Акустическая ловушка в поле стоячей волны на основе двух встречных пучков

Полезная модель относится к устройствам акустических ловушек с применением встречных пучков и может быть использована в устройствах захвата, разделения, концентрирования и манипулировании микрочастицами, в современной биологии и биофизике, медицине и биоинженерии, например, для выстраивания микрооптомеханических систем, сортировки биологических клеток, в химии, электронике, нанотехнологии и т.д.
Достаточно хорошо известны многочисленные устройства для манипуляции отдельными объектами с помощью механических приспособлений типа микропинцетов, щипцов, микроигл, и т.д.
Недостатком подобных устройств является необходимость механического контакта с объектом. А в случае малых образцов с характерными размерами порядка единиц мкм и менее управление их с помощью подобных устройств представляет достаточно сложную задачу.
Альтернативным решением для фиксации и изменения пространственного положения различных объектов является использование различных типов излучений от ультразвука до лазера. Наибольший прогресс достигнут с созданием так называемых «оптических пинцетов», принцип работы которых основан на использовании эффекта давления света. Этот эффект обеспечивает формирование оптических градиентных сил, удерживающих облучаемые частицы в поле сильно сфокусированного излучения от лазера [K. Svoboda, S.M. Black. Biological application оf оptical forces. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struc. 23, 244-285, 1994; A. Ashkin, Proc. Natl. Acad. Sci. 94: 4853-4860, 1997; US Patent 4893886, A. Ashkin et al. "Non-destruction optical trap for biological particles and method of doing same, January 16, 1990].
Недостатком таких устройств является необходимость создания достаточных удерживающих градиентных сил с помощью микрообъективов с большой апертурой, что резко уменьшает объем зоны, в пределах которого можно манипулировать микрообъектами. Данный метод в основном применим только к прозрачным объектам с коэффициентом преломления, превышающий показатель преломления окружающей среды. Кроме того, необходимость использования излучения с высоким значением плотности энергии, что может привести к непредсказуемому влиянию на биообъекты сопутствующих тепловых или фотодинамических эффектов вплоть до их существенного повреждения. К тому же оптические градиентные силы очень малы (единицы пиконьютон), что накладывает ограничения на возможность манипулирования прозрачными частицами только малых размеров, не больше нескольких десятков микрон и этот метод предназначен для манипулирования одиночными частицами, то есть он не позволяет одновременно манипулировать несколькими частицами или при их высокой концентрации в среде.
Известно устройство оптической ловушки в поле стоячей волны на основе двух встречных пучков [Sandeep Tauro, Andrew Banas, Darwin Palima and Jesper Gltickstad. Dynamic axial stabilization of counterpropagating beam-traps with feedback control // Optics Express, 18(17), 18217-18222 (2010). DOI 10.1364/OE. 18.018217; С.Чу. Управление нейтральными частицами // УФН, т. 169, №3, 1999, с. 276], состоящее из последовательно расположенных источника излучения, первого устройства формирования области фокусировки в виде линзы, регистрируемой частицы, второго устройства формирования области фокусировки в виде линзы, расположенного на встречу первому устройству формирования области фокусировки и источника излучения.
В такой ловушке область пучностей электромагнитного поля возникает в области взаимодействия (интерференции) двух встречных пучков. Если расположить два источника сфокусированных волн напротив друг друга, и заставить эти источники излучать волны одной частоты и интенсивности, то посередине между ними образуется "впадина" - область, где волны взаимно уничтожаются. В результате, частица, подхваченная одной волной, будет двигаться до тех пор, пока не попадет в данную область. При этом поперечный размер области фокусировки (пучностей) больше классического дифракционного предела для линзы и определяется функцией Эйри [Isotropic diffraction limited focusing using a single objective lens / E. Mudry, E.Le Moal, P. Ferrand, P.C. Chaumet, and A. Sentenac //Physical Review Letters. 2010. V. 105, No. 20. P. 203903; Борн M. Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2-е. Перевод с английского. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1973].
