Sortering och koncentration av mikropartiklar och ... - Spectronic AB

Sortering och koncentration av
mikropartiklar och bakterier med hjälp av
stående akustiska vågor
Spectronic AB
Helsingborg, Sweden
cs@spectronic.se,
www.spectronic.se

Abstract
Described in this paper is a new method for sorting and separating different kind of bacteria or
micro particles from each other using switch-frequency ultrasonic standing waves. This provides
possibility for a broad range of new applications. Among those are separation of blood
components, extraction of particular bacteria types and new screening methods for medical or
chemical industry.
Also described in this paper is a technique for concentrating or cleaning fluids containing bacteria
or mirco particles using constant-frequency ultrasonic standing waves. Possible applications for
this technique include sterilization of fluids and bacteria concentration for biological purposes.
1

Innehållsförteckning
Abstract ...........................................................................................................................................1
Förord........................................................................................... Fel!Bokmärket är inte definierat.
Innehållsförteckning.......................................................................................................................2
1. Inledning......................................................................................................................................3
2. Översikt .......................................................................................................................................4
3. Mikromekanik ............................................................................................................................5
3.1 Tillverkning av kiselstrukturer...............................................................................................5
3.2 Typer av strukturer.................................................................................................................6
4. Fysikalisk teori............................................................................................................................8
4.1 Mikrofluidik ...........................................................................................................................8
4.2 Våglära och stående vågor ...................................................................................................10
4.3 Piezoelektriska kristaller ......................................................................................................11
4.4 Partiklar i stående ultraljudsvågor........................................................................................12
4.5 Stående vågor i flödeskanaler ..............................................................................................15
5. Partikelsortering.......................................................................................................................16
5.1 Introduktion..........................................................................................................................16
5.2 Kraftpåverkan på olika partikeltyper ...................................................................................16
5.3 Sorteringsprocessen..............................................................................................................18
6. Bakterier och celler ..................................................................................................................20
6.1 Inledning ..............................................................................................................................20
6.2 Typer av bakterier ................................................................................................................20
6.3 Odling av bakterier...............................................................................................................20
6.4 Bestämning av bakteriekoncentration ..................................................................................21
7. Laborativt genomförande ........................................................................................................23
7.1 Inledning ..............................................................................................................................23
7.2 Laborationsuppställning för partikelkoncentration ..............................................................23
7.3 Laborationsuppställning för partikelsortering......................................................................25
7.4 Kylning av piezokristallerna ................................................................................................27
7.5 Partiklar och bakterier i ultraljud .........................................................................................27
7.6 Blandningar av partiklar.......................................................................................................28
7.7 Storlekar på strukturer..........................................................................................................29
7.8 Ultraljudseffekt ....................................................................................................................30
8. Resultat och analyser ...............................................................................................................31
8.1 Koncentration av bakterier...................................................................................................31
8.2 Sortering av partiklar............................................................................................................32
8.3 Sortering av bakterier...........................................................................................................33
8.4 Separation av blodkomponenter...........................................................................................33
9. Övriga tester samt framtida idéer...........................................................................................35
9.1 Detektering av stående våg med hjälp av nätverksanalysator..............................................35
9.2 Partikelfokusering i vertikal led ...........................................................................................36
9.3 Införande av försorteringskammare till partikelsorteringsprocessen...................................37
10. Slutsatser .................................................................................................................................38
11. Referenslista............................................................................................................................39
2

1. Inledning
Mikrokemiska analyssystem är ett område som det sker mycket forskning inom just nu. Syftet
med dessa är att implementera komplicerade kemiska och medicinska analyser i små enkla
moduler, vilket för den medicinska och kemiska industrin kan jämföras med den utveckling som
elektronikbranschen upplevde i och med den integrerade kretsens intåg.
På detta sätt kan avancerade analyser göras snabbt och billigt med de stora fördelarna att det går
åt väldigt lite av de olika kemiska substanserna. Likaså kan avancerade processer i större skala
genomföras enkelt och effektivt genom parallell användning av många mikrosystem.
Syftet med denna rapport är att undersöka huruvida det är möjligt att sortera och separera celler
och bakterier genom att förflytta dem med hjälp av stående akustiska vågor i ett mikrosystem.
Teorin bygger på upptäckten att olika stora partiklar förflyttas med olika hastighet i samma
stående våg. Genom att justera frekvensen för den stående akustiska vågen är det därmed möjligt
att kontinuerligt sortera olika stora partiklar från varandra, samt även dynamiskt bestämma de
partikelstorlekar som skall sorteras.
Den teknik som har arbetats med i detta arbete kan användas för många olika kemiska och
medicinska applikationer. Möjliga medicinska användningsområden innefattar bland annat
separation av blodkomponenter samt rening och anrikning av vätskor. För kemisk analys kan
tekniken användas för att sortera partiklar, som på olika sätt reagerat med någon substans, och
därmed möjliggöra nya snabba screeningmetoder.
3

