микрофлюидика на поверхностных акустических волнах» . Лаборатория на чипе . 13 (18). Королевское химическое общество (RSC): 3626–3649. дои : 10.1039/c3lc50361e . ISSN 1473-0197 . ПМЦ 3992948 . ПМИД 23900527 .
^ Дион, JL; Малутта, А.; Небеса, П. (1982). «Ультразвуковой контроль суспензий волокон». Журнал Акустического общества Америки . 72 (5): 1524–1526. Бибкод : 1982ЧЕТВЕРГ...72.1524D . дои : 10.1121/1.388688 .
^ Кинг, Луи В. (15 ноября 1934 г.). «О давлении акустического излучения на сферы» . Труды Лондонского королевского общества. Серия А, Математические и физические науки . 147 (861). Королевское общество: 212–240. Бибкод : 1934РСПСА.147..212К . дои : 10.1098/rspa.1934.0215 . ISSN 2053-9169 .
^ Ёсиока, К. и Кавасима, Ю.; Акустика, 1955, 5(3), 167-173.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Брюус, Хенрик (2012). «Акустофлюидика 7: Сила акустического излучения на мелкие частицы». Лаборатория на чипе . 12 (6). Королевское химическое общество (RSC): 1014–1021. дои : 10.1039/c2lc21068a . ISSN 1473-0197 . ПМИД 22349937 .
^ Вайзер, MAH; Апфель Р.Э. и Неппирас Е.А.; Акустика, 1984, 56(2), 114–119.
^ Лорел, Томас; Петерссон, Филип; Нильссон, Андреас (2007). «Интегрированные чипы стратегии акустического разделения и манипулирования клетками и частицами». Обзоры химического общества . 36 (3). Королевское химическое общество (RSC): 492–506. дои : 10.1039/b601326k . ISSN 0306-0012 . ПМИД 17325788 .
^ Дойников, Александр А. (1994). «Акустическое радиационное давление на сжимаемую сферу в вязкой жидкости» . Журнал механики жидкости . 267 : 1–22. Бибкод : 1994JFM...267....1D . дои : 10.1017/S0022112094001096 . S2CID 123245307 . Проверено 10 апреля 2023 г.
^ Бааш, Тьерри; Павлик, Ален; Дуал, Юрг (декабрь 2019 г.). «Сила акустического излучения, действующая на тяжелую частицу в стоячей волне, может определяться акустическим микропотоком» . Физ. Преподобный Е. 100 (6): 061102. Бибкод : 2019PhRvE.100f1102B . дои : 10.1103/PhysRevE.100.061102 . ПМИД 31962519 . S2CID 210870075 . Проверено 10 апреля 2023 г.
^ Лайтхилл, сэр Джеймс (1978). «Акустическая трансляция». Журнал звука и вибрации . 61 (3). Эльзевир Б.В.: 391–418. Бибкод : 1978JSV....61..391L . дои : 10.1016/0022-460x(78)90388-7 . ISSN 0022-460X .
^ Болурианн, С. и Моррис, П.Дж.; Аэроакустика, 2003, 2(3), 255-292.
^ Брюус, Хенрик (2012). «Акустофлюидика 2: Теория возмущений и режимы ультразвукового резонанса». Лабораторный чип . 12 (1). Королевское химическое общество (RSC): 20–28. дои : 10.1039/c1lc20770a . ISSN 1473-0197 . ПМИД 22105715 .
^ Брюус, Хенрик (15 декабря 2014 г.). «Теория возмущений и ультразвуковые резонансы». Микромасштабная акустофлюидика . Королевское химическое общество. стр. 29–45. дои : 10.1039/9781849737067-00029 . ISBN 978-1-84973-671-8 .
^ Петерссон, Филип; Нильссон, Андреас; Холм, Сесилия; Йонссон, Хенрик; Лорел, Томас (2005). «Непрерывное отделение липидных частиц от эритроцитов с помощью ламинарного потока и акустических сил стоячей волны» . Лабораторный чип . 5 (1): 20–22. дои : 10.1039/B405748C . ISSN 1473-0197 . ПМИД 15616735 .
^ Ши, Джинджи; Хуан, Хуа; Страттон, Зак; Хуан, Ипин; Хуанг, Тони Цзюнь (2009). «Непрерывное разделение частиц в микрофлюидном канале с помощью стоячих поверхностных акустических волн (SSAW)». Лаборатория на чипе . 9 (23). Королевское химическое общество (RSC): 3354–3359. дои : 10.1039/b915113c . ISSN 1473-0197 . ПМИД 19904400 .