2
Размер поперечного сечения области фокусировки определяет градиент сил, действующих на регистрируемую частицу - чем он меньше, тем выше градиент. Для уменьшения поперечного размера фокального пятна используется острая фокусировка с использованием высокоапертурных объективов. Однако продольный размер фокального пятна dz=λn/NA (λ - длина волны, n - показатель преломления среды, NA - числовая апертура фокусирующей системы) даже в предельном случае оказывается в два раза больше поперечного dr=λ/(2NA). И даже в предельном случае (NA=1) поперечный размер области фокусировки в случае классических линз не может быть меньше половины длины волны [Борн М. Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2-е. Перевод с английского. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1973].
Недостатком устройства являются большие габариты устройства формирования области фокусировки на основе линзы. В поперечном направлении диаметр линзы должен быть не менее десятка длин волн излучения, а сформировать область фокусировки с поперечным размером менее половины длины волны невозможно из-за дифракционного предела [Dienerowitz М., Dholakia K. Optical manipulation of nanoparticles: a review // J. Nanophotonics. 2008. V. 2. P. 021875].
Известно устройство оптической ловушки в поле стоячей волны на основе двух встречных безградиентных (Бесселевых) пучков [Optical conveyor belt http://www.isibrno.cz/omitec/index.php?action=besscbelt.html], состоящее из последовательно расположенных источника излучения, первого устройства формирования области фокусировки в виде Бесселева пучка на основе аксикона, регистрируемой частицы, второго устройства формирования области фокусировки в виде Бесселева пучка на основе аксикона, расположенного на встречу первому устройству формирования области фокусировки и источника излучения.
В такой ловушке область пучностей электромагнитного поля возникает в области взаимодействия (интерференции) двух встречных Бесселевых пучков. При этом поперечный размер области фокусировки (пучностей) немного меньше классического дифракционного предела для линзы и определяется функцией Бесселя первого порядка [Durnin J. // J. Opt. Soc. Am. A. 1987. V. 4. P. 651-654.] - при прохождении через аксикон световая волна преломляется и интерферирует таким образом, что радиальное распределение ее интенсивности описывается функцией Бесселя первого рода нулевого порядка [Г.С. Соколовский и др. Манипулирование микрочастицами при помощи бесселевых пучков, полученных от полупроводниковых лазеров //Письма вЖТФ, 2014, том 40, вып. 11, с. 53-59].
Однако габариты устройства формирования области фокусировки на основе аксикона в поперечном направлении велики (диаметр аксикона должен быть не менее десятка длин волн излучения), а сформировать область фокусировки с поперечным размером менее половины длины волны невозможно из-за физических ограничений на свойства Бесселевых пучков [Tomas Cizmar et al. Optical trapping in counter-propagating Bess el beams // Proceedings of SPIE Vol. 5514, pp. 643-650 (SPIE, Bellingham, WA, 2004)].
Определенным недостатком всех рассмотренных оптических методов и их различных модификаций [US Patent 4772786 R.M. Langdon "Photothermal oscillator force sensor" September 20, 1988; Us Patent 6067859 J. A. Kas. Et al. Opical stretcher. May 30, 2000; US Patent 5512745 J. Finer et al. Optical trap system and method. April 30, 1996; US Patent 6055106 D.G. Grier at al. Apparatus for applying optical gradient forces. April, 25, 2000; US Patent 5212382 К. Sasaki et al. 'Laser trapping and method for applications thereof May 18, 1993; US Patent 5939716 D.R. Neil 'Three dimensional light trap for reflective particles' August 17, 1999] является необходимость прямого облучения образца или его части высокоинтенсивным излучением, что может привести к изменению его свойств или повреждению. Кроме того, использование этих методов по предложенным схемам позволяет обеспечить только лишь большое начальное ускорение частиц, то есть вопрос удержания этих частиц или точной манипуляции их пространственного положения, включая целенаправленное медленное передвижение в любом заданном направлении решен не был. Кроме того, данные методы не позволяют управлять одновременно несколькими частицами и оптическое излучение не может быть использовано в оптически непрозрачных растворах, в которых концентрация частиц велика.
