[论文解读] 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 10

一句话总结

本文提出使用运动性绿藻 *Chlamydomonas reinhardtii* 作为活性探针，以快速、定量地测量微通道声流体系统中的局部声能密度。通过将细胞在声场下的动态重分布与已知的声物理特性相关联，该方法实现了实时、原位的性能监测，与传统被动粒子追踪方法的误差仅为1%，将测量时间从数小时缩短至数分钟。

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).

研究动机与目标

• 解决声流体器件缺乏快速、精确且易于获取的性能表征方法的问题。
• 克服传统被动粒子追踪方法的局限性，如轨迹追踪耗时长、无法实时监测动态变化。
• 开发一种可现场部署、成本低廉的方法，用于原位量化声能密度和声压幅值。
• 实现在不同工作条件下声流体系统参数敏感性的实时监测。
• 建立一种标准化、生物相容的探针系统，用于生物医学和工业应用中的器件校准与性能验证。

提出的方法

• 利用运动性 *Chlamydomonas reinhardtii* 细胞作为活性探针，其动态重分布可响应声场变化。
• 采用明场显微镜捕捉在不同声学条件下微通道内细胞分布的实时图像。
• 利用细胞已知的声物理特性，将游动细胞的空间分布密度（Λ）与声辐射力及声能密度相关联。
• 应用声能密度公式 $ E_{ac} = p_a^2 / (4\rho_o c_o^2) $，从测得的 $ E_{ac} $ 值推导出声压幅值。
• 通过与使用聚苯乙烯微球的传统被动粒子追踪方法对比，对方法进行校准。
• 利用对游动速度和重定向时间的原位测量，考虑生物变异性，确保长期测量的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 运动性 *C. reinhardtii* 细胞能否作为可靠、实时的探针，用于量化声流体器件中局部声能密度？
• RQ2 游动细胞的动态重分布与微通道中声场强度及声能密度之间存在何种相关性？
• RQ3 在不同驱动电压和实验条件下，基于运动细胞的方法与传统被动粒子追踪方法的准确度匹配程度如何？
• RQ4 该方法能否在不重新校准的情况下检测并适应细胞行为或系统参数的时间变化？
• RQ5 该方法可准确测量的声能密度范围（及对应的声压幅值）是多少？

主要发现

• 基于运动细胞的方法在声能密度 0 至 100 J m⁻³ 范围内，与传统被动粒子追踪方法的误差仅为1%。
• 该方法将表征时间从数小时缩短至仅数分钟，实现了快速、实时的性能监测。
• 声能密度与驱动电压呈线性关系，且在多次实验中均表现出一致的规律。
• 在初始设置后长达21分钟内，方法保持准确，30分钟后仅出现轻微偏差，可通过原位游动速度测量进行校正。
• 由 $ E_{ac} $ 推导出的声压幅值范围为 0 至约 1 MPa，覆盖了大多数声流体应用的相关范围。
• *C. reinhardtii* 细胞被证明是器件校准与性能量化的一种可行、低成本且易获取的替代方案，优于传统被动微球。