^ Нам, Чонхун; Лим, Хёнджон; Ким, Дукон; Шин, Сехён (2011). «Выделение тромбоцитов из цельной крови с помощью стоячих поверхностных акустических волн в микроканале». Лаборатория на чипе . 11 (19). Королевское химическое общество (RSC): 3361–3364. дои : 10.1039/c1lc20346k . ISSN 1473-0197 . ПМИД 21842070 .
^ Ай, Йе; Сандерс, Клэр К.; Марроне, Бабетта Л. (9 сентября 2013 г.). «Выделение бактерий Escherichia coli из мононуклеарных клеток периферической крови с использованием стоячих поверхностных акустических волн» . Аналитическая химия . 85 (19). Американское химическое общество (ACS): 9126–9134. дои : 10.1021/ac4017715 . ISSN 0003-2700 . ПМЦ 3789253 . ПМИД 23968497 .
^ Нам, Чонхун; Лим, Хёнджон; Ким, Чунг; Юн Кан, Джи; Шин, Сехён (2012). «Зависимое от плотности разделение инкапсулированных клеток в микрофлюидном канале с помощью стоячей поверхностной акустической волны» . Биомикрофлюидика . 6 (2). Издательство АИП: 24120–2412010. дои : 10.1063/1.4718719 . ISSN 1932-1058 . ПМК 3365908 . ПМИД 22670167 .
^ Ши, Джинджи; Мао, Сяоле; Ахмед, Дэниел; Коллетти, Эшли; Хуанг, Тони Цзюнь (2008). «Фокусировка микрочастиц в микрофлюидном канале со стоячими поверхностными акустическими волнами (SSAW)». Лабораторный чип . 8 (2). Королевское химическое общество (RSC): 221–223. дои : 10.1039/b716321e . ISSN 1473-0197 . ПМИД 18231658 .
^ Ши, Джинджи; Язди, Шахрзад; Стивен Лин, С-Чин; Дин, Сяоюнь; Чан, И-Као; Шарп, Кендра; Хуанг, Тони Цзюнь (2011). «Трехмерная непрерывная фокусировка частиц в микрофлюидном канале с помощью стоячих поверхностных акустических волн (SSAW)» . Лаборатория на чипе . 11 (14). Королевское химическое общество (RSC): 2319–24. дои : 10.1039/c1lc20042a . ISSN 1473-0197 . ПМЦ 3997299 . ПМИД 21709881 .
^ Ли, Сиксинг; Дин, Сяоюнь; Го, Фэн; Чен, Ючао; Лэпсли, Майкл Ян; и др. (23 мая 2013 г.). «Встроенный многоканальный сортировщик капель, использующий стоячие поверхностные акустические волны» . Аналитическая химия . 85 (11). Американское химическое общество (ACS): 5468–5474. дои : 10.1021/ac400548d . ISSN 0003-2700 . ПМЦ 3988909 . ПМИД 23647057 .
^ Дин, Сяоюнь; Лин, Сз-Чин Стивен; Лэпсли, Майкл Ян; Ли, Сиксинг; Го, Сян; Чан, Чунг Ю; Чан, И-Као; Ван, Линь; Маккой, Дж. Филип; Хуанг, Тони Цзюнь (2012). «Многоканальная сортировка ячеек на основе стоячей поверхностной акустической волны (SSAW)» . Лаборатория на чипе . 12 (21). Королевское химическое общество (RSC): 4228–31. дои : 10.1039/c2lc40751e . ISSN 1473-0197 . ПМЦ 3956451 . ПМИД 22992833 .
^ Jump up to: ^а ^б Гедж, Майкл; Хилл, Мартин (2012). «Акустофлюидика 17: Теория и применение устройств на поверхностных акустических волнах для манипулирования частицами» (PDF) . Лаборатория на чипе . 12 (17). Королевское химическое общество (RSC): 2998–3007. дои : 10.1039/c2lc40565b . ISSN 1473-0197 . ПМИД 22842855 .
^ Дин, X.; Лин, С.-ЧС; Кирали, Б.; Юэ, Х.; Ли, С.; Чан, И.-К.; Ши, Дж.; Бенкович, С.Дж.; Хуанг, Ти Джей (25 июня 2012 г.). «Внутричиповые манипуляции с отдельными микрочастицами, клетками и организмами с использованием поверхностных акустических волн» . Труды Национальной академии наук . 109 (28): 11105–11109. Бибкод : 2012PNAS..10911105D . дои : 10.1073/pnas.1209288109 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 3396524 . ПМИД 22733731 .