2. Översikt
Partiklar eller bakterier som är utblandade i en vätska kommer att påverkas av olika krafter om de
flödar in i en akustisk våg. Genom att använda mikrostrukturer med smala flödeskanaler där en
stående akustisk våg skapas mellan kanalens väggar så är det möjligt att positionera partiklar i
sidled i kanalen.
I partikelkoncentrationsprocessen utnyttjas detta genom att en vätska med partiklar flödar in i en
sådan stående våg, varvid alla partiklar kommer att samlas i mitten av kanalen. Kanalen delas
därefter i tre grenar där alla partiklar således flödar ut genom mittengrenen och endast partikelfri
vätska flödar ut genom sidogrenarna. Flödet från de olika grenarna samlas upp genom olika
utlopp. Genom att samla upp flödet från mittengrenen har partiklarna således koncentrerats till en
mindre mängd vätska än vad de ursprungligen var lösta i.
Om den frekvens som skapar den stående vågen dubbleras så kommer partiklarna, istället för att
samlas i ett band i mitten av kanalen, att samlas i två band vid sidorna av kanalen. Man talar då
om en andra ordningens stående våg.
För partikelsorteringsprocessen utnyttjas detta genom att snabbt växla mellan första och andra
ordningens stående våg samtidigt som en vätska innehållande både stora och små partiklar flödar
in i kanalen. Då är det möjligt att få stora partiklar att samlas i mitten av kanalen, samtidigt som
mindre partiklar samlas i de båda banden vid sidorna av kanalen.
Genom att därefter, precis som tidigare, dela kanalen i tre grenar är det möjligt att få alla stora
partiklar att flöda ut genom mittengrenen samtidigt som alla små partiklar flödar ut genom
sidogrenarna. Genom att samla upp vätskorna från de olika förgreningarna har således en
sortering av stora och små partiklar genomförts.
Figur 2.1. Struktur där en blandning med olika sorters partiklar
injiceras längs kanalväggarna från vänster. Svarta prickar
betecknar stora partiklar och vita prickar betecknar små partiklar.
Proportionerna i figuren är överdrivna jämfört med verkligheten.
Rent vatten injiceras i mitten från vänster. De olika partikelslagen
sorteras och dirigeras till olika utlopp när de flödar in i det
växlande ultraljudsfältet.
4

