Experimental Study of Microparticle Aggregation Inside a Sessile Droplet Subjected to Surface Acoustic Waves

Abstract

Innovative metoder for å manipulere partikler og celler i blandinger har hatt enorm innvirkning i medisinsk progresjon i det siste århundre. Det spiller en avgjørende rolle i å takle ulike medisinske utfordringer, spesielt innen klinisk diagnostikk og terapeutikk. Dette krever nøyaktig kontroll av partiklenes oppførsel, og en harmløs og effektiv metode for partikkelaggregering er bruken av akustiske bølger.

Målet med denne masteroppgaven er å undersøke partikkelaggregeringsmønsterene inne i en stasjonær dråpe utsatt for akustiske overflatebøler produsert av spiral interdigital transdusere (IDT) for ulike frekvenser. Karakterisering av de distinkte aggregeringsmønsterene oppnådd for 7 μm polystyrene (PS) partikler inne i den 2 μL dråpen ble studert. Undersøkelsen ble gjennomført eksperimentelt for varierende frekvenser på 20 MHz, 40 MHz, 80 MHz og 120 MHz med en inngangseffekt på 100 mW for multisystemet. En kvalitativ undersøkelse av de innflytelsesrike hydrodynamiske effektene og den akustiske strålingskraften er adressert for å tilegne en bredere forståelse av aggregeringsmekanismen.

Resultatene viste at det høyere frekvensområdet akkumulerer partiklene i klynger, med en singel klynge som raskt dannes ved 80 MHz og flere klynger observert ved en frekvens på 120 MHz. Til motsetning fanget de lavere frekvensene på 20 MHz og 40 MHz partiklene i 2D konsentriske ringformasjoner på bunnen av dråpen. Avstanden mellom de konsentriske ringene ble målt til å være omtrent halvparten av bølgelengden til de akustiske bølgene i væsken. Disse resultatene indikerer en dominerende kraftkonvertering henhold til frekvensområdet. Hydrodynamiske effekter indusert av den akustiske strømmen inne i dråpen er mer dominerende ved høyere frekvenser, noe som resulterer i flere virvler i strømmen som er i stand til å samle partikler til klynger. Til motsetning, ved lavere frekvenser dominerer den akustiske strålingskraften, og trykknodene til det stående feltet av akustiske overflatebøler i bunnen av dråpen tiltrekker seg partiklene, som resulterer i den fangede ringformasjonen.

Enkeltsystemet opererte med en inngangseffekt på 100 mW for de forskjellige frekvensene, som resulterte i konsentriske ringer med en frekvens på 20 MHz, mens klyngeformasjoner ble observert at 120 MHz. I motsetning til multisystemet, ble makropartikler produsert med en frekvens på 40 MHz. Et fasediagram ble konstruert ved å justere både inngangseffekten og driftsfrekvensen, som avslørte seks aggregeringsregimer. Fasediagrammet viste at enkeltsystemet kan generere det samme aggregeringsmønsteret som multisystemet ved å velge passende inngangseffekt og driftsfrekvens. Den mest optimale konfigurasjonen for konsentrisk partikkelfanging ble funnet å være 5 mW for 20 MHz-konfigurasjonen og 10 mW for 40 MHz-konfigurasjonen. Til motsettning, en høy inngangseffekt på 200 mW for 120 MHz-konfigurasjonen ble funnet å være mest effektiv for multiklynge aggregering.

Innovative methods for manipulating particles and cells in mixtures have greatly impacted medical progression in the recent century. It plays a crucial role in tackling various medical challenges, particularly in the domains of clinical diagnostics and therapeutics. This requires accurate control over the behaviour of the particles, and one method for harmless and effective particle aggregation is the use of acoustic waves.

The aim of this thesis is to investigate the particle aggregation pattern inside a sessile droplet subjected to surface acoustic waves (SAW) generated by spiral interdigital transducers (IDT) for various frequencies. Characterisation of the distinct aggregation pattern obtained for 7 μm polystyrene (PS) particles inside a 2 μL droplet was studied. The investigation is conducted experimentally at various frequencies of 20 MHz, 40 MHz, 80 MHz, and 120 MHz with an input power of 100 mW for the multi-system. A qualitative examination of the influential hydrodynamic effects and acoustic radiation force is addressed to gain a broader understanding of the aggregation mechanism.

The results showed that the higher frequency range accumulates the particles into clusters, with a single cluster rapidly forming at 80 MHz and multiple clusters observed at a frequency of 120 MHz. Conversely, the lower frequencies of 20 MHz and 40 MHz trapped the particles in 2D concentric ring formations at the bottom of the droplet. The spacing between the concentric rings was measured to be roughly half the wavelength of the acoustic waves in the liquid. These results are obtained from a dominant force conversion corresponding with the frequency. Hydrodynamic effects induced by the acoustic streaming inside the droplet are more dominant at higher frequencies, resulting in multiple vortices in the flow capable of accumulating particles in the vortex centre to create clusters. At lower frequencies, the acoustic radiation force dominates, and the pressure nodes of the standing SAW field at the bottom attract the particles towards them, resulting in the entrapment of particles.

Operating the single-system at an input power of 100 mW for the various frequencies resulted in concentric rings at a frequency of 20 MHz, whereas cluster formations were observed at 120 MHz. However, unlike the multi-system, macro particles were produced at a frequency of 40 MHz. A phase diagram was constructed by tuning both the input power and operational frequency, which revealed six aggregation regimes. The phase diagram demonstrated that the single-system can generate the same aggregation pattern as the multi-system by selecting the appropriate input power and operational frequency. The most optimal configuration for concentric particle trapping at low frequencies was found to be 5 mW for the 20 MHz configuration and 10 mW for the 40 MHz configuration. Conversely, a high input power of 200 mW for the 120 MHz configuration was found to be efficient and optimal for multiclusters aggregation.