^ Кортни, Чарльз Р.П.; Демор, Кристина EM; Ву, Хунсяо; Гриненко, Алон; Уилкокс, Пол Д.; Кокран, Сэнди; Дринкуотер, Брюс В. (14 апреля 2014 г.). «Самостоятельный захват и манипулирование микрочастицами с помощью ловкого акустического пинцета» . Письма по прикладной физике . 104 (15). Издательство AIP: 154103. Бибкод : 2014ApPhL.104o4103C . дои : 10.1063/1.4870489 . ISSN 0003-6951 .
^ Мэн, Лонг; Цай, Фейян; Чен, Хуанхуань; Ню, Лили; Ли, Янмин; Ву, Джунру; Чжэн, Хайронг (23 апреля 2012 г.). «Точное и программируемое манипулирование микропузырьками с помощью двумерных стоячих поверхностных акустических волн». Письма по прикладной физике . 100 (17). Издательство AIP: 173701. Бибкод : 2012ApPhL.100q3701M . дои : 10.1063/1.4704922 . ISSN 0003-6951 .
^ Вуд, компакт-диск; Каннингем, Дж. Э.; О'Рорк, Р.; Вэлти, К.; Линфилд, Э.Г.; Дэвис, AG; Эванс, SD (2 февраля 2009 г.). «Формирование и манипулирование двумерными массивами частиц микронного масштаба в микрофлюидных системах с помощью поверхностных акустических волн». Письма по прикладной физике . 94 (5). Издательство AIP: 054101. Бибкод : 2009ApPhL..94e4101W . дои : 10.1063/1.3076127 . ISSN 0003-6951 .
^ Ситтерс, Геррит; Камсма, Доуве; Талхаммер, Грегор; Ритч-Марс, Моника; Петерман, Эрвин Дж.Г.; Вите, Гийс Дж.Л. (24 ноября 2014 г.). «Акустически-силовая спектроскопия». Природные методы 12 (1). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 47–50. дои : 10.1038/nmeth.3183 . ISSN 1548-7091 . ПМИД 25419961 . S2CID 12886472 .
^ Лю, Ян Цзюнь; Дин, Сяоюнь; Лин, Сз-Чин Стивен; Ши, Джинджи; Чан, И-Као; Хуан, Тони Цзюнь (14 марта 2011 г.). «Световые ставни, управляемые поверхностной акустической волной, с использованием жидких кристаллов с дисперсией полимеров». Продвинутые материалы . 23 (14). Уайли: 1656–1659. Бибкод : 2011AdM....23.1656L . дои : 10.1002/adma.201003708 . ISSN 0935-9648 . ПМИД 21438028 . S2CID 205238981 .
^ Чен, Ючао; Дин, Сяоюнь; Стивен Лин, С-Чин; Ян, Шикуань; Хуан, По-Сюнь; и др. (09 апреля 2013 г.). «Создание настраиваемого рисунка нанопроволоки с использованием стоячих поверхностных акустических волн» . АСУ Нано . 7 (4). Американское химическое общество (ACS): 3306–3314. дои : 10.1021/nn4000034 . ISSN 1936-0851 . ПМЦ 3989880 . ПМИД 23540330 .
^ Ли, Чону; Тэ, Шиа-Йен; Ли, Авраам; Ким, Хён Хэм; Ли, Чангян; Шунг, К. Кирк (17 августа 2009 г.). «Однолучевой акустический захват» . Письма по прикладной физике . 95 (7). Издательство AIP: 073701. Бибкод : 2009ApPhL..95g3701L . дои : 10.1063/1.3206910 . ISSN 0003-6951 . ПМК 2755305 . ПМИД 19798424 .
^ Jump up to: ^а ^б Кортни, Чарльз Р.П.; Демор, Кристина EM; Ву, Хунсяо; Гриненко, Алон; Уилкокс, Пол Д.; Кокран, Сэнди; Дринкуотер, Брюс В. (14 апреля 2014 г.). «Самостоятельный захват и манипулирование микрочастицами с помощью ловкого акустического пинцета» . Письма по прикладной физике . 104 (15): 154103. Бибкод : 2014ApPhL.104o4103C . дои : 10.1063/1.4870489 . ISSN 0003-6951 .
^ Бареш, Диего; Томас, Жан-Луи; Марчиано, Режис (11 января 2016 г.). «Наблюдение однолучевой акустической ловушки с градиентной силой для упругих частиц: акустический пинцет» (PDF) . Письма о физических отзывах . 116 (2). Американское физическое общество (APS): 024301. Бибкод : 2016PhRvL.116b4301B . дои : 10.1103/physrevlett.116.024301 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 26824541 . S2CID 206267537 .
