As pinças acústicas são baseadas em vórtices acústicos focalizados e prometem manipular com precisão microorganismos e células desde a escala milimétrica até a escala submicrônica, sem contato, e com seletividade e força de aprisionamento sem precedentes. O uso generalizado da técnica é dificultado atualmente por limitações aos sistemas existentes decorrentes do desempenho, miniaturização e incapacidade de assimilação em compartimentos. Em um estudo recente, Michael Baudoin e colegas da Universidade Sorbonne e do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica (CNRS), melhorou o potencial de vórtices acústicos focados ao desenvolver o primeiro plano, eletrodo único compacto e emparelhado focalizado ou 'pinça acústica' focada.

A invenção se baseou em transdutores em espiral que foram projetados dobrando um vórtice acústico esférico em um substrato piezoelétrico plano. Baudoin et al. demonstrou a capacidade dessas pinças acústicas de agarrar e deslocar objetos micrométricos dentro de um ambiente microfluídico com seletividade única. O sistema é simples e escalonável para frequências mais altas; abrindo perspectivas tremendas em microbiologia, microrobótica e microscopia. Os resultados agora são publicados em Avanços da Ciência .

As primeiras observações relatadas de levitação parcial em campos de ondas acústicas datam do trabalho de Boyle e Lehmann em 1925. A manipulação precisa e sem contato de objetos físicos e biológicos na escala do micrômetro até a escala do nanômetro tem aplicações promissoras na modernidade, diversos campos da microrrobótica, engenharia de tecidos e micro / nanomedicina. As pinças acústicas são uma tecnologia proeminente para realizar a tarefa, pois não são invasivas, biocompatível e sem rótulo. Eles também são capazes de capturar forças que são várias ordens de magnitude maiores do que suas contrapartes ópticas, com a mesma potência de atuação. Contudo, apenas recentemente os cientistas desenvolveram simultaneamente sistemas avançados de síntese de ondas, configurações microfluídicas e a teoria da pressão de radiação acústica, para permitir que o potencial da acustoforese (movimento com som) seja aproveitado.

Até recentemente, a maioria das pinças acústicas dependia de um único, ou um conjunto de ondas estacionárias ortogonais para criar uma rede de nós e antinodos para capturar as partículas. Embora esses sistemas fossem altamente eficientes para a manipulação coletiva de partículas e células, o sistema evitou seletividade específica. Embora a localização limitada da energia acústica possa ser alcançada usando a técnica de sub-tempo de voo original, apenas o forte foco de campos de onda poderia permitir seletividade específica no nível de uma única partícula.

Ondas acústicas focalizadas são, portanto, candidatas naturais para atingir este nível de localização, mas muitas partículas de interesse (células e fragmentos rígidos) podem migrar para os nós da onda estacionária para serem expelidas do foco da onda, frustrando os esforços de pesquisa sobre a engenharia de uma pinça acústica seletiva. Embora vários sistemas tenham sido propostos anteriormente para sintetizar vórtices acústicos, a capacidade de reter uma armadilha 3-D e escolher uma partícula específica independentemente de suas vizinhas só foi demonstrada recentemente usando um vórtice acústico com foco forte. Os vórtices acústicos assim sintetizados dependem de matrizes de transdutores ou sistemas passivos que são incômodos e incompatíveis com microssistemas (microfluídicos e microchips).

No presente trabalho, Baudoin et al. portanto, aproveitou o potencial das pinças acústicas seletivas dobrando a fase de um vórtice acústico focalizado em uma superfície plana. Para conseguir isso, eles seguiram o princípio de lentes de Fresnel e vórtices acústicos sintetizados com eletrodos interdigitados em espiral simples depositados na superfície de um substrato piezoelétrico. Eles materializaram duas linhas equiphase usando os eletrodos para representar a fase dobrada em dois níveis discretos. A forma do eletrodo era semelhante a uma espiral de Arquimedes-Fermat, onde sua contração radial permitiu o foco da onda sem a necessidade de um transdutor ou lente curva, como uma grande vantagem em comparação com os sistemas existentes. Baudoin et al. também foram capazes de superar todas as limitações das pinças cilíndricas baseadas em vórtice demonstradas anteriormente para demonstrar atualmente maior seletividade. No estudo, os cientistas usaram o desenvolvimento para:

1. Meça o campo acústico com um interferômetro a laser e quantifique a diminuição radial rápida dos anéis secundários (anéis de amplitude mais fraca que podem impedir a seletividade) no sistema, e
2. Prenda e mova seletivamente uma partícula independentemente de suas vizinhas dentro de um ambiente microfluídico padrão, demonstrando sua praticidade.

Os cientistas projetaram o sistema experimental para sintetizar vórtices focais a uma frequência de 4,4 MHz, com eletrodos metálicos em espiral que foram depositados na superfície de um niobato de lítio Y-36 (LiNbO ₃ ) substrato piezoelétrico. Para conduzir a vibração desses eletrodos em espiral, os cientistas usaram um gerador de forma de onda e um amplificador para a convergência do feixe durante o experimento dentro de uma configuração microfluídica aquosa que consiste em uma lamela de vidro e uma câmara de polidimetilsiloxano (PDMS). Eles garantiram uma melhor transmissão de energia acústica do vidro para o líquido na configuração experimental e usaram um vibrômetro a laser Polytec para medir o campo acústico resultante na superfície da lamela de vidro.