3. Mikromekanik
3.1 Tillverkning av kiselstrukturer
De mikrostrukturer som använts i detta projekt har varit gjorda i kisel. Dock har inga nya
mikrostrukturer behövts göras under projektets gång, eftersom de strukturer som behövdes redan
fanns färdiggjorda av andra personer. Av denna anledning följer endast en översiktlig beskrivning
av tillverkningstekniken, för att ge en överblickande bild av processen.
I princip är det fullt möjligt att tillverka mikrostrukturer i andra material än kisel. För den
tillämpning som beskrivs i detta arbete är det dock nödvändigt att materialet har lämpliga
akustiska egenskaper, d.v.s. att det leder ultraljud väl samt har en hög reflektionskoefficient i
övergången mellan vatten och strukturmaterialet. Ett material som fungerar alldeles utmärkt är
glas, men det är inte lika enkelt att arbeta med som kisel. Inom ramen för ett annat projekt inom
samma institution har en del försök att använda olika plaster gjorts, dock ännu inte med
tillräckligt goda resultat.
Konstruktion i kisel är en litografisk process. Man utgår alltså från en ljusmask som definierar
vilka områden som skall exponeras och avslutar med en etsningsprocess som etsar i de
exponerade områdena. Kislet i sig är ett kristallint material med olika starka atomära bindningar i
olika riktningar. Effekten av detta är att etsningshastigheten kan vara hög i vissa riktningar medan
den är nästan obefintlig i andra riktningar. Dessa riktningar är väldigt väldefinierade och man
märker därför upp kiselplattor utifrån den kristallriktning som de är utsågade i.
Etsningsprocessen påminner en del om litografisk etsning i kretskort då en fotoresist läggs på en
yta som sedan exponeras och så sker etsning på de delar där exponering av fotoresisten har skett.
I fallet med kisel måste dock ett mellansteg göras i form en mask i kiseldioxid.
Processen börjar med att kiselplattorna oxideras i en ugn under hög temperatur ihop med någon
oxidant som vattenånga eller syrgas. Ett skikt av kiseldioxid bildas då på kiselplattorna.
Därefter beläggs kiselplattorna med ett lager fotoresist som sedan belyses genom en mask.
Masken är gjord med hög precision i lämpligt datorprogram och definierar vilka områden på
kiselplattan som skall etsas.
Därefter framkallas fotoresisten och en första etsning sker i vätefluorid. Under detta etsningssteg
kommer kiseldioxiden att etsas bort och det rena kislet att friläggas i de områden som inte är täckt
av fotoresist. Således är den ursprungliga masken i detta skede överförd till en mask av
kiseldioxid.
Därefter sker den verkliga kiseletsningen då mikrostrukturerna växer fram. Beroende på vilket
etsmedel som används så kommer etsningen att ske med olika hastigheter i olika riktningar i
kislet. Om en kaliumhydroxidlösning används, så kommer det att skilja sig en faktor 400 i
hastighet mellan den snabbaste och den långsammaste riktningen. Genom att placera masken på
ett sådant sätt att maximal etshastighet är rakt ner i plattan, medan minimal etshastighet är
vinkelrätt mot maskens kanter, är det i möjligt att skapa kanaler i kislet med i stort sett lodräta
väggar. Djupet på en sådan kanal är då beroende på hur lång tid etsningen tillåts fortgå.
5

Figur 3.1. Genomskärningsbild av kiselplatta under
andra etsningssteget. Etshastigheten är hög vertikalt
samt väldigt låg horisontellt.
Denna process kan göras på samma sätt på båda sidor av kiselplattan. På så sätt är det möjligt att
skapa dubbelsidiga mikrostrukturer. I de strukturer som använts i detta projekt har dock
dubbelsidig etsning endast använts för att skapa genomgående hål i kiselplattorna. Hålen används
som inlopp och utlopp.
När de önskade strukturerna har etsats fram fästes en glasplatta över kislet som förseglar
strukturerna uppifrån. Detta sker genom anodisk bondning då kislet och en glasplatta läggs på
varandra, varvid de värms upp och en hög spänning läggs över dem. Det exakta händelseförloppet
vid sådan bondning diskuteras fortfarande, men den vedertagna hypotesen är att vissa joner i
glaset blir så mobila vid den höga temperaturen att de drivs över till kislet av den höga
spänningen. När temperaturen därefter sjunker och spänningen avtar kommer de joner som
förflyttats mellan glaset och kislet att stanna kvar på sina nya positioner. Kvar i glaset finns då
fixa joner med motsatt laddning vilket ger upphov till en elektrostatisk kraft mellan kislet och
glaset. Resultatet av en sådan bondning är en fog som är mycket stark och stabil samt fullständigt
hermetiskt tillsluten.
På undersidan av kiselstrukturen, där inloppen och utloppen från kanalerna etsats fram, limmas
slangkopplingar fast så att vätskeflöden kan ledas in i strukturerna.
3.2 Typer av strukturer
I detta projekt har arbete skett med i huvudsak två typer av strukturer. De två typerna benämns
hädanefter som dubbel- respektive enkel-Y strukturer, utifrån sina respektive utseenden.
Dubbel Y-strukturen har två inlopp och två utlopp. Det ena inloppet delas i två kanaler som
tillsammans med det andra inloppet går samman till en bredare flödeskanal. Den bredare
flödeskanalen avslutas precis som den började genom att förgrenas till tre kanaler varav en går
direkt till ett utlopp och de två andra går samman till ett andra utlopp. Bredden på den bredare
flödeskanalen är ca 380 µm och djupet på densamma är kring 125 µm.
6