От этого недостатка свободны методы, основанные на использовании энергии ультразвука для передвижения частиц бесконтактным методом, например, [J. Wu. Acoustic tweezers. J. Acoustical Soc. Am. 5, 2140-2143, 1991; US Patent 5831166. Kozuka et al. Metod of non-contact micromanipulation using ultrasound. Nov. 3, 1998; US Patent 626538. K. Yasuda et al. Particle handling apparatus for handling particles in fluid by acoustic radiation pressue. April 17, 2001; US Patent 5902489. K. Yasuda et al. Particle handling method by acoustic radiation force and apparatus therefore. May 11, 1999; US Patent 6245207. K. Yasuda et al. Cell separation device using ultrasound and electrophoresis. June 12, 2001; Diego Baresch, Jean-Louis Thomas, Regis Marchiano. Observation of a single-beam gradient force acoustical trap for elastic particles: acoustical tweezers // Physical Review Letters, 116, 024301 (2016)].
Известено акустическое устройство для разделения частиц жидких дисперсных систем [Патент РФ 2393907. Акустический фильтр для разделения частиц жидких дисперсных систем], содержащее рабочую камеру, ультразвуковой фокусирующий УЗ излучатель размещенный в рабочей камере.
Недостатком такого устройства является большие габариты устройства формирования области фокусировки на основе фокусирующего излучателя. В поперечном направлении диаметр фокусирующего излучателя должен быть не менее десятка длин волн излучения, а сформировать область фокусировки с поперечным размером менее половины длины волны невозможно из-за дифракционного предела.
Общим для всех устройств является формирование и направление УЗ излучения на частицы, чтобы концентрировать частицы или соответственно разделять их в текучей среде в соответствии с их физическими свойствами.
Недостатком рассмотренных устройств являются большие габариты устройства формирования области фокусировки на основе линзы или фокусирующих излучателей. В поперечном направлении диаметр фокусирующего устройства должен быть не менее десятка длин волн излучения и сформировать область фокусировки с поперечным размером менее половины длины волны невозможно из-за дифракционного предела, а так же невысокая плотность ультразвуковой энергии в рабочей камере вследствие отсутствия возможности фокусировки и концентрации энергии от излучателя больших размеров в камере значительно меньшего размера. К тому же, в этих методах трудно обеспечить высокую точность манипуляции частиц из-за технической сложности создания акустических микролинз для формирования малой длины волны УЗ колебаний.
В качестве прототипа выбрано устройство [Н.М. Hertz. Standing-wave acoustic trap for non intrusive positioning of microparticles // J. Appl. Phys., 1995, 78, 4845-4849] содержащее последовательно расположенных источника УЗ излучения, первого устройства формирования области фокусировки, рабочую камеру для размещения в ней текучей среды содержащей частицы, второго устройства формирования области фокусировки, расположенного навстречу первому устройству формирования области фокусировки, и второго УЗ источника излучения.
Задача настоящей полезной модели состоит в уменьшении поперечных размеров устройства и уменьшения поперечного размера области фокусировки устройства.
Техническим результатом является создание акустической ловушки в поле стоячей волны на основе двух встречных пучков.
Поставленная задача достигается за счет того, что акустическая ловушка в поле стоячей волны на основе двух встречных пучков, состоящая из последовательно расположенных источника ультразвукового излучения, первого устройства формирования области фокусировки, рабочую камеру для размещения в ней текучей среды содержащей частицы, второго устройства формирования области фокусировки, расположенного навстречу первому устройству формирования области фокусировки, и второго источника излучения, новым является то, что оба устройства формирования области фокусировки выполнены в виде мезомасштабных звукопроводящих частиц, формирующих на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и выполненных из материала со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0.5 до 0.83, кроме того как минимум один источник ультразвукового излучения выполнен с возможностью изменения длины волны излучения, кроме того источники ультразвукового излучения выполнены с возможностью формировать акустическую волну с плоским фронтом, кроме того источники ультразвукового излучения выполнены с возможностью формировать акустическую волну со сходящимся сферическим волновым фронтом.
Полезная модель поясняется чертежами.
Фиг. 1 - принципиальная схема акустической ловушки в поле стоячей волны на основе двух встречных пучков.
Фиг. 2 - результаты математического моделирования формирования области фокусировки мезомасштабными звукопроводящими частицами, формирующих области фокусировки излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4, на примере сферических частиц в акустической ловушке.
