С помощью акустических пинцетов можно манипулировать разными объектами — например, захватывать и сортировать клетки для диагностики, анализировать ДНК в лаборатории на чипе или управлять потоками жидкости при изготовлении растворов. Обычно акустические пинцеты используют только для работы с небольшими симметричными частицами сферической формы, так как их проще захватывать и удерживать.
Исследователи ИТМО открыли новый вид акустической силы — боковую силу отдачи. Открытие объясняет, как именно акустические волны воздействуют на несимметричные объекты сложных форм. Боковая сила отдачи появляется, когда частица наклонена под определенным углом относительно акустических волн и крутящего момента, который вращает частицу. При определенных условиях крутящий момент становится равен нулю — в это время несимметричный объект прекращает вращение и стабильно поднимается в акустическом поле.
«Боковая сила отдачи похожа на хождение под парусом. На лодку сбоку налетает ветер, а она движется под некоторым углом по направлению ветра, так как он раздувает паруса. В открытом нами эффекте частицу наверх толкает не ветер, а акустическая волна из динамика. Но при этом боковая сила отдачи заставляет объект не только подниматься, но и закручиваться. Чтобы сделать движение частицы стабильным, мы выяснили, при каких условиях на нее не действует крутящий момент и она поднимается под постоянным углом наклона. Боковая сила отдачи воздействует на несимметричные объекты, поэтому мы предлагаем использовать нашу разработку для сортировки биообъектов сложных, несимметричных форм», — объяснил автор статьи, ведущий научный сотрудник физического факультета ИТМО Михаил Петров.
Новый метод помогает эффективнее выделять из крови или другой жидкости клетки точно заданной формы. Это позволит проводить более точную диагностику и находить заданные заранее биологические клетки-маркеры в жидкости. Также разработка ученых ИТМО поможет удешевить методы диагностики болезней. В отличие от существующих подходов, она не потребует перестройки уже существующей лабораторной установки, и ее можно интегрировать в готовое устройство, например микрофлюидный чип, подчеркнули ученые.
«Сейчас для сортировки биообъектов и частиц создаются специальные микрофлюидные наноструктуры. Они представляют сеть каналов, устройство которых напоминает фильтр пылесоса. По каналам протекают частицы разного размера, и они застревают, если оказываются больше канала. Так и происходит фильтрация. Чтобы повысить ее эффективность, добавляют вторую силу. Например, с помощью акустического поля можно разделять частицы не только по размеру, но и материалу, из которого они сделаны. Мы предлагаем обращать внимание также на геометрическую форму биообъектов, и наш метод позволяет отделять продолговатые эритроциты от сферических лейкоцитов», — отметил инженер физического факультета ИТМО Михаил Смагин.
По ег ословам, на частоте около 230 МГц акустическая волна создает боковую силу отдачи, которая воздействует на эритроциты из-за их вытянутой формы, в то время как симметричные лейкоциты испытывают только продольную силу давления. В итоге эритроциты дрейфуют наверх, а лейкоциты продолжают движение в жидкости. Физики запланировали серию экспериментов, чтобы проверить свои предположения.
Работа ученых ИТМО поддержана программой «Приоритет 2030» национального проекта «Наука и университеты». Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Applied и отмечены редакторами журнала Physics Magazine.