^ Jump up to: ^а ^б Марзо, Азиер; Си, Сью Энн; Дринкуотер, Брюс В.; Саху, Дипак Ранджан; Лонг, Бенджамин; Субраманиан, Шрирам (27 октября 2015 г.). «Голографические акустические элементы для манипулирования левитирующими предметами» . Природные коммуникации . 6 (1): 8661. Бибкод : 2015NatCo...6.8661M . дои : 10.1038/ncomms9661 . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 4627579 . ПМИД 26505138 .
^ Коллинз, Дэвид Дж.; Девендран, Чицабехсан; Ма, Чжичао; Нг, Цзя Вэй; Нилд, Адриан; Ай, Йе (2016). «Акустический пинцет с помощью поверхностных акустических волн субвремяпролетного режима» . Достижения науки . 2 (7). Американская ассоциация содействия развитию науки (AAAS): e1600089. Бибкод : 2016SciA....2E0089C . дои : 10.1126/sciadv.1600089 . ISSN 2375-2548 . ПМЦ 4956186 . ПМИД 27453940 .
^ Хефнер, Брайан Т.; Марстон, Филип Л. (23 ноября 1999 г.). «Акустический преобразователь геликоидальных волн для применения в юстировке ультразвуковых и подводных систем» . Журнал Акустического общества Америки . 106 (6): 3313–3316. Бибкод : 1999ASAJ..106.3313H . дои : 10.1121/1.428184 . ISSN 0001-4966 .
^ Томас, Жан-Луи; Марчиано, Режис (11 декабря 2003 г.). «Псевдоугловой момент и сохранение топологического заряда для нелинейных акустических вихрей». Письма о физических отзывах . 91 (24): 244302. Бибкод : 2003PhRvL..91x4302T . doi : 10.1103/PhysRevLett.91.244302 . ПМИД 14683126 .
^ Волке-Сепульведа, Карен; Сантильян, Артуро О.; Буллоса, Рикардо Р. (16 января 2008 г.). «Передача углового момента материи от акустических вихрей в свободном пространстве». Письма о физических отзывах . 100 (2): 024302. Бибкод : 2008PhRvL.100b4302V . doi : 10.1103/PhysRevLett.100.024302 . ПМИД 18232874 .
^ Мельде, Кай; Марк, Эндрю Г.; Цю, Тянь; Фишер, Пер (сентябрь 2016 г.). «Голограммы для акустики» . Природа . 537 (7621): 518–522. Бибкод : 2016Natur.537..518M . дои : 10.1038/nature19755 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 27652563 . S2CID 4403584 .
^ Цзян, Сюэ; Ли, Юн; Лян, Бин; Ченг, Цзянь-чунь; Чжан, Ликунь (12 июля 2016 г.). «Преобразование акустических резонансов в орбитальный угловой момент» . Письма о физических отзывах . 117 (3): 034301. Бибкод : 2016PhRvL.117c4301J . doi : 10.1103/PhysRevLett.117.034301 . ПМИД 27472113 .
^ Хименес, Ноэ; Пико, Р.; Санчес-Морсильо, В.; Ромеро-Гарсия, В.; Гарсия-Раффи, LM; Сталиунас, К. (23 ноября 2016 г.). «Формирование акустических пучков Бесселя высокого порядка с помощью спиральных дифракционных решеток». Физический обзор E. 94 (5): 053004. arXiv : 1604.08353 . Бибкод : 2016PhRvE..94e3004J . дои : 10.1103/PhysRevE.94.053004 . hdl : 2117/101154 . ПМИД 27967159 . S2CID 27190492 .
^ Хименес, Ноэ; Ромеро-Гарсия, Висент; Гарсия-Раффи, Луис М.; Камарена, Франциско; Сталиунас, Кястутис (14 мая 2018 г.). «Фокусировка острого акустического вихря зонными пластинками спирали Френеля». Письма по прикладной физике . 112 (20): 204101. Бибкод : 2018ApPhL.112t4101J . дои : 10.1063/1.5029424 . hdl : 2117/118785 . ISSN 0003-6951 .
^ Йо, Лесли Ю.; Друг, Джеймс Р. (3 января 2014 г.). «Микрофлюидика на поверхностных акустических волнах». Ежегодный обзор механики жидкости . 46 (1): 379–406. Бибкод : 2014AnRFM..46..379Y . doi : 10.1146/annurev-fluid-010313-141418 . ISSN 0066-4189 .

