Le pinzette acustiche si basano su vortici acustici focalizzati e promettono di manipolare con precisione microrganismi e cellule dalla scala millimetrica fino alla scala submicronica, senza contatto, e con una selettività e una forza di intrappolamento senza precedenti. L'uso diffuso della tecnica è attualmente ostacolato da limitazioni ai sistemi esistenti derivanti da prestazioni, miniaturizzazione e incapacità di assimilare in compartimenti. In un recente studio, Michael Baudoin e colleghi dell'Università della Sorbona e del Centro nazionale francese per la ricerca scientifica (CNRS), migliorato il potenziale dei vortici acustici focalizzati sviluppando il primo appartamento, "pinzetta acustica" a singolo elettrodo compatto e accoppiato focalizzato o focalizzato.

L'invenzione si basava su trasduttori a spirale progettati piegando un vortice acustico sferico su un substrato piezoelettrico piatto. Baudoin et al. hanno dimostrato la capacità di queste pinzette acustiche di afferrare e spostare oggetti micrometrici all'interno di un ambiente microfluidico con una selettività unica. Il sistema è semplice e scalabile alle frequenze più alte; aprendo enormi prospettive in microbiologia, microrobotica e microscopia. I risultati sono ora pubblicati in Progressi scientifici .

Le prime osservazioni riportate di levitazione parziale nei campi di onde acustiche risalgono al lavoro di Boyle e Lehmann nel 1925. La manipolazione precisa e senza contatto di oggetti fisici e biologici su scala micrometrica fino alla scala nanometrica ha applicazioni promettenti nei moderni, diversi campi della microrobotica, ingegneria dei tessuti e micro/nanomedicina. Le pinzette acustiche sono una tecnologia importante per svolgere il compito in quanto non sono invasive, biocompatibile e senza etichetta. Sono anche in grado di intrappolare forze di diversi ordini di grandezza più grandi delle loro controparti ottiche, alla stessa potenza di azionamento. Però, solo di recente gli scienziati hanno sviluppato contemporaneamente sistemi avanzati di sintesi delle onde, setup microfluidici e teoria della pressione di radiazione acustica, per consentire di sfruttare le potenzialità dell'acustoforesi (movimento con suono).

Fino a poco tempo la maggior parte delle pinzette acustiche si basava su un singolo, o insieme di onde stazionarie ortogonali per creare una rete di nodi e antinodi per intrappolare le particelle. Sebbene questi sistemi fossero altamente efficienti per la manipolazione collettiva di particelle e cellule, il sistema ha impedito una selettività specifica. Mentre la localizzazione limitata dell'energia acustica potrebbe essere ottenuta utilizzando la tecnica originale del sub-tempo di volo, solo la forte focalizzazione dei campi d'onda potrebbe consentire una selettività specifica a livello della singola particella.

Le onde acustiche focalizzate sono quindi candidate naturali per raggiungere questo livello di localizzazione ma molte particelle di interesse (cellule e frammenti rigidi) possono migrare verso i nodi dell'onda stazionaria per essere espulse dal fuoco dell'onda, vanificare gli sforzi di ricerca sulla progettazione di una pinzetta acustica selettiva. Mentre in precedenza era stata proposta una vasta gamma di sistemi per sintetizzare i vortici acustici, la capacità di trattenere una trappola 3D e selezionare una particella specifica indipendentemente dalle sue vicine è stata dimostrata solo di recente utilizzando un forte vortice acustico focalizzato. I vortici acustici così sintetizzati si basano su array di trasduttori o sistemi passivi che sono ingombranti e incompatibili all'interno dei microsistemi (microfluidica e microchip).

Nel presente lavoro, Baudoin et al. ha quindi sfruttato il potenziale delle pinzette acustiche selettive piegando la fase di un vortice acustico focalizzato su una superficie piana. Per realizzare questo, hanno seguito il principio delle lenti di Fresnel e sintetizzato vortici acustici con elettrodi interdigitati a spirale singoli depositati sulla superficie di un substrato piezoelettrico. Hanno materializzato due linee equifase usando gli elettrodi per rappresentare la fase piegata su due livelli discreti. La forma dell'elettrodo era simile a una spirale di Archimede-Fermat, dove la sua contrazione radiale consentiva la messa a fuoco dell'onda senza la necessità di un trasduttore curvo o di una lente, come un grande vantaggio rispetto ai sistemi esistenti. Baudoin et al. sono stati anche in grado di superare tutte le limitazioni delle pinzette cilindriche a vortice precedentemente dimostrate per dimostrare attualmente una maggiore selettività. Nello studio, gli scienziati hanno utilizzato lo sviluppo per:

1. Misurare il campo acustico con un interferometro laser e quantificare la rapida diminuzione radiale degli anelli secondari (anelli di ampiezza più debole che possono impedire la selettività) nel sistema, e
2. Intrappolare e spostare selettivamente una particella indipendentemente dalle sue vicine all'interno di un ambiente microfluidico standard, dimostrandone la praticità.

Gli scienziati hanno progettato il sistema sperimentale per sintetizzare vortici focali a una frequenza di 4,4 MHz, con elettrodi metallici a spirale che sono stati depositati sulla superficie di un Y-36 niobato di litio (LiNbO ₃ ) substrato piezoelettrico. Per guidare la vibrazione di questi elettrodi a spirale, gli scienziati hanno utilizzato un generatore di forme d'onda e un amplificatore per la convergenza del raggio durante l'esperimento all'interno di una configurazione microfluidica acquosa costituita da un coprioggetto in vetro e una camera di polidimetilsilossano (PDMS). Hanno garantito una migliore trasmissione dell'energia acustica dal vetro al liquido nella configurazione sperimentale e hanno utilizzato un vibrometro laser Polytec per misurare il campo acustico risultante sulla superficie del vetrino coprioggetto.

