[論文レビュー] Rapid measurement of the local pressure amplitude in microchannel acoustophoresis using motile cells

Minji Kim, Rune Barnkob+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2021

Microfluidic and Bio-sensing Technologies参考文献 36被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、マイクロチャネル音響フォリシスにおいて局所的な音響エネルギー密度を迅速かつ定量的に測定するために、動くチラミドニモナス・レインハルトイの藻類をアクティブプローブとして使用することを提案する。音響場下での細胞の動的再分配を、既知の音響物理学的特性と関連付けることで、従来のパッシブ粒子追跡と1%の一致を達成するリアルタイムでイン・サイトでの性能監視が可能となり、測定時間を数時間から数分に短縮する。

ABSTRACT

Acoustic microfluidics (or acoustofluidics) provides a non-contact and label-free means to manipulate and interrogate bioparticles. Owing to their biocompatibility and precision, acoustofluidic approaches have enabled innovations in various areas of biomedical research. Future breakthroughs will rely on translation of these techniques from academic labs to clinical and industrial settings. Here, accurate characterization and standardization of device performance is crucial. Versatile, rapid, and widely accessible performance quantification is needed. We propose a field quantification method using motile Chlamydomonas reinhardtii algae cells. We previously reported qualitative mapping of acoustic fields using living microswimmers as active probes. In the present study, we extend our approach to achieve the challenging quantitative in situ measurement of the acoustic energy density. C. reinhardtii cells continuously swim in an imposed force field and dynamically redistribute as the field changes. This behavior allows accurate and complete, real-time performance monitoring, which can be easily applied and adopted within the acoustofluidics and broader microfluidics research communities. Additionally, the approach relies only on standard bright-field microscopy to assess the field under numerous conditions within minutes. We benchmark the method against conventional passive-particle tracking, achieving agreement within 1 % for field strengths from 0 to 100 J m-3 (0 to ~1 MPa).

研究の動機と目的

• 音響フォリシスデバイスの迅速で正確かつアクセス可能な性能評価手法の欠如に対処すること。
• パッシブ粒子追跡の限界（時間のかかる軌跡追跡やリアルタイムでの動的変化のモニタリング不能）を克服すること。
• 現地で使用可能でコスト効果の高い、イン・サイトでの音響エネルギー密度および圧力振幅の定量的評価手法を開発すること。
• 異なる運用条件下での音響フォリシスシステムにおけるパrametric感度のリアルタイムモニタリングを可能にすること。
• 医療および産業応用分野におけるデバイスキャリブレーションおよび性能検証のための標準化されたバイオコンパチブルプローブシステムを確立すること。

提案手法

• 音響場に応じて動的に再分配する動くチラミドニモナス・レインハルトイの細胞をアクティブプローブとして使用する。
• 明るさフィールド顕微鏡を用いて、さまざまな音響条件下でのマイクロチャネル内での細胞分布パターンをリアルタイムで撮影する。
• 細胞の泳動分布密度（Λ）を、既知の細胞の音響物理学的特性と照らし合わせて、音響放射力およびエネルギー密度と関連付ける。
• 音響エネルギー密度の式 Eac = pa² / (4ρoco²) を適用し、測定された Eac 値から圧力振幅を導出する。
• ポリスチレンビーズを用いた従来のパッシブ粒子追跡と比較することで、この手法をキャリブレーションする。
• 泳動速度および再配向時間のイン・サイト測定を用いて、生物学的ばらつきを補正し、時間経過に伴う精度を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動く C. reinhardtii 細胞は、音響フォリシスデバイスにおける局所的音響エネルギー密度を信頼性高くリアルタイムで評価するためのプローブとして適しているか？
• RQ2 泳動細胞の動的再分配は、マイクロチャネル内での音響場強度およびエネルギー密度とどのように相関するか？
• RQ3 本手法は、さまざまな駆動電圧および条件下で、従来のパッシブ粒子追跡の精度とどの程度一致するか？
• RQ4 この手法は、細胞行動やシステムパrameterの時間的変化を再キャリブレーションなしに検出・適応できるか？
• RQ5 本手法で正確に測定可能な音響エネルギー密度（および対応する圧力振幅）の範囲はどの程度か？

主な発見

• 動く細胞を用いた手法は、音響エネルギー密度 0 から 100 J m⁻³ の範囲で、従来のパッシブ粒子追跡と1%の一致を示した。
• この手法により、性能評価に要する時間が数時間から数分に短縮され、迅速でリアルタイムの性能監視が可能になった。
• 音響エネルギー密度は駆動電圧に比例し、複数回の実験で一貫した関係が確認された。
• 初期設定後21分間は精度を維持したが、30分後にはわずかなずれが観察された。これはイン・サイトでの泳動速度測定により補正可能である。
• Eac から導出された圧力振幅は 0 から約 1 MPa の範囲をカバーしており、大多数の音響フォリシス応用に適した範囲である。
• C. reinhardtii 細胞は、デバイスキャリブレーションおよび性能評価のための代替手段として、実用的で低コストかつ容易に入手可能な代替手段であることが示された。