Внешние ссылки

Быстрые акустические пинцеты — видео на YouTube, демонстрирующее, как работают акустические пинцеты.

[1] Озчелик А., Руфо Дж., Го Ф. и др. Акустические пинцеты для наук о жизни. Nat Methods 15, 1021–1028 (2018). https://doi.org/10.1038/s41592-018-0222-9

[Gorkoc-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Горьков, Л.П.; Советская физика-Доклады, 1962, 6(9), 773-775.

[Nilsson-3] Jump up to: ^а ^б Нильссон, Андреас; Петерссон, Филип; Йонссон, Хенрик; Лорел, Томас (2004). «Акустический контроль взвешенных частиц в микрофлюидных чипах». Лабораторный чип . 4 (2). Королевское химическое общество (RSC): 131–135. дои : 10.1039/b313493h . ISSN 1473-0197 . ПМИД 15052353 .

[4] Лин, Сз-Чин Стивен; Мао, Сяоле; Хуанг, Тони Цзюнь (2012). «Акустофорез поверхностных акустических волн (ПАВ): сейчас и за его пределами» . Лаборатория на чипе . 12 (16). Королевское химическое общество (RSC): 2766–2770. дои : 10.1039/c2lc90076a . ISSN 1473-0197 . ПМЦ 3992433 . ПМИД 22781941 .

[5] Дин, Сяоюнь; Ли, Пэн; Лин, Сз-Чин Стивен; Страттон, Закари С.; Нама, Нитеш; Го, Фэн; Слоткаваж, Дэниел; Мао, Сяоле; Ши, Джинджи; Костанцо, Франческо; Хуанг, Тони Цзюнь (2013). «Микрофлюидика на поверхностных акустических волнах» . Лаборатория на чипе . 13 (18). Королевское химическое общество (RSC): 3626–3649. дои : 10.1039/c3lc50361e . ISSN 1473-0197 . ПМЦ 3992948 . ПМИД 23900527 .

[6] Дион, JL; Малутта, А.; Небеса, П. (1982). «Ультразвуковой контроль суспензий волокон». Журнал Акустического общества Америки . 72 (5): 1524–1526. Бибкод : 1982ЧЕТВЕРГ...72.1524D . дои : 10.1121/1.388688 .

[7] Кинг, Луи В. (15 ноября 1934 г.). «О давлении акустического излучения на сферы» . Труды Лондонского королевского общества. Серия А, Математические и физические науки . 147 (861). Королевское общество: 212–240. Бибкод : 1934РСПСА.147..212К . дои : 10.1098/rspa.1934.0215 . ISSN 2053-9169 .

[8] Ёсиока, К. и Кавасима, Ю.; Акустика, 1955, 5(3), 167-173.

[Bruus-9] Jump up to: ^а ^б ^с Брюус, Хенрик (2012). «Акустофлюидика 7: Сила акустического излучения на мелкие частицы». Лаборатория на чипе . 12 (6). Королевское химическое общество (RSC): 1014–1021. дои : 10.1039/c2lc21068a . ISSN 1473-0197 . ПМИД 22349937 .

[10] Вайзер, MAH; Апфель Р.Э. и Неппирас Е.А.; Акустика, 1984, 56(2), 114–119.

[11] Лорел, Томас; Петерссон, Филип; Нильссон, Андреас (2007). «Интегрированные чипы стратегии акустического разделения и манипулирования клетками и частицами». Обзоры химического общества . 36 (3). Королевское химическое общество (RSC): 492–506. дои : 10.1039/b601326k . ISSN 0306-0012 . ПМИД 17325788 .

[12] Дойников, Александр А. (1994). «Акустическое радиационное давление на сжимаемую сферу в вязкой жидкости» . Журнал механики жидкости . 267 : 1–22. Бибкод : 1994JFM...267....1D . дои : 10.1017/S0022112094001096 . S2CID 123245307 . Проверено 10 апреля 2023 г.

[13] Бааш, Тьерри; Павлик, Ален; Дуал, Юрг (декабрь 2019 г.). «Сила акустического излучения, действующая на тяжелую частицу в стоячей волне, может определяться акустическим микропотоком» . Физ. Преподобный Е. 100 (6): 061102. Бибкод : 2019PhRvE.100f1102B . дои : 10.1103/PhysRevE.100.061102 . ПМИД 31962519 . S2CID 210870075 . Проверено 10 апреля 2023 г.

[14] Лайтхилл, сэр Джеймс (1978). «Акустическая трансляция». Журнал звука и вибрации . 61 (3). Эльзевир Б.В.: 391–418. Бибкод : 1978JSV....61..391L . дои : 10.1016/0022-460x(78)90388-7 . ISSN 0022-460X .

[15] Болурианн, С. и Моррис, П.Дж.; Аэроакустика, 2003, 2(3), 255-292.

[16] Брюус, Хенрик (2012). «Акустофлюидика 2: Теория возмущений и режимы ультразвукового резонанса». Лабораторный чип . 12 (1). Королевское химическое общество (RSC): 20–28. дои : 10.1039/c1lc20770a . ISSN 1473-0197 . ПМИД 22105715 .

[17] Брюус, Хенрик (15 декабря 2014 г.). «Теория возмущений и ультразвуковые резонансы». Микромасштабная акустофлюидика . Королевское химическое общество. стр. 29–45. дои : 10.1039/9781849737067-00029 . ISBN 978-1-84973-671-8 .

[18] Петерссон, Филип; Нильссон, Андреас; Холм, Сесилия; Йонссон, Хенрик; Лорел, Томас (2005). «Непрерывное отделение липидных частиц от эритроцитов с помощью ламинарного потока и акустических сил стоячей волны» . Лабораторный чип . 5 (1): 20–22. дои : 10.1039/B405748C . ISSN 1473-0197 . ПМИД 15616735 .

