作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 声光液体离心机平台的工作原理
(一)声光离心系统示意图
微滴被放置在一个PDMS环上，该环限定了流体的边界，并且位于两个倾斜的内扩散层之间
当声表面波传播到液滴中时，液-气界面由于声辐射压力而变形，液滴开始旋转
在诱导涡流和旋转液滴的影响下，液滴内部的颗粒将遵循螺旋轨迹(插图)
显示30微升旋转液滴侧视图的图像序列
声表面波在0秒时被激活
该序列显示，当液滴开始旋转时，它会伸展成一个凹入的椭球形状，如(A)所示
黄色箭头表示随旋转液滴一起旋转的参考位置
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
abc0467 最近，液滴作为从细胞核到恒星黑洞的各种迷人物理现象的简化模型，重新引起了人们的关注
在《科学进展》杂志上发表的一份新报告中，谷羽杨和一组美国科学家
S
介绍了一种声流体离心技术，该技术利用声波驱动的缠结和流体微滴的旋转来实现纳米粒子的富集和分离
他们将声学扫描和液滴旋转方法结合起来，实现了快速的纳米粒子浓缩和基于尺寸的分离，分辨率足以识别和分离外来子群体
外来体是纳米级的细胞外囊泡，可以将分子货物从一个细胞运送到另一个细胞，因此在药物递送和生物分子发现应用的生物医学研究中是强有力的载体/载体
该团队从数字和实验两方面描述了这一过程的基本机制，以及在设备中处理生物样本的能力
声流体离心法克服了生物、化学、工程、材料科学和医学等多学科领域中纳米尺度生物粒子操作的现有限制
声光液体离心系统 材料科学家的目标是操纵纳米粒子用于各种生物医学和生物化学应用，包括基因或药物输送、生物测定、诊断和催化反应
因此，为了纳米结构在多学科领域的应用，有必要执行纳米粒子浓缩或分离的步骤
声流体学旨在将声学和微流体学结合起来，实现简单的设备设计
在这项工作中，顾等人
介绍了一种声学流体离心系统，用于声学操纵尺寸小至几纳米的粒子
该方法允许各种功能，包括纳米粒子浓缩、分离和运输
基本系统包含一对倾斜的叉指换能器和一个圆形聚二甲基硅氧烷(PDMS)环，以封装一部分液滴并确定其形状
该团队产生表面声波(SAWs)来启动液滴旋转运动
该过程允许斯托克斯沿着圆形闭合路径漂移，以传递流体的动量，从而显著地将液滴内的内部流动速度和剪切速率提高许多倍
根据数值模拟，声波可以旋转具有可变样本体积的液滴，以影响驻留在液滴内的各种尺寸的纳米粒子
该团队希望将微米/纳米尺度的工作转化为简化转染过程，以自动装载囊泡货物并加速液体活检
声流体离心装置中液滴旋转和粒子运动的表征
(一)一系列图像，显示显微镜下旋转液滴的俯视图
(二)沿a-a′线叠加图像的相应时间序列，显示椭球液滴的周期性旋转
旋转液滴上某一点的瞬时速度可以从距离随时间变化的归一化拟合中提取出来
(四)理论和实验液滴转速[每分钟转数]与液滴半径变化的关系
液滴的体积是指PDMS环上方的体积
(五)理论计算和(六)实验观察的粒子轨迹，显示双旋转模式；粒子在接近液滴中心的同时也围绕其局部轴旋转，从而沿着螺旋路径运动
比例尺，500微米
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abc0467 该装置的工作原理 顾等
在PDMS环上放置一个液滴来限制流体边界，并将其置于两个倾斜的叉指换能器之间
然后，他们向倾斜的叉指换能器施加电信号，以产生两个行进的表面声波，从两个相反的方向沿着基底传播，从而进入微滴
由于声辐射压力，该过程使液-气界面变形，液滴开始旋转
由于诱导涡流和液滴旋转运动的影响，液滴内部的颗粒遵循螺旋轨迹
科学家们获得了一系列图像来显示30升旋转液滴的侧视图
他们使用波形的傅立叶变换计算旋转液滴的旋转速度，并从m的波中提取液滴速度，并将旋转速度与经典液滴振荡动力学进行比较
声流体离心机快速富集纳米粒子
(一)数值模拟旋转液滴内的粒子轨迹
当液滴开始旋转时，最初随机分布在液滴内部的粒子(左)沿着螺旋轨迹运动，直到集中在液滴的中间(右)
(二)声场开启前(左)后(右)的荧光图像，显示28纳米PS粒子的富集
比例尺，50微米
(三)有(实验结果)和无(模拟结果)液滴旋转时的流动速度
(四)计算出的液滴内部平均剪切速率对速度的曲线图
当没有旋转液滴(仅流动)时，剪切速率随着更高的旋转速度而增加，并上升到剪切速率的数倍
(五)显示旋转液滴中脱氧核糖核酸富集和荧光信号增强过程的流程图
旋转液滴中测量的脱氧核糖核酸荧光强度与时间的关系图
插图:信号增强前后的荧光图像
比例尺，50微米