Обозначения:
1 - источник акустического излучения, 2 - первое устройство формирования области фокусировки, выполненное в виде мезомасштабных звукопроводящих частиц и формирующих на их внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4, 3 - регистрируемая частица в области фокусировки, 4 - второе устройство формирования области фокусировки, выполненное в виде мезомасштабных звукопроводящих частиц, формирующих на их внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и расположенное на встречу первому устройству формирования области фокусировки, 5 - источник акустического излучения, 6 - зона пересечения областей фокусировки, 7 - рабочая камера.
На частицы и клетки находящиеся в поле стоячих акустических волн действуют различные силы: радиационная, Стокса, Бьеркнеса, Бернулли и гравитационная [Горьков Л.П. О силах, действующих на малую частицу в акустическом поле в идеальной жидкости // Доклады АН СССР. - 1961. - Т. 140, №1. - С. 88-91. Шарфарец Б.П. Радиационное давление при рассеянии произвольного поля на включении сложной формы // Акустический журнал. - 2010. - Т. 56, №6. - С. 767-772; King L.V. On the acoustical radiation pressure on sphere //Proc. Roy. Soc. London, 1934. V. A147. P. 212-240; Baresch D., Thomas J.-L., Marchiano R. Three-dimensional acoustic radiation force on an arbitrarily located elastic sphere // Journal of the Acoustical Society of America. - 2013. - T. 133, вып. 1. - С. 25-36. - DOI: 10.1121/1.4770256; Yoshioka K., Kawasima Y., Acousticalradiation pressure on a compressible sphere // Acoustica 5 (1955), 167-173; Князьков H.H., Курочкин B.E., Шарфарец Б.П. Радиационное давление на сферу в смешанном поле бегущей и стоячей плоских волн // Доклады АН, 2009, т. 424, №6; Князьков Н.Н., Макарова E.Д., Морев С.А., Спиваков Б.Я., Шкинев В.М. Методологические основы применения ультразвукового поля стоячей волны для проточного фракционирования частиц разной природы // Научное приборостроение, 2006, т. 16, №1, с. 23-34.]. Радиационная сила и сила Стокса являются наиболее важными из сил, которые действуют на частицы в УЗ поле.
Радиационная сила, действующая на частицу пропорциональна градиенту интенсивности акустического излучения [Н.М. Hertz. Standing-wave acoustic trap for non intrusive positioning of microparticles // J. Appl. Phys., 1995, 78, 4845-4849]. Таким образом, уменьшая размер обрасти фокусировки и увеличивая величину интенсивности излучения в нем, можно увеличить радиационную силу действующую на частицу и точность манипулирования ею. Уменьшение размера области фокусировки фокусирующим устройством эквивалентно повышению частоту акустического излучения.
Действие этой силы приводит в движение частицу в поле стоячей УЗ волны. При движении частицы в поле стоячей УЗ волны на частицы действует сила сопротивления или трения, которая выражается известным законом Стокса. Когда частицы достигают узла давления, на них действует сила взаимодействия, которая называется силой Бьеркнеса. Сила взаимодействия представляет собой радиационную силу, испытываемую частицей за счет рассеяния акустической волны от другой частицы. На любую частицу, находящуюся в поле земного тяготения, действует сила гравитации или сила притяжения к земной поверхности. На частицы, которые уже находятся в узле давления УЗ поля или двигаются в направлении узла, действует сила гравитации, которая заставляет оседать частицы, если они находятся в неподвижном положении, или отклоняться от прямолинейного движения к ближайшему узлу давлению. Когда частицы находятся в узле давления УЗ поля, в жидкости, которая движется с некоторой скоростью V, то вследствие пониженного давления между этими частицами возникает сила притяжения Бернулли.
При наложении УЗ поля стоячей волны на двигающуюся ламинарным потоком частиц, на каждую частицу будет действовать сила радиационного давления, направленная в зону, соответствующую минимуму потенциальной энергии частицы, и меняющая направление с периодичностью λ/4 (λ - длина волны звуковой волны). При этом частицы концентрируются либо в пучностях, либо узлах стоячей волны в зависимости от соотношений акустических свойств окружающей жидкости и частиц. Если заставить перемещаться в пространстве стоячую волну, то вместе с ней будут перемещаться и частицы.
В заявляемой полезной модели устройства формирования области фокусировки выполнены в виде трехмерной (мезомасштабной) звукопроводящей частицы с характерным размером порядка длины волны, формирующих на их внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4.
