本文介紹了聲學(xué)技術(shù)及其在微流控裝置(聲流控)中的應(yīng)用，作為分離和分選微流控系統(tǒng)中顆粒的一種方法。

 

1. 聲學(xué)技術(shù)概論

由于微加工和微流體裝置的發(fā)展，在過(guò)去的幾十年里，根據(jù)顆粒的形狀、靈活性和活性等特性來(lái)分離和分類顆粒的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展起來(lái)。微流控系統(tǒng)的規(guī)模在醫(yī)學(xué)、生物和食品科學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用，如診斷、化學(xué)和生物分析。微流控系統(tǒng)可以根據(jù)顆粒的物理性質(zhì)集成各種分選方法，但也可以與聲、光和磁等外部場(chǎng)一起使用。利用聲波對(duì)各種大小的顆粒進(jìn)行分類特別有效，用途廣泛且具有生物相容性。

Figure 1: Acoustic waves enable the separation of particles with different sizes (Lenshof et al, 2012).

2. 微流控裝置中用于聲流體的不同聲波

通常使用兩種不同的波模式來(lái)對(duì)顆粒進(jìn)行分類:表面聲波(SAW)和體聲波(BAW)。當(dāng)聲波與介質(zhì)相互作用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩種聲學(xué)現(xiàn)象:聲流和聲輻射力。它們作用于微流控通道內(nèi)的顆粒，用于對(duì)顆粒進(jìn)行分類的要么是這些現(xiàn)象中的一種，要么是它們的結(jié)合。這些波通常由交叉換能器(IDT)產(chǎn)生，該換能器由放置在通道兩側(cè)的電極組成。SAW是獨(dú)特的，可以在襯底表面?zhèn)鞑?。大多?shù)情況下，使用半波長(zhǎng)諧振器。在這種情況下，Z小壓力幅值對(duì)應(yīng)的壓力節(jié)點(diǎn)位于微流控通道的中心，Z大壓力幅值對(duì)應(yīng)的反極位于通道壁上。兩種不同的聲波，分別是行表面聲波(TSAW)和駐表面聲波(SSAW)，這取決于它們產(chǎn)生的方式，使用一組idt或兩個(gè)不同的源。

BAW是一種在介質(zhì)中傳播的波，通常由大塊壓電換能器而不是idt產(chǎn)生。換能器通常放置在微流體裝置的下方。為了優(yōu)化這些方法的整體性能，需要進(jìn)行深入的研究，以選擇Z佳的頻率范圍和Z精確的微流控器件幾何形狀。事實(shí)上，聲流方法的效率很大程度上取決于所研究顆粒的大小和所用流體的物理性質(zhì)。同樣重要的是要澄清，聲學(xué)技術(shù)適合于從一微米到10-20微米的顆粒尺寸范圍。以下綜述中的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都是使用saw進(jìn)行的。

Figure 2: Schematic summarizing the different acoustic waves used to sort particles. Orange stands for oil flow and green stands for aqueous flow (Xi et al, 2017).

3.根據(jù)顆粒大小在微流控裝置中分選顆粒:自由流動(dòng)聲阻抗

在自由流動(dòng)聲阻抗中，粒子在隨流輸送的過(guò)程中，基本上是被聲輻射力驅(qū)動(dòng)向一個(gè)壓力節(jié)點(diǎn)?？梢钥闯?，這種聲輻射力與粒子半徑的三次方成正比(Lenshof et al, 2012)。因此，顆粒越大，作用在顆粒上的力就越大，顆粒向壓力節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的速度也就越快(圖3a)。

因此，自由流聲阻抗是一種很好的多級(jí)分餾方法(圖3b)。預(yù)先聚焦的混合粒子溶液暴露在聲力下。與較小的粒子相比，較大的粒子向壓力節(jié)點(diǎn)移動(dòng)得更快。因此，不同尺寸的顆粒在微流控通道中處于不同的位置。與顆粒大小一樣多的出口，然后可以以一種簡(jiǎn)單的方式對(duì)顆粒進(jìn)行分類。為了設(shè)計(jì)高效的微流控裝置，需要考慮兩個(gè)參數(shù):顆粒流進(jìn)入聲區(qū)時(shí)的寬度與通道寬度的比值，以及顆粒在聲區(qū)中移動(dòng)的距離。自由流聲阻抗在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中很受歡迎。例如，它已被用于分離白細(xì)胞、紅細(xì)胞和血小板(Petersson et al .， 2007)。對(duì)于高濃度的溶液，通常的半波長(zhǎng)聲學(xué)諧振器后面跟著一個(gè)分離器的配置是不夠有效的。一些特殊的設(shè)計(jì)已被報(bào)道，其中顆粒依次從通道中心的主流中移除。

Figure 3: Sorting particles in microfluidic devices using free-flow acoustophoresis: (a) separation based on size (reported by Johnson and Feke, 1995), (b) multiplexed separation of mixed suspension through a two steps process (Guldiken et al, 2012).