a
u
，任意单位
学分:科学进步，doi: 10
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abc0467 设备内液滴和纳米粒子的动力学 研究小组随后利用一系列图像研究了液滴旋转和粒子在声光离心装置中的运动
这些粒子表现出双重旋转模式——当接近液滴中心时沿着螺旋路径行进，同时也围绕它们的局部轴旋转
他们使用一系列频率来激发液滴的旋转
随着施加的功率增加，液滴保持其平衡形状，然后开始经历小的振荡，直到声功率达到阈值，此时液滴进入稳定旋转
先前的研究显示了声表面波(表面声波)是如何在液滴内部引发声流漩涡的，因此，研究小组分析了旋转液滴内部粒子的运动
在实验过程中，纳米粒子沿着对应于斯托克斯漂移效应的螺旋轨迹移动
他们用一个快速摄像机监控1米粒子的运动，并使用粒子跟踪测速仪分析视频，观察粒子遵循的螺旋形轨迹
随着液滴的每次旋转，粒子进行一次局部旋转，同时沿着螺旋路径向液滴的全局中心移动
通过这种方式，该过程将颗粒向内推动，以将纳米颗粒集中到液滴中心
通过声光液体离心机的不同纳米颗粒浓度
数值模拟结果显示尺寸为100纳米(红色)和28纳米(蓝色)的粒子的纳米粒子轨迹的差异
当100纳米粒子集中在旋转液滴的中心时，28纳米粒子遵循螺旋轨迹，但在整个液滴中保持随机分布
绿色荧光蛋白
(乙，丙)显微镜图像显示的实验结果粒子分离与100-(丙)和28纳米(乙)粒子
比例尺，100微米
(四)沿液滴轴线的荧光强度，显示100纳米颗粒的浓度效应
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abc0467 纳米粒子的快速富集 通过数值和实验研究，该团队展示了纳米粒子如何快速集中在直径小至28纳米的旋转液滴中
纳米粒子的快速浓缩也可以促进荧光标记的生物样品的检测，例如顾等人的DNA分子
在这项工作中得到证明
该团队使用荧光染料检测液滴中的脱氧核糖核酸样本，并为液滴旋转产生声音信号
他们根据样品中的脱氧核糖核酸浓度实现了信号放大和增强的信号检测
除了纳米粒子的快速富集，该系统还对不同大小的纳米粒子进行了不同程度的浓缩
例如，包括频率和振幅在内的声学参数与液滴尺寸的相互作用在同一液滴内产生了不同的粒子轨迹
然而，同一液滴内的粒子到达特定位置的时间尺度和迁移速度是不同的
例如，当两种不同尺寸的纳米粒子被包含在一个旋转的液滴中时，较大的粒子受到较高的声辐射力和较小的布朗运动的影响
通过双液滴声流体离心机进行颗粒分离和输送
(一)双液滴声光离心机示意图
这种双液滴功能是使用二进制频移键控实现的，该键控包括在每个IDT的两个频率之间顺序移位
在高移动频率下，两个液滴可以同时旋转
这两个液滴通过微通道相连，微通道是粒子传输的通道
这里，具体频率是15
3 MHz (f4)，15
7 MHz (f3)，20
3 MHz (f2)和21
7兆赫(f1)，移频100千赫
显示粒子通过中心通道的轨迹的合成图像
(三)液滴旋转时固定点波形图的傅里叶变换，表示两个不同体积液滴的峰值旋转频率
(四)显示双液滴声光液体离心机俯视图的图像序列
声学信号开启前后的荧光图像，显示纳米粒子从一个液滴到另一个液滴的分离和传输
插图:中间通道的荧光图像，显示粒子传输过程
分离前和分离后样品的粒度分布比较
放入正确液滴的原始样品在28和100纳米处有两个峰
分离后，大部分28纳米的颗粒已经被分离，并被输送到左边的液滴中，该液滴在28纳米处只有一个峰
比例尺，200微米
学分:科学进步，doi: 10
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abc0467 双液滴声光液体离心机 在不同的浓缩和回收过程中，单液滴装置也可能对其中包含的纳米粒子子集的纯度产生不利影响；因此，顾等人
开发了用于实际纳米粒子分离的双液滴声光离心机
使用该装置，他们激发两对表面声波(SAWs)不对称地穿过两个液滴的侧面传播，通过单个叉指换能器同时旋转产生两个声波束
该团队使用频移键控在两种不同的激发频率和激发位置之间切换，并将其实际应用于外来亚群的分离
该方法允许通过纳米粒子跟踪分析将外来体样品快速细分为不同的测量亚群
通过这种方式，谷羽杨和他的同事们开发并演示了一种声流体离心平台，用于高效、快速地富集或分离纳米级生物颗粒
该平台可以大大简化各种应用中的样品处理、检测和试剂反应的速度，包括现场诊断、生物测定和生物医学
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