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생체응용을 위한 휴대용 단일빔 음향집게시스템 개발
Development of portable single-beam acoustic tweezers for biomedical applications 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.39 no.5, 2020년, pp.435 - 440  

이준수 (서강대학교 전자공학과) ,  박연성 (인제대학교 의용공학부) ,  김미지 (인제대학교 의용공학부) ,  윤창한 (인제대학교 의용공학부)

초록
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음향집게는 마이크론 단위의 미세입자를 비접촉 방식으로 조작할 수 있어 다양한 생체공학 응용에 사용되고 있다. 현재까지 음향집게는 in vitro 실험을 목적으로 개발되어 임의파형 발생기와 전력 증폭기와 같은 부피가 큰 고가의 장비를 사용하여 구현하였다. 따라서 이러한 시스템은 이동이 불편하여 한정된 공간에서만 사용이 가능하기 때문에 향후 in vivo 및 임상 실험에 적합하지 않은 구조를 가진다. 따라서 본 논문에서는 이동이 가능한 휴대용 음향집게를 개발하고 그 성능을 평가하였다. 개발한 휴대용 음향집게 시스템은 하나의 Field Programmable Gate Array(FPGA)와 2 개의 펄서로 구현되었으며, Universal Serial Bus(USB) 통신을 이용하여 Personal Computer(PC)에서 송신 주파수 및 펄스 길이 등을 실시간으로 조절이 가능하도록 설계하였다. 개발한 시스템은 최대 20 MHz의 중심 주파수 까지 송신이 가능하며, 미세입자 및 세포를 포획할 수 있는 충분한 힘을 생성할 수 있었다. 개발한 시스템의 성능을 평가하기 위하여 40 ㎛와 90 ㎛ 크기의 폴리스티렌 입자를 포획 및 조정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Single-beam acoustic tweezers that are capable of manipulating micron-size particles in a non-contact manner have been used in many biological and biomedical applications. Current single-beam acoustic tweezer systems developed for in vitro experiments consist of a function generator and a power ampl...

주제어

#음향집게   #휴대용   #고주파수 초음파   #포획  

표/그림 (6)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 음향집게의 포획힘에 대한 이론은 입자의 반경이 파장에 비해 충분히 큰 미(Mie) 영역에서만 음선 이론으로 해석이 가능하지만 최근 입자의 반경이 파장보다 작은 레일리히(Rayleigh) 영역에서도 입자가 포획됨을 실험적으로 보였다. 본 논문에서는 이론적으로 정립이 된 음선이론에 대해 간략히 소개를 하겠다.

가설 설정

  • 1과 같이 입사하는 초음파 빔이 입자의 표면에서 빔의 방향이 바뀜으로써 발생하는 방사력에 의한 것이다. 가우시안 형태의 빔을 가지는 집속된 송신 초음파 빔이 Fig. 1에서와 같이 구형의 입자에 작용한다고 가정하고, 이 중 두 개의 음선(P1과 P2)에 대해서만 살펴본다. Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
음향집게가 다양한 생체공학 응용에 사용되고 있는 이유는? 음향집게는 마이크론 단위의 미세입자를 비접촉 방식으로 조작할 수 있어 다양한 생체공학 응용에 사용되고 있다. 현재까지 음향집게는 in vitro 실험을 목적으로 개발되어 임의파형 발생기와 전력 증폭기와 같은 부피가 큰 고가의 장비를 사용하여 구현하였다.
본논문에서 개발한 휴대용 음향집게 시스템은 무엇을 통해 구현하였는가? 따라서 본 논문에서는 이동이 가능한 휴대용 음향집게를 개발하고 그 성능을 평가하였다. 개발한 휴대용 음향집게 시스템은 하나의 Field Programmable Gate Array(FPGA)와 2 개의 펄서로 구현되었으며, Universal Serial Bus(USB) 통신을 이용하여 Personal Computer(PC)에서 송신 주파수 및 펄스 길이 등을 실시간으로 조절이 가능하도록 설계하였다. 개발한 시스템은 최대 20 MHz의 중심 주파수 까지 송신이 가능하며, 미세입자 및 세포를 포획할 수 있는 충분한 힘을 생성할 수 있었다.
음향집게중 정상파 집게의 원리는? 음향집게는 크게 정상파 집게, 단일 빔 음향집게로 분류할 수 있다.[6] 정상파 집게는 입자가 음향 방사력을 통해 압력 노드 또는 안티노드로 이동하는 원리로, 음파의 생성 방법에 따라 Surface Acoustic Waves(SAWs)와 Bulk Acoustic Waves(BAWs)로 나뉜다. SAWs는 압전 소자위에 패터닝된 InterDigital Transducers(IDTs)를 이용하여 음파를 생성하는 방식으로 소형화에 용이하며 정밀한 조작이 가능하다.
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참고문헌 (12)

  1. A. Folch and M. Toner, "Microengineering of cellular interactions," Annu. Rev. Biomed. Eng. 2, 56-227 (2000). 

  2. H. Andersson and A. van den Berg, "Microtechnologies and nanotechnologies for single-cell analysis," Current Opinion Biotechnol. 15, 44-49 (2004). 

  3. A. Ashkin, J. M. Dziedzic, J. E. Bjorkholm, and S. Chu, "Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles," Opt. Lett. 11, 288-290 (1986). 

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  4. A. Ashkin and J. M. Dziedzic, "Optical trapping and manipulation of viruses and bacteria," Science, 235, 1517-1520 (1987). 

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  5. H. Zhang and I. K-K. Liu, "Optical tweezers for single cells", J. R. Soc. Interface, 5, 671-690 (2008). 

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  6. A. Ozcelik, J. Rufo, F. Guo, Y. Gu, P. Li, J. Lata, and T. J. Huang, "Acoustic tweezers for the life sciences," Nature Methods, 15, 1021-1028 (2018). 

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  7. A. R. Bausch, W. Moller, and E. Sackmann, "Measurement of local viscoelasticity and forces in living cells by magnetic tweezers," Biophys. J. 76, 573-579 (1999). 

    상세보기

  8. J. W. Lee, K. L. Ha, and K. K. Shung, "A theoretical study of the feasibility of acoustical tweezers: Ray acoustic approach," J. Acoust. Soc. Am. 117, 3273-3280 (2005). 

  9. C. Yoon, B. J. Kang, C. Lee, H. H. Kim, and K. K. Shung, "Multi-particle trapping and manipulation by a high-frequency array transducer," Appl. Phys. Lett. 105, 214103 (2014). 

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  10. H. G. Lim, H. H. Kim, C. Yoon, and K. Kirk Shung, "A one-sided acoustic trap for cell immobilization using 30-MHz array transducer," IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. 67, 167-172 (2020). 

  11. H. G. Lim and K. K. Shung, "Quantification of intererythrocyte forces with ultra-high frequency (410 MHz) single beam acoustic tweezer," Annals of Biomedical Engineering, 45, 2174-2183 (2017). 

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  12. S. Youn, J. W. Choi, J. Lee, J. Kim, I. H. Yang, J. H. Chang, H. C. Kim, and J. Y. Hwang, "Acoustic trapping technique for studying calcium response of a suspended breast cancer cell: determination of its invasion potentials," IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. 66, 737-746 (2019). 

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