声学微流控芯片中生物样品的定点操控及定量表征

批准号:
11904117
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
汤强
依托单位:
学科分类:
A2303.超声物理与技术
结题年份:
2022
批准年份:
2019
项目状态:
已结题
项目参与者:
--
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中文摘要
利用超声场的非线性效应操控生物样品具有非接触、低损伤、形式多样等优势,但现有超声微纳操控技术存在精度低、样品区分度差、集成化程度低等不足。针对秀丽隐杆线虫、HeLa细胞、外泌体等模式生物样品在微流控芯片中的操控需求,通过在微流道中引入尖角或气泡等微结构,并利用压电换能器振动所产生的声辐射力或声流场等非线性声学效应,不仅可以实现微流道中生物样品的定点操控,如捕捉、聚集、旋转等,而且可以通过有限元仿真,对生物样品在复杂超声场和微流场中的运动进行动力学分析,从而定量表征样品的物理参数,如尺寸、密度、可压缩性等。在生物样品三维面外旋转的基础上,结合荧光染色法和图像处理技术,可以获得生物样品外部轮廓和内部组织的三维重构,从而定量表征生物样品内外结构的表面积、椭圆度、粗糙度等形貌参数,进而阐明不同生物样本之间的表型差异。本项目的实施为实现生物样品在微流控芯片中的定点操控和定量表征提供了新思路。
英文摘要
The nonlinear effect of ultrasonic field can be used to manipulate biological samples, which has many advantages, such as non-contact, low damage and diverse forms. However, the existing ultrasonic micro/nano manipulation technology also has disadvantages including low accuracy, poor sample discrimination, low integration degree, and so forth. In order to satisfy the manipulation requirements of Caenorhabditis elegans, HeLa cells, exosomes and other model biological samples in microfluidic chips, sharp-edge or bubble microstructures are introduced in the design of microchannels. Acoustic radiation force or acoustic streaming field generated by piezoelectric transducer vibration is utilized to realize fixed-point manipulation of biological samples in microchannels, such as capture, aggregation and rotation. Movement of biological samples in complex sound and flow fields can be analyzed by finite element simulation to quantitatively characterize physical parameters, such as size, density and compressibility. On the basis of three dimensional out-of-plane rotation of biological samples, their external contours and internal tissues can be reconstructed by combining fluorescent staining method and image processing technology to quantitatively characterize morphological parameters, such as surface area, ellipticity and roughness, which can be used to further clarify phenotypic differences among different biological samples. Implementation of the program provides a new perspective for fixed-point manipulation and quantitative characterization of biological samples in microfluidic chips.
本项目针对微纳颗粒和模式生物样品的多样化操控需求,以微流控芯片为操控平台,通过在微流道中引入尖角、气泡、声子晶体板或分形图案等多种非传统微结构,并以压电换能器振动所产生的声辐射力和声流场这两种非线性声学效应为主要操控手段,以实现大规模微纳颗粒或单一生物样品在微流道中不同位置处的可控定点操控,如捕捉、聚集、旋转等。通过有限元仿真计算,可以对微纳颗粒或生物样品在复杂超声场和微流场中的运动进行动力学分析,不仅可以优化声学微流控芯片的设计,而且可以定量表征样品的相关物理属性,如尺寸、密度、可压缩性等。在生物样品三维面外旋转的基础上,结合图像处理技术,可以获得生物样品外部轮廓的三维重构,从而定量表征生物样品的表面积、椭圆度、粗糙度等形貌参数。生物样品的表型特征不仅可以从生物物理学角度区分不同样品之间的差异,而且可用于生物的新陈代谢、癌细胞的转移、细胞间的信息传递等前沿研究。本项目的研究内容涉及超声学、流体力学、微纳技术、生物医学等多个领域,具有多学科交叉融合的特色。本项目的实施为非线性声学效应在微纳操控、微流控芯片、器官芯片等研究领域的应用提供新的设计思路和解决方法,因而不仅具有重要的学术价值,更具有良好的应用前景和经济效益。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Rotational acoustofluidic fields induced by cross structures with asymmetric radiation surface arrangements
具有不对称辐射表面排列的交叉结构引起的旋转声流场
DOI:10.1063/5.0104386
发表时间:2022-10
期刊:Journal of Applied Physics
影响因子:3.2
作者:Tang Qiang;Tang Shuai;Liu Pengzhan;Gu Zhouzhi;Xu Zhaomei
通讯作者:Xu Zhaomei
Sophisticated acoustofluidic patterns generated in quasi-Sierpiński-carpet shaped chambers with heterogeneous radiation surface distributions
在具有异质辐射表面分布的准 SierpinÌ 滑雪地毯形状的室中生成复杂的声流体图案
DOI:10.1088/1402-4896/ac7c98
发表时间:2022
期刊:Physica Scripta
影响因子:2.9
作者:Tang Qiang;Yang Yongwei;Liu Pengzhan;Wang Tongyue;Wang Xu
通讯作者:Wang Xu
Accurate profiling of blood components in microliter with position-insensitive coplanar electrodes-based cytometry
使用基于位置不敏感的共面电极的细胞计数法准确分析微升血液成分
DOI:10.1016/j.snb.2022.132068
发表时间:2022-05
期刊:Sensors and Actuators B: Chemical
影响因子:--
作者:Zhong Jianwei;Tang Qiang;Liang Minhui;Ai Ye
通讯作者:Ai Ye
DOI:https://doi.org/10.1088/1674-1056/ac1f0e
发表时间:2022
期刊:Chinese Physics B
影响因子:1.7
作者:Tang Qiang;Liu Pengzhan;Tang Shuai
通讯作者:Tang Shuai
Rotational manipulation of massive particles in a 2D acoustofluidic chamber constituted by multiple nonlinear vibration sources
由多个非线性振动源构成的二维声流室中大质量粒子的旋转操纵
DOI:10.1088/1674-1056/ac1f0e
发表时间:2021-08
期刊:Chinese Physics B
影响因子:1.7
作者:Tang Qiang;Liu Pengzhan;Tang Shuai
通讯作者:Tang Shuai
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