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研究人员开发了使用流体捕获多个粒子的新方法

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个别粒子或分子的精确控制是一项艰巨的任务。同时控制多个粒子是一个更具挑战性的尝试。伊利诺伊大学的研究人员开发了一种依靠流体流动来操纵和组装多个颗粒的新方法。这种新技术可以捕获一系列亚微米至微米大小的颗粒,包括单个DNA分子,囊泡,液滴或细胞。化学和生物分子工程教授查尔斯·M·施罗德(Charles M. Schroeder)说:“这是一种从根本上捕捉溶液中多个颗粒的新方法。 Schroeder与机械科学和工程研究生Anish Shenoy以及化学和生物分子工程学教授Christopher Rao一起进行了这项研究。

左起,伊利诺斯州教授克里斯托弗·拉奥和查尔斯·施罗德与研究生安尼什·申诺(Anish Shenoy)一起开发了一种控制多颗粒的新方法。摄影:L. Brian Stauffer

研究结果报告在国家科学院院刊。

许多方法存在粒子捕获,每个类型使用不同的陷阱模式 - 包括光学,磁力,声学和电力。然而,这些技术中的许多改变或干扰正在观察的系统。

Shenoy说:“现有的技术对于捕集所需的颗粒特性可能非常有限,我们希望研究各种系统,如细菌细胞和不同类型的软颗粒,如囊泡,气泡和液滴。他说,目前没有哪种技术可以用来研究这个跨越多个尺度的广泛的系统。因此,研究人员想要建立一种技术,可以普遍适用于任意数量的任意类型的粒子。

称为斯托克斯陷阱,由施罗德团队开发的方法依赖于温和的流体流动操纵粒子。施罗德集团是第一个使用流体流动来实现多颗粒捕集和组装的公司。

为了控制颗粒从设定的起始位置到设定的终点位置的移动,Shenoy和他的同事开发了一种自动控制算法,计算驱动流场所需的压力,并精确地将颗粒移动到一个小的微。他说,该算法可以在半毫秒内解决复杂的优化问题。

使用斯托克斯陷阱,研究人员可以操纵粒子遵循任何预定的路径。图片来源:伊利诺伊大学

“控制器中涉及多个参数,这是其中的复杂部分,”Schroeder说。

控制程序设计用于计算粒子与目标位置的距离,并通过最小化移动粒子所需的流速来有效移动它们。这也将使研究人员能够将多个粒子组装成任意复杂的结构,并探测两个或更多个粒子之间的相互作用。

该组织希望斯托克斯陷阱能够像其他常用的诱捕方法一样普及。 Schroeder说:“这不仅是工具箱中的另一种方法,而且与其他方法相比还有几个优点。 “只要你能看到一个粒子并以某种方式检测到它,就可以将其捕获。”

来源:伊利诺伊大学

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