用于纳米颗粒富集和分类的声流体离心机

作为从细胞核到恒星黑洞尺度的各种迷人物理现象的简化模型，液滴最近重新受到关注。在现在发表在《科学进展》杂志上的一份新报告中，谷宇阳和科学家团队提出了一种声流体离心技术，该技术利用声波驱动的纠缠和流体液滴的自旋来完成纳米颗粒的富集和分离。他们结合声学扫描和液滴旋转方法来实现快速的纳米颗粒浓缩和基于尺寸的分离，其分辨率足以识别和分离外泌体亚群。

外泌体是纳米级细胞外囊泡，可以在细胞间携带分子货物，因此是生物医学研究中用于药物递送和生物分子发现应用的强大载体。该团队在数字和实验上描述了该过程背后的机制，以及在设备内处理生物样本的能力。声流体离心方法克服了生物学、化学、工程、材料科学和医学等多学科领域纳米级生物颗粒操作的现有限制。

声流体离心机系统

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化应用，包括基因或药物传递、生物测定、诊断和催化反应。因此，对于跨多学科领域的纳米结构应用，有必要执行纳米颗粒浓缩或分离的步骤。Acoustofluidics 旨在将声学和微流体相结合，以实现简单的设备设计。在这项工作中，Gu 等人。提出了一种声流体离心系统，可以对尺寸低至几纳米的颗粒进行声学处理。该方法允许各种功能，包括纳米颗粒浓缩、分离和传输。

基本系统包含一对倾斜的叉指换能器(IDT) 和一个圆形聚二甲基硅氧烷(PDMS) 环，用于封装液滴的一部分并定义其形状。该团队产生表面声波(SAW) 以启动液滴旋转运动。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，从而显着增加液滴内的内部流动速度和剪切速率许多倍。根据数值模拟，声波可以旋转具有可变样品体积的液滴，以影响驻留在液滴内的各种尺寸的纳米粒子。该团队希望将这项工作转化为微/纳米尺度，以简化转染过程，使囊泡货物装载自动化并加速液体活检。

装置的工作原理

顾等人。将液滴放在 PDMS 环上以限制流体边界，并将其定位在两个倾斜的叉指换能器 (IDT) 之间。然后他们施加了一个电信号到倾斜的 IDT 以产生两个行进的表面声波，从两个相反的方向沿着基板传播进入液滴。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，液滴内的颗粒遵循螺旋轨迹。科学家们获得了一系列图像，以显示 30 µL 旋转液滴的侧视图。他们使用波形的傅立叶变换计算了旋转液滴的旋转速度，并从波形中提取了液滴速度，并将旋转速率与经典液滴振荡动力学进行了比较。

装置内液滴和纳米粒子的动力学

然后，该团队使用一系列图像研究了声流体离心装置中的液滴自旋和粒子运动。粒子显示出双重旋转模式——在接近液滴中心时追踪螺旋路径，同时还绕着它们的局部轴旋转。他们使用一系列频率来激发液滴的自旋。随着施加功率的增加，液滴保持其平衡形状，然后开始经历小幅振荡，直到声功率达到阈值，此时液滴进入稳定旋转。先前的研究表明 SAW(表面声波)如何诱导声流涡流因此，研究小组分析了液滴内部的粒子运动。在实验过程中，纳米粒子沿着与斯托克斯漂移效应相对应的螺旋轨迹移动。他们使用快速相机监测 1 µm 粒子的运动，并使用粒子跟踪测速仪分析视频以观察粒子所遵循的螺旋形轨迹。随着液滴的每次旋转，粒子进行一次局部旋转，同时沿其螺旋路径靠近液滴的全局中心。通过这种方式，该过程将颗粒向内推，以将纳米颗粒集中到液滴中心。

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在直径小至 28 纳米的旋转液滴中快速浓缩。纳米粒子的快速浓缩也有助于检测荧光标记的生物样本，例如 DNA 分子，Gu 等人。在这项工作中得到了证明。该团队使用荧光染料来检测液滴内的 DNA 样本，并产生用于液滴旋转的声学信号。他们根据样本中的 DNA 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的浓缩。例如，包括频率和幅度在内的声学参数的相互作用，并且液滴尺寸在同一液滴内产生不同的粒子轨迹。然而，到达特定位置的时间尺度和迁移速度因同一液滴内的粒子而异。例如，当两种不同尺寸的纳米颗粒包含在旋转液滴中时，较大的颗粒会受到更高的声辐射力和较小的影响。布朗运动。

双液滴声流体离心机

单液滴装置也可能对纳米粒子子集的纯度产生不利影响在差异集中和恢复过程中包含在其中;因此，Gu 等人。开发了一种基于双液滴的声流体离心机，用于实际的纳米颗粒分离。使用该设备，他们激发了两对表面声波 (SAW)，使其不对称地穿过两个液滴的侧面传播，从而通过单个叉指换能器同时旋转产生两个声束。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，并在外泌体亚群分离方面具有实际应用。该方法允许将外泌体样品快速分级为不同的亚群，以便通过纳米颗粒跟踪分析进行测量。

通过这种方式，Yuyang Gu 及其同事开发并展示了一种声流体离心平台，可以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(包括即时诊断、生物测定和生物医学)中的样品处理、检测和试剂反应的速度。

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