Nella configurazione sperimentale, Baudoin et al. utilizzato elettrodi metallici depositati sulla superficie del substrato piezoelettrico per sintetizzare fasci di Hankel convergenti di apertura finita. Hanno eccitato ciascun elettrodo per provocare vibrazioni localizzate sul substrato piezoelettrico e produrre un vortice acustico di massa all'interno di un vetrino. In questo metodo olografico, hanno combinato diversi concetti nel campo della microelettronica, compresi i principi fisici alla base delle lenti di Fresnel in ottica, la specificità della topologia del fascio di Bessel ei principi della sintesi d'onda con trasduttori interdigitali (IDT).

I fasci acustici sferici di Bessel sono vortici sferici che formano ottimi candidati per creare una trappola acustica localizzata. Meccanicamente, questi campi acustici possono focalizzare l'energia acustica in 3-D per creare una zona d'ombra nel centro del vortice circondata da un guscio luminoso per intrappolare le particelle. Proprio come un'onda stazionaria piana è una combinazione di due onde viaggianti che si contropropagano, un raggio di Bessel sferico risulta dall'interferenza tra un raggio di Hankel sferico convergente e divergente.

Di conseguenza, un raggio di Bessel può essere prodotto sperimentalmente da un singolo raggio convergente di Hankel che interferisce con la sua controparte divergente generata al fuoco, cioè all'interno della singolarità centrale del vortice. A causa dell'effetto piezoelettrico, gli scienziati sono stati in grado di accoppiare le vibrazioni meccaniche delle onde acustiche di massa al potenziale elettrico e modellare gli elettrodi come fili perfetti (linee isopotenziali). Utilizzando i due elettrodi, Baudoin et al. discretizzato la fase piegata su due livelli per formare le pinzette acustiche.

Gli scienziati hanno confrontato il campo acustico misurato sperimentalmente con le previsioni numeriche ottenute dal metodo dello spettro angolare per mostrare un eccellente accordo tra entrambi, per l'intensità e la fase del campo d'onda. Hanno confrontato l'evoluzione radiale misurata sperimentalmente e mediata dell'intensità dell'anello con (1) l'evoluzione radiale di un vortice cilindrico (rosso) e (2) l'evoluzione radiale di un vortice sferico (blu). I risultati hanno mostrato che, poiché la pressione di radiazione era proporzionale all'intensità del fascio, la selettività è stata notevolmente migliorata dalla focalizzazione assiale del fascio rispetto ai vortici cilindrici. In questo modo, gli scienziati hanno mostrato che la focalizzazione 3-D dell'energia è un grande vantaggio per manipolare selettivamente le particelle.

Per dimostrare la capacità della pinzetta acustica di raccogliere una particella e di muoversi indipendentemente dai suoi vicini, Baudoin et al. particelle disperse di polistirene monodisperso con raggio di 75 ± 2 µm all'interno della camera microfluidica con altezza di 300 µm. Le pinzette hanno raccolto una particella specifica di polistirene, dove la debole densità e compressibilità delle particelle contrastava con il liquido circostante. Secondo un precedente rapporto, la forza di intrappolamento esercitata sulle particelle solide da un fascio di Bessel del primo ordine dipendeva fortemente dalla densità e/o dalla compressibilità contrastanti; più debole il contrasto – più debole la forza di intrappolamento. Si muovevano solo le particelle intrappolate al centro del vortice, mentre gli altri rimasero fermi. Usando la tecnica, gli scienziati hanno dimostrato la capacità della pinzetta di posizionare con precisione un insieme di 18 particelle di polistirene con un raggio di 75 ± 2 µm partendo da una distribuzione casuale in uno schema prescritto per scrivere "MOV" (Oggetti in movimento con vortici).

In totale, Baudoin et al. rimosso le restrizioni esistenti delle pinzette acustiche che fino a quel momento avevano imposto un compromesso tra selettività e miniaturizzazione o integrazione, impedendo le loro applicazioni in microfluidica e microbiologia. Hanno superato i limiti attraverso (1) intrappolamento acustico con vortici focalizzati, (2) sintesi dell'onda olografica con IDT e (3) integrazione dei principi delle lenti di Fresnel all'interno di un singolo, dispositivo di miniaturizzazione compatto e trasparente.

Utilizzando il microsistema, gli scienziati hanno dimostrato la manipolazione senza contatto delle particelle all'interno di un ambiente di microscopia standard con selettività all'avanguardia. Grazie alla semplicità della tecnologia e alla scalabilità a frequenze più alte, il lavoro può aprire la strada alla manipolazione individuale e all'assemblaggio in situ di micro-oggetti fisici e biologici.

La dimostrazione rigorosa del vero intrappolamento 3-D con un'onda progressiva richiederà l'eliminazione di qualsiasi onda stazionaria che potrebbe apparire dai riflessi dell'onda in una configurazione ristretta. Le dimostrazioni pratiche della capacità di intrappolamento 3D delle pinzette Archimede-Fermat presenteranno un'interessante prospettiva in microrobotica, ingegneria dei tessuti e nanomedicina.

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