用于微流控颗粒分选Sorting的声学技术

本文介绍了声学技术及其在微流控装置(声流控)中的应用，作为分离和分选微流控系统中颗粒的一种方法。

 

1. 声学技术概论

由于微加工和微流体装置的发展，在过去的几十年里，根据颗粒的形状、灵活性和活性等特性来分离和分类颗粒的标准技术已经发展起来。微流控系统的规模在医学、生物和食品科学中有着广泛的应用，如诊断、化学和生物分析。微流控系统可以根据颗粒的物理性质集成各种分选方法，但也可以与声、光和磁等外部场一起使用。利用声波对各种大小的颗粒进行分类特别有效，用途广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. 微流控装置中用于声流体的不同声波

通常使用两种不同的波模式来对颗粒进行分类:表面声波(SAW)和体声波(BAW)。当声波与介质相互作用时，会出现两种声学现象:声流和声辐射力。它们作用于微流控通道内的颗粒，用于对颗粒进行分类的要么是这些现象中的一种，要么是它们的结合。这些波通常由交叉换能器(IDT)产生，该换能器由放置在通道两侧的电极组成。SAW是独特的，可以在衬底表面传播。大多数情况下，使用半波长谐振器。在这种情况下，最小压力幅值对应的压力节点位于微流控通道的中心，最大压力幅值对应的反极位于通道壁上。两种不同的声波，分别是行表面声波(TSAW)和驻表面声波(SSAW)，这取决于它们产生的方式，使用一组idt或两个不同的源。

BAW是一种在介质中传播的波，通常由大块压电换能器而不是idt产生。换能器通常放置在微流体装置的下方。为了优化这些方法的整体性能，需要进行深入的研究，以选择最佳的频率范围和最精确的微流控器件几何形状。事实上，声流方法的效率很大程度上取决于所研究颗粒的大小和所用流体的物理性质。同样重要的是要澄清，声学技术适合于从一微米到10-20微米的颗粒尺寸范围。以下综述中的大多数实验都是使用saw进行的。

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.根据颗粒大小在微流控装置中分选颗粒:自由流动声阻抗

在自由流动声阻抗中，粒子在随流输送的过程中，基本上是被声辐射力驱动向一个压力节点。可以看出，这种声辐射力与粒子半径的三次方成正比(Lenshof et al, 2012)。因此，颗粒越大，作用在颗粒上的力就越大，颗粒向压力节点移动的速度也就越快(图3a)。

因此，自由流声阻抗是一种很好的多级分馏方法(图3b)。预先聚焦的混合粒子溶液暴露在声力下。与较小的粒子相比，较大的粒子向压力节点移动得更快。因此，不同尺寸的颗粒在微流控通道中处于不同的位置。与颗粒大小一样多的出口，然后可以以一种简单的方式对颗粒进行分类。为了设计高效的微流控装置，需要考虑两个参数:颗粒流进入声区时的宽度与通道宽度的比值，以及颗粒在声区中移动的距离。自由流声阻抗在医学应用中很受欢迎。例如，它已被用于分离白细胞、红细胞和血小板(Petersson et al .， 2007)。对于高浓度的溶液，通常的半波长声学谐振器后面跟着一个分离器的配置是不够有效的。一些特殊的设计已被报道，其中颗粒依次从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. 微流控装置中基于声学对比因子的颗粒分选:二元声阻抗

除了粒径，密度和可压缩性的差异也可以用来分离和分选颗粒。这两个参数确实涉及到粒子声学对比系数的计算(Lenshof et al, 2012)。这种被称为二元声阻抗的分离过程是基于两个粒子可能具有不同的声学对比因子的想法。具有正声因子的粒子被主声力驱动到压力节点。相反，对于声学因子为负的粒子，力的作用方向相反，粒子向反方向移动。对于半波长谐振腔，粒子在中心出口和侧出口之间分离。

