Из микроканалов сделали акустические волноводы для фокусировки частиц

Физики разработали метод акустической фокусировки частиц в микроканалах, основанный на взаимодействии звуковой волны со стенками канала. За счет этого взаимодействия микроканалы становятся для звуковой волны своеобразным волноводом. В зависимости от частоты используемой волны, с помощью предложенного подхода можно или фокусировать частицы в виде тонкого потока в центре канала, или, наоборот, — разводить их ближе к стенкам, пишут авторы работы в Physical Review Letters.

Одна из задач, с которой часто приходится сталкиваться при использовании микрофлюидных устройств, — фокусировка и разделение по размерам небольших коллоидных частиц, макромолекул или клеток. Для решения этой задачи, наряду с гидродинамическими методами (в первую очередь, инерционной фокусировкой и фракционирования с помощью комбинации потока и внешнего поля) и методами, основанными на использовании электрического или магнитного полей, довольно часто предлагают использовать акустические волны. Как правило, фокусировка и разделение коллоидных частиц или клеток с помощью акустических волн происходит за счет их взаимодействия с самой жидкостью, в результате чего возникает поле давлений, которое направляет частицы в нужные положения. При этом обычно длина волны и геометрические параметры каналов не связаны друг с другом напрямую, поэтому нужные параметры приходится подбирать вручную, а взаимодействие акустической волны со стенками только уменьшает точность фокусировки.

Группа физиков из Сингапура, Австралии и США под руководством Е Ая (Ye Ai) из Сингапурского университета технологии и дизайна предложила не подавлять взаимодействие акустической волны со стенками канала, а наоборот, использовать этот эффект для повышения точности фокусировки. Для этого авторы работы использовали поверхностные акустические волны, фронт которых направлен вдоль стенок каналов. Источником акустической волны служила нижняя стенка канала. Из-за взаимодействия распространяющихся по жидкости акустических волн с вертикальными стенками, в жидкости создается очень неоднородное поле давлений, симметрия распределения которого определяется с геометрией канала.

Чтобы показать, что подобная геометрия эксперимента вообще может использоваться для фокусировки частиц, авторы работы рассчитали распределение давлений в канале, исходя из принципа Гюйгенса — Френеля, согласно которому каждая точка волнового фронта служит вторичным источником сферических волн. За счет возможного отражения волны от стенок канала области повышенного и пониженного среднего давления оказываются ориентированы вдоль стенок канала, который становится таким образом для акустической волны своеобразным волноводом.

При этом рассчитанный критический угол полного внутреннего отражения, который необходим для наблюдения такого эффекта, составляет для скорости распространения звука в воде и полидиметилсилоксане (из которого делают микрофлюидные чипы) 43 градуса. За счет взаимодействия с коллоидными частицами внутри канала возникающие поля можно использовать и для фокусировки частиц, которые смещаются из областей высокого давления в области низкого. Изменяя частоту звуковой волны (то есть фактически отношение длины волны к ширине канала), можно менять положение и размер этих областей.

Предложенный принцип ученые проверили экспериментально, используя змеевидные каналы из полидемителсилоксана высотой 22 микрометра и шириной 200 микрометров, в которых на отдельных участках происходит фокусировка частиц. Поверхностная акустическая волна длиной от 60 до 100 микрометров распространялась в предложенном устройстве по подложке, на которой находится весь микрофлюидный чип.

Изменяя частоту акустической волны, авторам удалось добиться двух различных режимов фокусировки. Так, при частоте 53,3 мегагерца частицы фокусировались в центре канала, а при частоте 46,2 мегагерца - наоборот, разводились к стенкам канала. Если же частоту волны подобрать таким образом, чтобы длина волны была в четыре раза меньше ширины канала, то можно добиться образования четырех равнозначных положений равновесия, и частицы можно разводить по четырем каналам.

По словам авторов работы, предложенный ими метод поможет в будущем значительно расширить спектр возможных применений устройств, основанных на принципах акустической микрофлюидики. Если правильно учитывать взаимодействия между акустическими волнами и стенками каналов, можно изменять время нахождения частиц в канале, их гидродинамическое поведение, а также форму кластеров, в которые они собираются.

Чтобы фокусировать частицы в микроканале на определенном расстоянии от стенки, кроме акустических методов можно использовать, инерционные гидродинамические силы, которые, кроме непосредственно фокусировки, еще и позволяют развести отдельные частицы на одинаковое расстояний друг от друга. Для альтернативного способа разделения частиц ученые предлагают применять комбинацию электрического поля и бороздок на стенках канала.

Александр Дубов