[19] Ши, Джинджи; Хуан, Хуа; Страттон, Зак; Хуан, Ипин; Хуанг, Тони Цзюнь (2009). «Непрерывное разделение частиц в микрофлюидном канале с помощью стоячих поверхностных акустических волн (SSAW)». Лаборатория на чипе . 9 (23). Королевское химическое общество (RSC): 3354–3359. дои : 10.1039/b915113c . ISSN 1473-0197 . ПМИД 19904400 .

[20] Нам, Чонхун; Лим, Хёнджон; Ким, Дукон; Шин, Сехён (2011). «Выделение тромбоцитов из цельной крови с помощью стоячих поверхностных акустических волн в микроканале». Лаборатория на чипе . 11 (19). Королевское химическое общество (RSC): 3361–3364. дои : 10.1039/c1lc20346k . ISSN 1473-0197 . ПМИД 21842070 .

[21] Ай, Йе; Сандерс, Клэр К.; Марроне, Бабетта Л. (9 сентября 2013 г.). «Выделение бактерий Escherichia coli из мононуклеарных клеток периферической крови с использованием стоячих поверхностных акустических волн» . Аналитическая химия . 85 (19). Американское химическое общество (ACS): 9126–9134. дои : 10.1021/ac4017715 . ISSN 0003-2700 . ПМЦ 3789253 . ПМИД 23968497 .

[22] Нам, Чонхун; Лим, Хёнджон; Ким, Чунг; Юн Кан, Джи; Шин, Сехён (2012). «Зависимое от плотности разделение инкапсулированных клеток в микрофлюидном канале с помощью стоячей поверхностной акустической волны» . Биомикрофлюидика . 6 (2). Издательство АИП: 24120–2412010. дои : 10.1063/1.4718719 . ISSN 1932-1058 . ПМК 3365908 . ПМИД 22670167 .

[23] Ши, Джинджи; Мао, Сяоле; Ахмед, Дэниел; Коллетти, Эшли; Хуанг, Тони Цзюнь (2008). «Фокусировка микрочастиц в микрофлюидном канале со стоячими поверхностными акустическими волнами (SSAW)». Лабораторный чип . 8 (2). Королевское химическое общество (RSC): 221–223. дои : 10.1039/b716321e . ISSN 1473-0197 . ПМИД 18231658 .

[24] Ши, Джинджи; Язди, Шахрзад; Стивен Лин, С-Чин; Дин, Сяоюнь; Чан, И-Као; Шарп, Кендра; Хуанг, Тони Цзюнь (2011). «Трехмерная непрерывная фокусировка частиц в микрофлюидном канале с помощью стоячих поверхностных акустических волн (SSAW)» . Лаборатория на чипе . 11 (14). Королевское химическое общество (RSC): 2319–24. дои : 10.1039/c1lc20042a . ISSN 1473-0197 . ПМЦ 3997299 . ПМИД 21709881 .

[25] Ли, Сиксинг; Дин, Сяоюнь; Го, Фэн; Чен, Ючао; Лэпсли, Майкл Ян; и др. (23 мая 2013 г.). «Встроенный многоканальный сортировщик капель, использующий стоячие поверхностные акустические волны» . Аналитическая химия . 85 (11). Американское химическое общество (ACS): 5468–5474. дои : 10.1021/ac400548d . ISSN 0003-2700 . ПМЦ 3988909 . ПМИД 23647057 .

[26] Дин, Сяоюнь; Лин, Сз-Чин Стивен; Лэпсли, Майкл Ян; Ли, Сиксинг; Го, Сян; Чан, Чунг Ю; Чан, И-Као; Ван, Линь; Маккой, Дж. Филип; Хуанг, Тони Цзюнь (2012). «Многоканальная сортировка ячеек на основе стоячей поверхностной акустической волны (SSAW)» . Лаборатория на чипе . 12 (21). Королевское химическое общество (RSC): 4228–31. дои : 10.1039/c2lc40751e . ISSN 1473-0197 . ПМЦ 3956451 . ПМИД 22992833 .

[M._Hill_2012-27] Jump up to: ^а ^б Гедж, Майкл; Хилл, Мартин (2012). «Акустофлюидика 17: Теория и применение устройств на поверхностных акустических волнах для манипулирования частицами» (PDF) . Лаборатория на чипе . 12 (17). Королевское химическое общество (RSC): 2998–3007. дои : 10.1039/c2lc40565b . ISSN 1473-0197 . ПМИД 22842855 .

[28] Дин, X.; Лин, С.-ЧС; Кирали, Б.; Юэ, Х.; Ли, С.; Чан, И.-К.; Ши, Дж.; Бенкович, С.Дж.; Хуанг, Ти Джей (25 июня 2012 г.). «Внутричиповые манипуляции с отдельными микрочастицами, клетками и организмами с использованием поверхностных акустических волн» . Труды Национальной академии наук . 109 (28): 11105–11109. Бибкод : 2012PNAS..10911105D . дои : 10.1073/pnas.1209288109 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 3396524 . ПМИД 22733731 .

