[논문 리뷰] Rapid measurement of the local pressure amplitude in microchannel acoustophoresis using motile cells

Minji Kim, Rune Barnkob외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 03.

Microfluidic and Bio-sensing Technologies참고 문헌 36인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 미세채널 음향분리에서 국소 음향 에너지 밀도를 신속하고 정량적으로 측정하기 위해 운동성 있는 Chlamydomonas reinhardtii 조류를 활성 프로브로 사용하는 방법을 제안한다. 음향장 하에서 세포의 동적 재분포를 알려진 음향물리적 성질과 연관지켜, 기존의 수동 입자 추적 기법과 1%의 일치도를 보이며 실시간으로 현장에서 성능 모니터링을 가능하게 하여 측정 시간을 수시간에서 수분으로 단축시킨다.

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).

연구 동기 및 목표

• 음향유체 장치의 성능 특성 분석 방법이 빠르고 정확하며 접근하기 쉬운 방법이 부족한 문제를 해결하기 위해.
• 수동 입자 추적 기법의 한계, 즉 궤적 추적에 시간이 오래 소요되고 실시간으로 동적 변화를 모니터링할 수 없는 문제를 극복하기 위해.
• 현장에서 사용 가능한 저비용의 방법을 개발하여 음향 에너지 밀도와 압력 진폭을 실시간으로 측정하고 정량화하기 위해.
• 다양한 운영 조건에서 음향유체 시스템의 매개변수 민감도를 실시간으로 모니터링할 수 있도록 하기 위해.
• 의료 및 산업 응용 분야에서 장치 校정 및 성능 검증을 위한 표준화되고 생체적 안정성이 확보된 프로브 시스템을 구축하기 위해.

제안 방법

• 운동성 있는 Chlamydomonas reinhardtii 세포를 음향장에 반응하여 동적으로 재분포하는 활성 프로브로 활용한다.
• 다양한 음향 조건에서 미세채널 전역의 세포 분포 패턴을 실시간으로 촬영하기 위해 밝은장 미세역학을 사용한다.
• 세포의 수영 운동 성향 밀도(Λ)를 알려진 세포의 음향물리적 성질을 기반으로 음향 방사력 및 에너지 밀도와 연관시킨다.
• 음향 에너지 밀도 공식 Eac = pa² / (4ρoco²)를 적용하여 측정된 Eac 값으로부터 압력 진폭을 유도한다.
• 폴리스티렌 비드를 사용한 기존의 수동 입자 추적 기법과의 비교를 통해 방법을 校정한다.
• 수영 속도 및 재정렬 시간의 현장 측정을 통해 생물학적 변동성을 보정하고 시간이 지남에 따라 정확도를 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 운동성 C. reinhardtii 세포는 음향유체 장치 내 국소 음향 에너지 밀도를 신뢰할 수 있고 실시간으로 측정할 수 있는 프로브로 활용될 수 있는가?
• RQ2 수영하는 세포의 동적 재분포는 미세채널 내 음향장 강도와 에너지 밀도와 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ3 다양한 드라이브 전압과 조건에서 이 운동성 세포 기반 방법이 기존의 수동 입자 추적 기법의 정확도와 어느 정도 일치하는가?
• RQ4 이 방법은 校정 없이도 세포 행동이나 시스템 매개변수의 시간에 따른 변화를 감지하고 적응할 수 있는가?
• RQ5 이 방법으로 정확하게 측정할 수 있는 음향 에너지 밀도(및 해당 압력 진폭)의 범위는 무엇인가?

주요 결과

• 운동성 세포 기반 방법은 음향 에너지 밀도 0에서 100 J m⁻³의 범위에서 기존의 수동 입자 추적 기법과 1% 일치도를 보였다.
• 이 방법은 캐릭터라이제이션 시간을 수시간에서 단 1분 내외로 단축시켜 신속하고 실시간 성능 모니터링이 가능하게 하였다.
• 음향 에너지 밀도는 드라이브 전압에 비례하며, 여러 실험 시험에서 일관된 관계가 관찰되었다.
• 초기 설정 후 최대 21분 동안 정확도를 유지하였으며, 30분이 경과한 후에는 미미한 편차가 관찰되었고, 이는 현장에서의 수영 속도 측정을 통해 보정이 가능하였다.
• Eac에서 유도된 압력 진폭은 0에서 약 1 MPa까지 범위를 가지며, 대부분의 음향유체 응용 분야에서 필요한 범위를 커버하였다.
• C. reinhardtii 세포는 장치 校정 및 성능 정량화를 위한 저비용이고 접근하기 쉬운 수단으로 실용 가능하며, 수동 비드의 유의미한 대체 수단으로 밝혀졌다.