Ученые ИТМО обнаружили новое явление — боковую силу отдачи, которая влияет на частицы несферической формы в акустическом поле. С помощью новой силы можно с большей эффективностью выделять из крови или другой жидкости клетки точно заданной формы — например, продолговатые тромбоциты или сферические лейкоциты. Разработка будет полезна для создания новых более точных и дешевых методов диагностики различных болезней. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Applied и отмечены редакторами журнала Physics Magazine.
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.
- Михаил Петров, автор статьи, ведущий научный сотрудник физического факультета ИТМО
С помощью нового метода можно с большей эффективностью выделять из крови или другой жидкости клетки точно заданной формы — например, продолговатые тромбоциты или сферические лейкоциты. 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.
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. 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. Мы планируем провести серию экспериментов, чтобы проверить наши предположения.
- Михаил Смагин, инженер физического факультета ИТМО
Исследование поддержано программой «Приоритет 2030».
Изображение на обложке: схема возможного применения боковой силы отдачи для разделения тромбоцитов и лейкоцитов на основе их формы. Источник: ИТМО