[29] Кортни, Чарльз Р.П.; Демор, Кристина EM; Ву, Хунсяо; Гриненко, Алон; Уилкокс, Пол Д.; Кокран, Сэнди; Дринкуотер, Брюс В. (14 апреля 2014 г.). «Самостоятельный захват и манипулирование микрочастицами с помощью ловкого акустического пинцета» . Письма по прикладной физике . 104 (15). Издательство AIP: 154103. Бибкод : 2014ApPhL.104o4103C . дои : 10.1063/1.4870489 . ISSN 0003-6951 .

[30] Мэн, Лонг; Цай, Фейян; Чен, Хуанхуань; Ню, Лили; Ли, Янмин; Ву, Джунру; Чжэн, Хайронг (23 апреля 2012 г.). «Точное и программируемое манипулирование микропузырьками с помощью двумерных стоячих поверхностных акустических волн». Письма по прикладной физике . 100 (17). Издательство AIP: 173701. Бибкод : 2012ApPhL.100q3701M . дои : 10.1063/1.4704922 . ISSN 0003-6951 .

[31] Вуд, компакт-диск; Каннингем, Дж. Э.; О'Рорк, Р.; Вэлти, К.; Линфилд, Э.Г.; Дэвис, AG; Эванс, SD (2 февраля 2009 г.). «Формирование и манипулирование двумерными массивами частиц микронного масштаба в микрофлюидных системах с помощью поверхностных акустических волн». Письма по прикладной физике . 94 (5). Издательство AIP: 054101. Бибкод : 2009ApPhL..94e4101W . дои : 10.1063/1.3076127 . ISSN 0003-6951 .

[32] Ситтерс, Геррит; Камсма, Доуве; Талхаммер, Грегор; Ритч-Марс, Моника; Петерман, Эрвин Дж.Г.; Вите, Гийс Дж.Л. (24 ноября 2014 г.). «Акустически-силовая спектроскопия». Природные методы 12 (1). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 47–50. дои : 10.1038/nmeth.3183 . ISSN 1548-7091 . ПМИД 25419961 . S2CID 12886472 .

[33] Лю, Ян Цзюнь; Дин, Сяоюнь; Лин, Сз-Чин Стивен; Ши, Джинджи; Чан, И-Као; Хуан, Тони Цзюнь (14 марта 2011 г.). «Световые ставни, управляемые поверхностной акустической волной, с использованием жидких кристаллов с дисперсией полимеров». Продвинутые материалы . 23 (14). Уайли: 1656–1659. Бибкод : 2011AdM....23.1656L . дои : 10.1002/adma.201003708 . ISSN 0935-9648 . ПМИД 21438028 . S2CID 205238981 .

[34] Чен, Ючао; Дин, Сяоюнь; Стивен Лин, С-Чин; Ян, Шикуань; Хуан, По-Сюнь; и др. (09 апреля 2013 г.). «Создание настраиваемого рисунка нанопроволоки с использованием стоячих поверхностных акустических волн» . АСУ Нано . 7 (4). Американское химическое общество (ACS): 3306–3314. дои : 10.1021/nn4000034 . ISSN 1936-0851 . ПМЦ 3989880 . ПМИД 23540330 .

[35] Ли, Чону; Тэ, Шиа-Йен; Ли, Авраам; Ким, Хён Хэм; Ли, Чангян; Шунг, К. Кирк (17 августа 2009 г.). «Однолучевой акустический захват» . Письма по прикладной физике . 95 (7). Издательство AIP: 073701. Бибкод : 2009ApPhL..95g3701L . дои : 10.1063/1.3206910 . ISSN 0003-6951 . ПМК 2755305 . ПМИД 19798424 .

[Courtney_154103-36] Jump up to: ^а ^б Кортни, Чарльз Р.П.; Демор, Кристина EM; Ву, Хунсяо; Гриненко, Алон; Уилкокс, Пол Д.; Кокран, Сэнди; Дринкуотер, Брюс В. (14 апреля 2014 г.). «Самостоятельный захват и манипулирование микрочастицами с помощью ловкого акустического пинцета» . Письма по прикладной физике . 104 (15): 154103. Бибкод : 2014ApPhL.104o4103C . дои : 10.1063/1.4870489 . ISSN 0003-6951 .

[37] Бареш, Диего; Томас, Жан-Луи; Марчиано, Режис (11 января 2016 г.). «Наблюдение однолучевой акустической ловушки с градиентной силой для упругих частиц: акустический пинцет» (PDF) . Письма о физических отзывах . 116 (2). Американское физическое общество (APS): 024301. Бибкод : 2016PhRvL.116b4301B . дои : 10.1103/physrevlett.116.024301 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 26824541 . S2CID 206267537 .