Figur 3.2. Dubbel-Y struktur
Vid etsning placeras masken så att väggarna i den bredare flödeskanalen blir helt lodräta. Den
bredare flödeskanalen kommer fortsättningsvis att benämnas sorteringskanalen då det är där som
ultraljudsfälten appliceras.
Den andra typen av struktur, enkel-Y, påminner om dubbel-Y men den har bara ett inlopp som
direkt ansluter till sorteringskanalen. Två olika storlekar på strukturer har använts där
sorteringskanalen har varit 380 µm respektive 120 µm breda.
Figur 3.3. Enkel-Y struktur
De olika strukturerna har haft olika användningsområden, beroende på ifall det har funnits behov
av att ha olika flödesströmmar in i sorteringskanalen eller inte. Detta behandlas i detalj i senare
kapitel.
7

4. Fysikalisk teori
4.1 Mikrofluidik
Om en vätska flödar utan att det bildas någon turbulens i flödet så heter det att flödet är laminärt.
I så fall rör sig all vätska i flödesriktningen och flödeshastigheten är direkt proportionell mot
tryckskillnaden över flödet.
Motsatsen, att flödet är turbulent, innebär att en del av rörelseenergin i ett flöde åtgår till att skapa
turbulens och virvlar i flödet. I ett turbulent flöde ökar således inte flödeshastigheten
proportionellt mot en tryckökning över flödet.
Huruvida ett flöde är laminärt eller turbulent beror på vätskans och flödeskanalens fysiska
betingelser. Detta kan avgöras av Reynolds tal, där följande samband empiriskt har tagits fram
som kriterier för ett laminärt flöde i tunna cirkulära kanaler.
[4] (4.1)
Där ! är vätskans densitet, v är flödets hastighet, d är flödeskanalens diameter samt " är vätskans
viskositet.
Ur detta kan konstateras att om kanaldiametern är liten så kommer även Reynolds tal att vara litet
och därmed flödet laminärt. Av denna anledning är flödet i kiselstrukturerna som används i detta
arbete i det närmaste helt laminärt.
I ett sådant laminärt flöde blir flödeshastigheten mindre vid kanalens väggar och snabbast i
kanalens mitt. Flödet kan föreställas som tunna cylinderskikt som rör sig mot varandra. Flödet
begränsas då av vätskans viskositet, d.v.s. av friktionen mellan olika cylinderskikt.
Figur 4.1. Parabolisk
flödesfördelning i en tunn
kanal
Detta innebär att partiklar som finns i vätskan och som följer i flödet också kommer att
transporteras med olika hastigheter beroende på var i kanalen de befinner sig.
Eftersom det inte finns någon turbulens i ett laminärt flöde kommer det inte heller att ske någon
omrörning i vätskan när den flyter genom kanalen. Alltså kan flera olika vätskeströmmar flyta
samman till ett flöde, som sedan kan separeras till samma strömmar igen utan att innehållet i de
olika strömmarna har blandats. Det är denna effekt som utnyttjas i den senare beskrivna
sorteringsprocessen.
8

Figur 4.2. Flödena A och B flyter samman.
Eftersom flödet är laminärt sker ingen
omblandning så flödet kan separeras till A
och B igen.
För att detta ska vara möjligt krävs att flödet är laminärt genom hela kanalen. Plötsliga
diskontinuiteter eller skarpa svängar i flödeskanalen kan dock orsaka turbulens som blandar om
de olika strömmarna. För att flödet ska förbli laminärt måste alltså kanalerna ha jämna väggar och
inte göra alltför snäva svängar.
I de tidigare nämnda kiselstrukturerna är flödet på detta sätt laminärt. Om inflödena och utflödena
i en dubbel Y struktur är lika stora, har detta till effekt att precis samma vätska som flödar in
genom ett inlopp kan tas ut genom motsvarande utlopp eftersom ingen omrörning sker.
En annan problemfaktor som kan uppstå i små kanaler är utfällning av gasbubblor. I en liten
flödeskanal utgör flödesvätskans ytspänning en markant kraft, vilket gör att om gasbubblor
uppkommer så har dessa en tendens att fastna och orsaka flödesavvikelser.
Gasbubblor fälls främst ut i områden då det sker en tryckförändring i flödet. Enligt Henrys lag är
den molära lösligheten för en gas i en vätska, Sm, direkt proportionell mot gasens omgivande
partialtryck, P. Parametern kH beror på gasen, vätskan som gasen ska lösas i samt temperaturen.
Generellt kan sägas att kH för en gas minskar då temperaturen ökar.
[3] (4.2)
I detta sammanhang är P den lösta gasens omgivande partialtryck. I en mikrostruktur bör det dock
inte finnas någon gas i kanalerna, varvid det blir något abstrakt att tala om ett partialtryck. Det
tryck som istället håller gasen löst i vätskan är det tryck som skapas av flödet i kanalen.
Av denna anledning är det viktigt att det inte sker för stora tryckförändringar i en flödeskanal.
Om flödeskanalens tvärsnittsarea minskas i ett område så kommer flödeshastigheten i samma
område att öka. Enligt Bernoullis ekvation kommer då vätskans dynamiska tryck att öka samtidigt
som dess statiska tryck kommer att minska.
Dock kommer en vätskevolym, som utgör en del av flödet, att hela tiden röra sig med flödets
egen hastighet och därmed inte märka av det ökade dynamiska trycket. Vad volymen kommer att
märka är enbart det minskade statiska trycket, vilket enligt Henrys lag kan leda till
gasutfällningar.
Av samma anledning kan även diskontinuiteter i kanalen som skapar turbulens orsaka
gasutfällningar, eftersom vätskans flödeshastighet förändras i de turbulenta virvlarna.
9

