Only Perception: 聲學鑷子能幫助微小物體定位

2009-08-30

聲學鑷子能幫助微小物體定位

Acoustic tweezers can position tiny objects
http://www.physorg.com/news170686724.html

August 28th, 2009

(PhysOrg.com) -- 根據賓州大（Penn State）工程師表示，操縱如單一細胞或奈米尺寸的珠子這樣微小的物體，經常需要相對較大的、笨重的設備，不過現在有一種系統，將聲音當成微小鑷子來用，且小到足以放置在一塊晶片上。

"目前用來移動個別細胞或微小珠子的方法包括光學鑷子（optical tweezers）這樣的裝置，那需要很多能量而且可能損害或甚至殺死活細胞，" Tony Jun Huang（音譯︰黃鈞）表示，工程科學與機械學助教授。"聲學鑷子（Acoustic tweezers）比光學鑷子更小，且所使用的能量少於 50 萬倍。"

光學鑷子龐大且昂貴，然而聲學鑷子卻小於一角美元，小到足以利用標準晶片製程組裝在一塊晶片上。它們也能夠操縱活細胞而不會損害或殺死它們。

聲學鑷子不同於眉拔（eyebrow tweezers），在其中它們能將許多微小物體同時定位，並以彼此平行或格狀方式等距放置它們。格狀配置或許對於生物學的應用最有幫助，在此，研究者能將幹細胞以格狀方式排列，以便進行檢測，或著排列皮膚細胞以生長新皮膚。這允許研究者看見任一類型的細胞如何生長。

"聲學鑷子不僅在生物學上有用，" Huang 說。"它們能用於物理學、化學與材料科學裝，以創造奈米粒的圖樣（patterns）以便進行塗布或蝕刻表面。"

聲學鑷子透過設置一直立的表面聲波而作用。若二聲源彼此相對，且每一個發出同樣波長的聲音，這裡將會有一處，相對的聲音在這裡彼此抵消。這個地方能被視為一波谷（trough）。因為聲波具有壓力，它們能推動非常小的物體，故一個細胞或奈米粒子將隨著聲波移動，直到它抵達波谷，在這裡它們不再移動。粒子或細胞將停駐並 "落" 入波谷中。

如果聲音來自於彼此面對的二平行聲源，波谷將形成一直線或連續的直線。如果聲源彼此成一正確角度，這些波谷將如同西洋棋盤般均勻形成等距的橫列與直行。在此，這些粒子也會被推動直到它們抵達聲音不再移動的地點。

這種聲學鑷子是由趾間相連（interdigital）的換能器（transducer）在一壓電（piezoelectric）晶片上組裝而成。這些換能器即為聲源。接著，利用標準的光微影術製成微通道，在其中包含細胞或粒子的少量液體能自由移動。這些微通道能與晶片結合以創造出粒子的運動區域。

為了測試他們的裝置，研究者，包括工程科學與機械學畢業生 Jinjie Shi、Daniel Ahmed 與 Sz-Chin Steven Lin；生物工程畢業生 Xiaole Mao 以及工程科學與機械學學生 Aitan Lawit，利用直徑約 1.9 微米的青龍色（Dragon Green）螢光聚苯乙烯珠子。他們接著使用牛的紅血球還有單細胞大腸桿菌來測試聲學鑷子。

"在兩群細胞形狀（圓珠形與桿狀）與大小明顯不同的情況下，這些結果證明咱技術的多才多藝，" 研究者在最近一期 Lab on a Chip 上報告。他們提到圖樣的形成獨立於粒子的電、磁與光學特性。

"絕大部份的細胞或粒子在幾秒內形成圖樣，" Huang 說。"所使用的能量很低，且這種聲學鑷子應當不會傷害細胞。因為它們具有不同的特性，故聲學鑷子也能從死細胞中分離出活的，或不同類型的粒子。"（後略譯）

※ 相關報導︰

＊ Acoustic tweezers: patterning cells and microparticles using standing surface acoustic waves (SSAW)
http://www.rsc.org/Publishing/Journals/LC/article.asp?doi=b910595f