マイクロチャネル内での回折ベースの音響操作は、粒子やバクテリアの連続的な集束を可能にします

Diffraction-based acoustic manipulation in microchannels enables continuous particle and bacteria focusing.

• Citsabehsan Devendran
• Kyungyong Choi
• Jongyoon Han
• Ye Ai
• Adrian Neild
• David J Collins

抄録

音響場はマイクロマニピュレーションに広く利用されていますが、マイクロ流体デバイスへの実装には、しばしば正確な位置合わせや、典型的な定在表面弾性波（SSAW）デバイスや共振チャネルを含む高精度なチャネル寸法が必要となります。本研究では、表面弾性波（SAW）トランスデューサをマイクロチャンネルで束ねることにより、時間平均した空間的に変化する音圧ランドスケープが生成される現象である回折音響学に基づいて、連続的なマイクロスケール集束を可能にするアプローチを検討しています。この音場は回折効果により、単一の進行波のみで形成されます。この音場は、伝播する基板結合波とチャネル形状の相互作用によって決定されるため、SAW基板上での並進に関係なく、チャネルの向きが決まっていれば圧力分布は同じになります。さらに、回折フリンジパターンの間隔のオーダーの寸法を持つチャネルの場合、音響放射力が浮遊粒子をチャネルの端に押し付けることで、集束位置の数はすべてのチャネルの向きで同じになります。我々は、ストリーミングと音響放射支配的な濃度位置の2つの異なるセットを決定し、この非常に堅牢な粒子操作技術を探求し、ポリスチレン1μmと0.5μmの直径の粒子と蛍光標識された大腸菌細胞の連続的な集束を示していますミクロンおよびサブミクロンサイズの粒子のための以前のマイクロ流体実装のそれらを超える流量で。

Acoustic fields have shown wide utility for micromanipulation, though their implementation in microfluidic devices often requires accurate alignment or highly precise channel dimensions, including in typical standing surface acoustic wave (SSAW) devices and resonant channels. In this work we investigate an approach that permits continuous microscale focusing based on diffractive acoustics, a phenomenon where a time-averaged spatially varying acoustic pressure landscape is produced by bounding a surface acoustic wave (SAW) transducer with a microchannel. By virtue of diffractive effects, this acoustic field is formed with the application of only a single travelling wave. As the field is dictated by the interplay between a propagating substrate-bound wave and a channel geometry, the pressure distribution will be identical for a given channel orientation regardless of its translation on a SAW substrate, and where small variations in channel size have no substantive effect on the pressure field magnitude or overall particle migration. Moreover, in the case of a channel with dimensions on the order of the diffractive fringe pattern spacing, the number of focusing positions will be identical for all channel orientations, with acoustic radiation forces pushing suspended particles to the channel edges. We explore this highly robust particle manipulation technique, determining two distinct sets of streaming and acoustic radiation dominant concentration positions, and show the continuous focusing of polystyrene 1 μm and 0.5 μm diameter particles and fluorescently labeled E. coli bacteria cells at flow rates exceeding those of previous microfluidic implementations for micron and submicron sized particles.