В результате проведенных исследований, было обнаружено, что мезоразмерная звукопроводящая частица, например, в форме куба или сферы, пирамиды, осесимметричной пирамиды, цилиндра и т.д. с характерным размером не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения в среде, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде лежащего в диапазоне от 0.5 до 0.83, формирует на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной концентрацией энергии и с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4.
Ввиду субволнового размера области фокусировки градиент сил, действующих на частицу выше, и сами силы больше, чем в известных устройствах аналогичного типа.
В такой акустической ловушке область пучностей акустического поля возникает в области взаимодействия (интерференции) двух встречных пучков, образованных областями фокусировки с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 6. Если расположить два УЗ источника сфокусированных волн 2,6 напротив друг друга, и заставить эти УЗ источники излучать волны одной частоты и интенсивности, то посередине между ними образуется "впадина" - область 6, где волны взаимно уничтожаются. В результате, частица 3, подхваченная одной волной, будет двигаться до тех пор, пока не попадет в данную область, при этом частица 3 находится в рабочей камере 7.
Устройства формирования области фокусировки в виде мезомасштабных звукопроводящих частиц 2, 4 и формирующих области фокусировки излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4, могут быть выполнены в виде звукопроводящих частиц различной формы, например, сферы, кубоида, пирамиды, осесимметричная пирамида, цилиндр и т.д. с характерным размером порядка длины волны используемого излучения, при этом параметры формируемой области фокусировки излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 слабо зависят от формы мезоразмерной звукопроводящей частицы.
В качестве примера работы устройства на фиг. 2 приведены результаты математического моделирования формирования области фокусировки мезомасштабными звукопроводящими частицами, формирующих области фокусировки излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4, на примере сферических частиц в акустической ловушке. Для сферической частицы (радиус 5 длин волн) из свинца, расположенной в воде, отчетливо видно формирование локализованной субволновой зоны акустического поля в условиях значительного отражения, вызванного большим значением плотности материала сферы по сравнению со средой. Максимальная интенсивность в области фокусировки более чем в 60 раз превышает интенсивность падающего поля.
При характерных размерах мезоразмерной звукопроводящей частицы менее λ/2, локальная концентрация акустического поля вблизи поверхности частицы не возникает.При относительной скоростью звука в материале звукопроводящей частицы относительно скорости звука в окружающей среде менее 0.5 поперечный размер локальной области концентрации поля становится порядка дифракционного предела.
При относительной скоростью звука в материале звукопроводящей частицы относительно скорости звука в окружающей среде более 0.83 локальная концентрация акустического поля возникает внутри частицы и не может быть использовано для разделения, концентрирования или манипулирования частицами.
Характерной чертой звукопроводящих частиц, преобразующих падающее на них акустическое излучение в излучения область с повышенной концентрацией энергии и с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4, является то, что они являются одновременно как фокусирующими устройствами, так и частотно-селективными устройствами. При изменении частоты падающего УЗ излучения на мезомасштабную звукопроводящую частицу изменяются параметры области фокусировки (длина, поперечный размер, расстояние от частицы до максимума интенсивности поля в области фокусировки). Выполняя как минимум один УЗ источник излучения с возможностью изменения длины волны излучения становится возможным управление захвата частицы акустической ловушкой.
Например, для устройства акустической ловушки в поле стоячей волны на основе двух встречных пучков, предназначенной для работы в жидкости, например, в воде при 25°С (скорость звука 1490 м/с), в качестве материала звукопроводящей частицы может использоваться рексолит (скорость звука 2311 м/с) относительная скорость звука 0.645 и т.д.
Мезомасштабная акустическая ловушка в поле стоячей волны на основе двух встречных пучков, в которых фокусирующие элементы выполнены в виде мезомасштабных звукопроводящих частиц, формирующих области фокусировки излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/А из литературы не известна.
Мезомасштабная акустическая ловушка в поле стоячей волны на основе двух встречных пучков, в которых фокусирующие элементы выполнены в виде мезомасштабных звукопроводящих, формирующих области фокусировки излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 позволяет уменьшить поперечные размеры фокусирующих элементов до 10 раз и увеличить поперечное разрешение (уменьшить поперечный размер области фокусировке) не менее, чем в 2 раза.