[Marzo_8661-38] Jump up to: ^а ^б Марзо, Азиер; Си, Сью Энн; Дринкуотер, Брюс В.; Саху, Дипак Ранджан; Лонг, Бенджамин; Субраманиан, Шрирам (27 октября 2015 г.). «Голографические акустические элементы для манипулирования левитирующими предметами» . Природные коммуникации . 6 (1): 8661. Бибкод : 2015NatCo...6.8661M . дои : 10.1038/ncomms9661 . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 4627579 . ПМИД 26505138 .

[39] Коллинз, Дэвид Дж.; Девендран, Чицабехсан; Ма, Чжичао; Нг, Цзя Вэй; Нилд, Адриан; Ай, Йе (2016). «Акустический пинцет с помощью поверхностных акустических волн субвремяпролетного режима» . Достижения науки . 2 (7). Американская ассоциация содействия развитию науки (AAAS): e1600089. Бибкод : 2016SciA....2E0089C . дои : 10.1126/sciadv.1600089 . ISSN 2375-2548 . ПМЦ 4956186 . ПМИД 27453940 .

[40] Хефнер, Брайан Т.; Марстон, Филип Л. (23 ноября 1999 г.). «Акустический преобразователь геликоидальных волн для применения в юстировке ультразвуковых и подводных систем» . Журнал Акустического общества Америки . 106 (6): 3313–3316. Бибкод : 1999ASAJ..106.3313H . дои : 10.1121/1.428184 . ISSN 0001-4966 .

[41] Томас, Жан-Луи; Марчиано, Режис (11 декабря 2003 г.). «Псевдоугловой момент и сохранение топологического заряда для нелинейных акустических вихрей». Письма о физических отзывах . 91 (24): 244302. Бибкод : 2003PhRvL..91x4302T . doi : 10.1103/PhysRevLett.91.244302 . ПМИД 14683126 .

[42] Волке-Сепульведа, Карен; Сантильян, Артуро О.; Буллоса, Рикардо Р. (16 января 2008 г.). «Передача углового момента материи от акустических вихрей в свободном пространстве». Письма о физических отзывах . 100 (2): 024302. Бибкод : 2008PhRvL.100b4302V . doi : 10.1103/PhysRevLett.100.024302 . ПМИД 18232874 .

[43] Мельде, Кай; Марк, Эндрю Г.; Цю, Тянь; Фишер, Пер (сентябрь 2016 г.). «Голограммы для акустики» . Природа . 537 (7621): 518–522. Бибкод : 2016Natur.537..518M . дои : 10.1038/nature19755 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 27652563 . S2CID 4403584 .

[44] Цзян, Сюэ; Ли, Юн; Лян, Бин; Ченг, Цзянь-чунь; Чжан, Ликунь (12 июля 2016 г.). «Преобразование акустических резонансов в орбитальный угловой момент» . Письма о физических отзывах . 117 (3): 034301. Бибкод : 2016PhRvL.117c4301J . doi : 10.1103/PhysRevLett.117.034301 . ПМИД 27472113 .

[45] Хименес, Ноэ; Пико, Р.; Санчес-Морсильо, В.; Ромеро-Гарсия, В.; Гарсия-Раффи, LM; Сталиунас, К. (23 ноября 2016 г.). «Формирование акустических пучков Бесселя высокого порядка с помощью спиральных дифракционных решеток». Физический обзор E. 94 (5): 053004. arXiv : 1604.08353 . Бибкод : 2016PhRvE..94e3004J . дои : 10.1103/PhysRevE.94.053004 . hdl : 2117/101154 . ПМИД 27967159 . S2CID 27190492 .

[46] Хименес, Ноэ; Ромеро-Гарсия, Висент; Гарсия-Раффи, Луис М.; Камарена, Франциско; Сталиунас, Кястутис (14 мая 2018 г.). «Фокусировка острого акустического вихря зонными пластинками спирали Френеля». Письма по прикладной физике . 112 (20): 204101. Бибкод : 2018ApPhL.112t4101J . дои : 10.1063/1.5029424 . hdl : 2117/118785 . ISSN 0003-6951 .

[47] Йо, Лесли Ю.; Друг, Джеймс Р. (3 января 2014 г.). «Микрофлюидика на поверхностных акустических волнах». Ежегодный обзор механики жидкости . 46 (1): 379–406. Бибкод : 2014AnRFM..46..379Y . doi : 10.1146/annurev-fluid-010313-141418 . ISSN 0066-4189 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]

[29]

[30]

[31]

[32]

[33]

[34]

[35]

[36]

[37]

[38]

[39]

[40]

[41]

[42]

[43]

[44]

[45]

[46]

[47]