这样就可以分离和分选大小相同但密度不同的颗粒(封装的细胞)(图4a)。被包裹的细胞的数量和密度改变了珠的密度。通过鞘流的应用将珠子聚焦在通道中心后，当施加声波时，根据它们的密度，珠子会横向漂移。密度较大时挠度最大;对于没有电池的珠子，没有观察到偏转。尺寸和密度相当的聚合物颗粒由于可压缩性不同，可以通过二元声阻抗进行分选(图4b)。二元分离在医疗领域的应用非常有意义，例如在心脏手术中去除血液中的脂质栓塞(Petersson et al, 2004)或食品领域(图4c)。在某些情况下，所研究的颗粒具有可比的声学对比因子。然而，一种解决方案是改变缓冲以获得极性相反的粒子(Gupta et al .， 1995)。然后可以通过调整介质的密度来进行二元分离，例如加入氯化铯(Petersson等人，2007年)。为了找到这样的解决方案，需要知道所研究物种的声物理特性。在测量粒子的压缩性和密度方面取得了进展(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. 通过操纵声波频率在微流控装置中分选颗粒

通过切换声波的频率，从而通过调整主声辐射力的大小，可以获得两个不同粒子在不同压力节点上的对齐(图5a)。为了得到好的结果，需要对频率和时间间隔进行良好的控制，以及对温度的良好控制。切换频率也是一种很好的技术，可以对多个出口的类似颗粒进行分类。根据施加的频率，粒子被驱动到不同的压力节点。为了优化设置，需要仔细选择通道设计和频率选择(图5b)。为了对窄尺寸分布的种群进行排序，可以连接几个谐振器以获得“带通”粒度滤波(图5c)。两个声波区的频率可以单独和独立地调谐，从而更好地控制分离。

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. 利用声波的微流控装置中的介质/缓冲开关

最后，使用声波也是将粒子从一种溶液转变为另一种溶液的好方法。微流体通道中的流动是层流的。这样就有可能在微流体通道中有两个层流相互平行流动。通过施加声波，可以将粒子从一个流移动到另一个流。介质/缓冲开关相当于离心洗涤。已经报道了完成介质/缓冲开关的不同设计:层状谐振器(图6a)，具有两个入口和两个出口的微流体通道(图6b)，横向谐振器(图6c)和位于通道一侧具有多个入口和出口的装置(图6d)。

声波电泳的使用减少了分析时间和错误的风险，因为不再需要几个离心步骤。该技术对于提取复杂溶液中存在的稀有物种也很有意义。可以使用与所选颗粒具有特殊亲和力的珠子，并且在结合它们之后，可以对所选物种进行分类(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

总结

利用声流分离技术，细胞和其他生物颗粒可以以高产量、高纯度和生物相容性分离出来。由于该技术的无标签、生物相容性和无接触性质，声流分离是一种强大的工具。通过精心设计和调整应用的声场，开发用于分离亚微米生物颗粒的自动化点护理设备已经成为可能。因此，传统分离工具的许多限制可以被克服。此外，研究实验室的进展可以快速用于解决临床问题(Wu et al.， 2019)。

参考文献

1, Lenshof A., Magnusson C., Laurell T., Acoustofluidics 8: Applications of acoustophoresis in continuous flow microsystems, Lab Chip, 2012, 12, 1210, DOI: 10.1039/c2Ic21256k

2, Sajeesh P., Sen A.K., Particle separation and sorting in microfluidic devices: a review, Microfluidics and Nanofluidics, 2013, 17(1), 1-52, DOI: 1007/s10404-013-1291-9

3, Xi H.-D., Zheng H., Guo W., Ganan-Calvo A. M., Ai Y., Tsao C.-W., Zhou J., Li W., Huang Y., Nguyen N.-T., Tan S. H., Active droplet sorting in microfluidics: a review, Lab Chip, 2017, 17, 751, DOI: 10.1039/c6lc01435f

4, Petersson F., Aberg L., Sward-Nilsson A.-M., Laurell T., Free Flow Acoustophoresis: Microfluidic-Based Mode of Particle and Cell Separation, Chem., 2007, 79(14), 5117-5123, DOI: 10.1021/ac070444e

5, Lenshof A., Ahmad-Tajudin A., Järas K., Swärd-Nilsson A.-M., Aberg L., Marko-Varga G., Malm J., Lilja H., Laurell T., Acoustic Whole Blood Plasmapheresis Chip for Prostate Specific Antigen Microarray Diagnostics, Chem., 2009, 81(15), 6030-6037, DOI: 10.1021/ac9013572