Na configuração experimental, Baudoin et al. utilizou eletrodos metálicos depositados na superfície do substrato piezoelétrico para sintetizar feixes Hankel convergentes de abertura finita. Eles excitaram cada eletrodo para provocar vibrações localizadas no substrato piezoelétrico e produzir um vórtice acústico dentro de uma lâmina de vidro. Neste método holográfico, eles combinaram vários conceitos no campo da microeletrônica, incluindo os princípios físicos subjacentes das lentes Fresnel em óptica, a especificidade da topologia do feixe de Bessel e os princípios da síntese de ondas com transdutores interdigitais (IDTs).

Os feixes acústicos esféricos Bessel são vórtices esféricos que formam excelentes candidatos para criar uma armadilha acústica localizada. Mecanicamente, esses campos acústicos podem concentrar a energia acústica em 3-D para criar uma zona de sombra no centro do vórtice cercada por uma casca brilhante para capturar as partículas. Muito parecido com uma onda estacionária plana é uma combinação de duas ondas progressivas contra-propagantes, um feixe esférico de Bessel resulta da interferência entre um feixe de Hankel esférico convergente e divergente.

Como resultado, um feixe de Bessel pode ser experimentalmente produzido por um único feixe convergente de Hankel que interfere com sua contraparte divergente gerada no foco, ou seja, dentro da singularidade central do vórtice. Devido ao efeito piezoelétrico, os cientistas conseguiram acoplar as vibrações mecânicas das ondas acústicas volumosas ao potencial elétrico e modelar os eletrodos como fios perfeitos (linhas isopotenciais). Usando os dois eletrodos, Baudoin et al. discretizou a fase dobrada em dois níveis para formar as pinças acústicas.

Os cientistas compararam o campo acústico medido experimentalmente com as previsões numéricas obtidas a partir do método do espectro angular para mostrar excelente concordância entre ambos, para a intensidade e fase do campo de onda. Eles compararam a evolução radial medida experimentalmente e a média da intensidade do anel com (1) a evolução radial de um vórtice cilíndrico (vermelho) e (2) a evolução radial de um vórtice esférico (azul). Os resultados mostraram que, uma vez que a pressão de radiação era proporcional à intensidade do feixe, a seletividade foi grandemente aumentada pela focagem axial do feixe em comparação com vórtices cilíndricos. Desta maneira, os cientistas mostraram a focalização 3-D da energia como uma grande vantagem para manipular seletivamente as partículas.

Para demonstrar a capacidade da pinça acústica de pegar uma partícula e se mover independentemente de suas vizinhas, Baudoin et al. partículas de poliestireno monodispersas dispersas com um raio de 75 ± 2 µm dentro da câmara microfluídica com uma altura de 300 µm. A pinça escolheu uma partícula específica feita de poliestireno, onde a fraca densidade e compressibilidade das partículas contrastavam com o líquido circundante. De acordo com um relatório anterior, a força de retenção exercida sobre as partículas sólidas por um feixe de Bessel de primeira ordem dependia fortemente da densidade contrastante e / ou compressibilidade; mais fraco o contraste - mais fraca a força de aprisionamento. Apenas as partículas presas no centro do vórtice se moviam, enquanto os outros permaneceram imóveis. Usando a técnica, os cientistas demonstraram a capacidade da pinça para posicionar com precisão um conjunto de 18 partículas de poliestireno com um raio de 75 ± 2 µm começando da distribuição aleatória em um padrão prescrito para soletrar 'MOV' (objetos móveis com vórtices).

No total, Baudoin et al. levantou as restrições existentes de pinças acústicas que até agora forçaram um trade-off entre seletividade e miniaturização ou integração, evitando suas aplicações em microfluídica e microbiologia. Eles superaram as limitações por meio de (1) aprisionamento acústico com vórtices focalizados, (2) síntese de ondas holográficas com IDTs e (3) integração dos princípios das lentes de Fresnel em um único, dispositivo de miniaturização compacto e transparente.

Usando o microssistema, os cientistas demonstraram a manipulação sem contato de partículas em um ambiente de microscopia padrão com seletividade de última geração. Devido à simplicidade da tecnologia e escalabilidade para frequências mais altas, o trabalho pode abrir caminho para a manipulação individual e montagem in situ de micro-objetos físicos e biológicos.

A demonstração rigorosa de captura 3D real com uma onda progressiva exigirá a eliminação de quaisquer ondas estacionárias que possam aparecer a partir de reflexos de onda em uma configuração confinada. As demonstrações práticas da capacidade de captura 3-D das pinças de Arquimedes-Fermat apresentarão uma perspectiva interessante em microrobótica, engenharia de tecidos e nanomedicina.

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