Science Advances封面文章 | 海量微泡群陣調(diào)控超深亞波長聲束,實(shí)現(xiàn)外泌體高純度分選
聲鑷?yán)锰荻嚷晥霎a(chǎn)生的超聲輻射力實(shí)現(xiàn)對微小顆粒的捕獲、排列和搬運(yùn),因其具有非接觸、無創(chuàng)、無損等特點(diǎn),成為聲學(xué)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)方向之一。然而,相較于2018年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的光鑷技術(shù),超聲的聲波波長較長,衍射效應(yīng)明顯,導(dǎo)致聲鑷難以實(shí)現(xiàn)對微納米生物顆粒的精確操控。如何突破聲學(xué)衍射極限以產(chǎn)生亞波長乃至超深亞波長聲束,已成為推動聲操控技術(shù)向超微生物尺度拓展的關(guān)鍵。
近日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)學(xué)成像科學(xué)與技術(shù)系統(tǒng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鄭海榮院士、孟龍研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合美國弗吉尼亞理工大學(xué)田振華教授團(tuán)隊(duì)在超深亞波長聲束構(gòu)建方面取得突破。研究團(tuán)隊(duì)提出了激發(fā)微泡共振產(chǎn)生超深亞波長聲束的方法,成功突破了傳統(tǒng)聲學(xué)的衍射極限,實(shí)現(xiàn)了對聲場的精細(xì)調(diào)控。并且利用大規(guī)模共振氣泡陣列,實(shí)現(xiàn)了全血樣本中高純度外泌體及其亞群的原位快速分離,為液體活檢和精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域提供了新手段。研究成果以“Oscillating Microbubble Array-based Metamaterials (OMAMs) for Rapid Isolation of High-Purity Exosomes”為題發(fā)表在期刊Science Advances,并被選為當(dāng)期的封面文章。
研究團(tuán)隊(duì)在聚二甲基硅氧烷(PDMS)上設(shè)計(jì)直徑為40 μm的微腔結(jié)構(gòu),并利用液體表面張力的作用,在微腔處產(chǎn)生了穩(wěn)定的氣泡。這種無外殼束縛的氣泡在165 kHz共振頻率(波長:~9 mm)激發(fā)下,產(chǎn)生明顯的非線性振動,成功產(chǎn)生了寬度僅為1/186波長的超深亞波長聲束,比聲波波長小2個(gè)數(shù)量級。當(dāng)氣泡直徑為20微米時(shí),聲束寬度達(dá)到24微米。而且,當(dāng)大規(guī)模共振氣泡排布成不同的圖案時(shí),可實(shí)現(xiàn)圖案化聲場的構(gòu)建。例如,1.2萬個(gè)共振氣泡就能精確“描繪”出熊貓圖案的聲場分布。此外,通過改變氣泡的大小并精準(zhǔn)控制其在不同空間位置的共振狀態(tài),還能實(shí)現(xiàn)對聲場的動態(tài)調(diào)控。比如,組成圖案b的氣泡直徑為100 μm,q圖形中的氣泡粒徑為40 μm。當(dāng)利用68 kHz超聲激勵(lì)氣泡時(shí),可構(gòu)建“b”圖案的聲場;當(dāng)同時(shí)施加68 kHz和165 kHz激勵(lì)時(shí),可產(chǎn)生“bq”復(fù)合圖案的聲場。
通過微納加工工藝,結(jié)合表面疏水處理,成功制備了4.6萬個(gè)直徑為40 μm的微腔陣列,大幅提高了氣泡粒徑的一致性,氣泡粒徑偏差控制在1 μm以內(nèi)。通過精確調(diào)控微腔間距至160 μm,避免了氣泡振動時(shí)的能量耦合,每個(gè)微腔形成的氣泡可視為獨(dú)立的、能量局域的“點(diǎn)聲源”,從而實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模氣泡的非線性共振。在操控顆粒方面,揭示了顆粒在氣泡共振場中的動力學(xué)機(jī)制:對于40 μm的氣泡,當(dāng)顆粒直徑超過18 μm時(shí),氣泡振動產(chǎn)生的二階聲輻射力主導(dǎo)顆粒動力學(xué)行為,可將其穩(wěn)定捕獲于氣泡表面;當(dāng)顆粒直徑小于18 μm時(shí),聲微流(microstreaming)產(chǎn)生的拽力起到了主導(dǎo)作用,驅(qū)動顆粒沿渦旋軌跡繞氣泡運(yùn)動。該方法拓展了超聲操控的跨尺度能力,成功將超聲操控的下限拓展至65 nm,實(shí)現(xiàn)了對未經(jīng)稀釋全血中納米級外泌體的高通量、高純度分選。與傳統(tǒng)的分選方法相比,該系統(tǒng)的分選外泌體時(shí)間從16小時(shí)縮短至3分鐘,同時(shí)純度達(dá)到93%。并且,分離后的外泌體保持了結(jié)構(gòu)完整性和生物功能,保證了外泌體的生物應(yīng)用。
中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院孟龍研究員、牛麗麗研究員、美國弗吉尼亞理工大學(xué)田振華教授為論文共同通訊作者,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院博士生李昕珈為論文第一作者。該研究成果得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院先導(dǎo)B專項(xiàng)、廣東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

圖1:文章封面

圖2:(A)單個(gè)氣泡共振聲場,(B)聲束寬度可以達(dá)到驅(qū)動頻率的λ/186;(C)利用氣泡實(shí)現(xiàn)圖案化聲場構(gòu)建; (D) 聲場動態(tài)調(diào)控

圖3:(A)大規(guī)模氣泡共振捕獲20 μm顆粒;(B)分離出來的外泌體的形態(tài)結(jié)構(gòu);(C)實(shí)現(xiàn)外泌體亞類分離
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