6, Johnson D. A., Feke D. L., Methodology for fractionating suspended particles using ultrasonic standing wave and divided flow fields, Separations Technology, 1995, 5(4), 251-258, DOI: 10.1016/0956-9618(95)00130-1

7, Guldiken R., Jo M.C., Gallant N.D., Demirci U., Zhe J., Sheathless Size-Based Acoustic Particle Separation, Sensors, 2012, 12(1), 905-922, DOI: 10.3390/s120100905

8, Petersson F., Nilsson A., Holm C., Jonsson H., Laurell T., Separation of lipids from blood utilizing ultrasonic standing waves in microfluidic channels, Analyst, 2004, 129(10):938-943, DOI: 10.1039/b409139f

9, Gupta S., Feke D. L., Manas-Zloczower I., Fractionation of mixed particulate solids according to compressibility using ultrasonic standing wave fields, Eng. Sci., 1995, 50(20), 3275-3284, DOI: 10.1016/0009-2509(95)00154-w

10, Augustsson P., Barnkob R., Wereley S. T., Bruus H., Laurell T., Automated and temperature-controlled micro-PIV measurements enabling long-term-stable microchannel acoustophoresis characterization, Lab Chip, 2011, 11(24), 4152-4164, DOI: 10.1039/C1LC20637K

11, Nam J., Lim H., Kim C., Kang J.Y., Shin S., Density-dependent separation of encapsulated cells in a microfluidic channel by using a standing surface acoustic wave, Biomicrofluidics, 2012, 6(2):024120, DOI: 10.1063/1.4718719

12, Grenvall C., Augustsson P., Folkenberg J. R., Laurell T., Harmonic Microchip Acoustophoresis: A Route to Online Raw Milk Sample Precondition in Protein and Lipid Content Quality Control, Chem., 2009, 81, 15, 6195-6200, DOI: 10.1021/ac900723q

13, Liu Y., Lim K.-M., Particle separation in microfluidics using a switching ultrasonic field, Lab Chip, 2011, 11, 3167-3173, DOI: 10.1039/C1LC20481E

14, Li S., Ding X., Guo F., Chen Y., Lapsley M. I., Lin S.-C. S., Wang L., McCoy J. P., Cameron C. E., Huang T. J., An On-Chip, Multichannel Droplet Sorter Using Standing Surface Acoustic Waves, Chem., 2013, 85, 11, 5468-5474, DOI: 10.1021/ac400548d

15, Adams J.D., Soh H.T., Tunable acoustophoretic band-pass particle sorter, Phys. Lett., 2010, 97, 064103, DOI: 10.1063/1.3467259

16, Persson J., Augustsson P., Laurell T., Ohlin M., Acoustic microfluidic chip technology to facilitate automation of phage display selection, FEBS, 2008, 275, 5657-5666, DOI: 10.1111/j.1742-4658.2008.06691.x

17, Hawkes J. J., Barber R. W., Emerson D. R., Coakley W. T., Continuous cell washing and mixing driven by an ultrasound standing wave within a microfluidic channel, Lab Chip, 2004, 4, 446-452, DOI: 10.1039/B408045A

18, Liu Y., Hartono D., Lim K.-M., Cell separation and transportation between two miscible fluid streams using ultrasound, Biomicrofluidics, 2012, 6: 012802, DOI: 10.1063/1.3671062

19, Petersson F., Nilsson A., Jonsson H., Laurell T., Carrier Medium Exchange through Ultrasonic Particle Switching in Microfluidic Channels, Chem., 2005, 77, 5, 1216-1221, DOI: 10.1021/ac048394q

20, Augustsson P., Aberg L. B., Sward-Nilsson A.-M. K., Laurell T., Buffer medium exchange in continuous cell and particle streams using ultrasonic standing wave focusing, Microchim Acta, 2009, 164, 269-277, DOI: 10.1007/s00604-008-0084-4

21, Wu, M., Ozcelik, A., Rufo, J. et al., Acoustofluidic separation of cells and particles, Microsystems & Nanoengineering, 2019, 5, 32, https://doi.org/10.1038/s41378-019-0064-3