4. 微流控裝置中基于聲學(xué)對(duì)比因子的顆粒分選:二元聲阻抗

除了粒徑，密度和可壓縮性的差異也可以用來(lái)分離和分選顆粒。這兩個(gè)參數(shù)確實(shí)涉及到粒子聲學(xué)對(duì)比系數(shù)的計(jì)算(Lenshof et al, 2012)。這種被稱為二元聲阻抗的分離過(guò)程是基于兩個(gè)粒子可能具有不同的聲學(xué)對(duì)比因子的想法。具有正聲因子的粒子被主聲力驅(qū)動(dòng)到壓力節(jié)點(diǎn)。相反，對(duì)于聲學(xué)因子為負(fù)的粒子，力的作用方向相反，粒子向反方向移動(dòng)。對(duì)于半波長(zhǎng)諧振腔，粒子在中心出口和側(cè)出口之間分離。

這樣就可以分離和分選大小相同但密度不同的顆粒(封裝的細(xì)胞)(圖4a)。被包裹的細(xì)胞的數(shù)量和密度改變了珠的密度。通過(guò)鞘流的應(yīng)用將珠子聚焦在通道中心后，當(dāng)施加聲波時(shí)，根據(jù)它們的密度，珠子會(huì)橫向漂移。密度較大時(shí)撓度Z大;對(duì)于沒(méi)有電池的珠子，沒(méi)有觀察到偏轉(zhuǎn)。尺寸和密度相當(dāng)?shù)木酆衔镱w粒由于可壓縮性不同，可以通過(guò)二元聲阻抗進(jìn)行分選(圖4b)。二元分離在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用非常有意義，例如在心臟手術(shù)中去除血液中的脂質(zhì)栓塞(Petersson et al, 2004)或食品領(lǐng)域(圖4c)。在某些情況下，所研究的顆粒具有可比的聲學(xué)對(duì)比因子。然而，一種解決方案是改變緩沖以獲得極性相反的粒子(Gupta et al .， 1995)。然后可以通過(guò)調(diào)整介質(zhì)的密度來(lái)進(jìn)行二元分離，例如加入氯化銫(Petersson等人，2007年)。為了找到這樣的解決方案，需要知道所研究物種的聲物理特性。在測(cè)量粒子的壓縮性和密度方面取得了進(jìn)展(Augustsson et al, 2011)。

Figure 4: Sorting particles in microfluidic devices using binary acoustophoresis: (a) separation of beads based on density (Nam et al, 2012), (b) separation of polymer particles based on compressibility (Gupta et al, 1995), (c) separation of lipid particles (white) in milk driven

5. 通過(guò)操縱聲波頻率在微流控裝置中分選顆粒

通過(guò)切換聲波的頻率，從而通過(guò)調(diào)整主聲輻射力的大小，可以獲得兩個(gè)不同粒子在不同壓力節(jié)點(diǎn)上的對(duì)齊(圖5a)。為了得到好的結(jié)果，需要對(duì)頻率和時(shí)間間隔進(jìn)行良好的控制，以及對(duì)溫度的良好控制。切換頻率也是一種很好的技術(shù)，可以對(duì)多個(gè)出口的類似顆粒進(jìn)行分類。根據(jù)施加的頻率，粒子被驅(qū)動(dòng)到不同的壓力節(jié)點(diǎn)。為了優(yōu)化設(shè)置，需要仔細(xì)選擇通道設(shè)計(jì)和頻率選擇(圖5b)。為了對(duì)窄尺寸分布的種群進(jìn)行排序，可以連接幾個(gè)諧振器以獲得“帶通”粒度濾波(圖5c)。兩個(gè)聲波區(qū)的頻率可以單獨(dú)和獨(dú)立地調(diào)諧，從而更好地控制分離。

Figure 5: Sorting particles in microfluidic devices by manipulating frequencies of acoustic waves: (a) particles of different sizes are separated by modifying the position of acoustic nodes in the microfluidic channel (Liu and Lim, 2012), (b) identical water-in-oil droplets are s

6. 利用聲波的微流控裝置中的介質(zhì)/緩沖開(kāi)關(guān)

Z后，使用聲波也是將粒子從一種溶液轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N溶液的好方法。微流體通道中的流動(dòng)是層流的。這樣就有可能在微流體通道中有兩個(gè)層流相互平行流動(dòng)。通過(guò)施加聲波，可以將粒子從一個(gè)流移動(dòng)到另一個(gè)流。介質(zhì)/緩沖開(kāi)關(guān)相當(dāng)于離心洗滌。已經(jīng)報(bào)道了完成介質(zhì)/緩沖開(kāi)關(guān)的不同設(shè)計(jì):層狀諧振器(圖6a)，具有兩個(gè)入口和兩個(gè)出口的微流體通道(圖6b)，橫向諧振器(圖6c)和位于通道一側(cè)具有多個(gè)入口和出口的裝置(圖6d)。

聲波電泳的使用減少了分析時(shí)間和錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)椴辉傩枰獛讉€(gè)離心步驟。該技術(shù)對(duì)于提取復(fù)雜溶液中存在的稀有物種也很有意義?？梢允褂门c所選顆粒具有特殊親和力的珠子，并且在結(jié)合它們之后，可以對(duì)所選物種進(jìn)行分類(Persson et al, 2008)。

Figure 6: Different principles of medium switching in microfluidic devices using acoustic waves: (a) a layered resonator where the aim is to elevate the particles in the upper channel (Hawkes et al, 2004), (b) a separation process of two species using a microchannel with two inle

總結(jié)

利用聲流分離技術(shù)，細(xì)胞和其他生物顆?？梢砸愿弋a(chǎn)量、高純度和生物相容性分離出來(lái)。由于該技術(shù)的無(wú)標(biāo)簽、生物相容性和無(wú)接觸性質(zhì)，聲流分離是一種強(qiáng)大的工具。通過(guò)精心設(shè)計(jì)和調(diào)整應(yīng)用的聲場(chǎng)，開(kāi)發(fā)用于分離亞微米生物顆粒的自動(dòng)化點(diǎn)護(hù)理設(shè)備已經(jīng)成為可能。因此，傳統(tǒng)分離工具的許多限制可以被克服。此外，研究實(shí)驗(yàn)室的進(jìn)展可以快速用于解決臨床問(wèn)題(Wu et al.， 2019)。

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