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. 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