4.2 Våglära och stående vågor
En akustisk våg utbreder sig som en longitudinell vågrörelse, vilket innebär att vågen fortplantas
genom att de enskilda molekylerna i utbredningsmediet förskjuts fram och tillbaka i vågens
utbredningsriktning. Motsatsen till detta är en transversell våg där utbredningsmediets
beståndsdelar rör sig vinkelrätt mot utbredningsriktningen. En gitarrsträng som svänger är ett
typiskt exempel på en transversell vågrörelse.
Eftersom en våg har en viss utbredningshastighet så kommer amplituden i ett visst ögonblick att
vara olika på olika positioner i utbredningsriktningen. För en longitudinell våg innebär detta att
utbredningsmediets molekyler kommer att vara olika mycket förskjutna på olika positioner i
utbredningsriktningen. Således kommer avståndet mellan molekylerna att vara varierande, både
med tiden och med positionen i utbredningsriktningen.
Trycket i ett medium definieras som den kraft som mediets molekyler verkar med, på en yta i
mediet. Således kommer trycket bland annat att vara proportionellt mot mängden molekyler per
volymenhet vilket i sin tur är direkt proportionellt mot medelavståndet mellan molekylerna.
Alltså kan longitudinella vågens utbredning beskrivas som en tryckförändring som fortplantar sig
framåt i ett medium. Det är också denna beskrivning som oftast återfinns i allmän litteratur.
Figur 4.3. Utbredning av akustisk våg,
avståndet mellan linjerna representerar det
momentana medelavståndet mellan mediets
molekyler. Nederst transversell representation
av den akustiska vågen.[1]
Om två vågrörelser, med samma frekvens, rör sig mot varandra uppkommer en så kallad stående
våg. När två sådana vågor möts kommer de att adderas till varandra på ett sådant sätt att de alltid
kommer att släcka ut varandra i vissa speciella punkter samt alltid förstärka varandra i andra
speciella punkter. De punkter där utsläckning sker kallas för den stående vågens noder och de
punkter där maximal förstärkning sker kallas vågens bukar.
Figur 4.4. Molekylernas rörelsemönster i en stående våg.
Pilarna visar molekylernas avvikelseriktning från
jämviktspositionerna. [1]
10

För att frambringa en stående våg behövs alltså två vågalstrare som genererar de båda vågorna
som skall interferera. Detta kan ske i form av två högtalare eller motsvarande, men det kan också
ske genom att en framåtskridande våg reflekteras tillbaka samma väg som den kom ifrån. På så
sätt kan stående våg skapas genom att en våg interfererar med sin egen reflektion.
Om reflektionen sker mot ett så kallat hårdare medium, exempelvis en hård vägg, måste
reflektionen ske på ett sådant sätt att väggen är i en amplitudnod där totala amplitudutslaget hela
tiden är noll. Detta kan bevisas genom att betrakta motsatsen. Om väggen inte skulle befinna sig i
en amplitudnod så måste den befinna sig i en position där molekylerna faktiskt rör sig. Detta
skulle innebära att även den fasta väggens molekyler skulle förflytta sig fram och tillbaka, vilket
är orimligt.
Tack vare sådana reflektioner kan en stående våg med hög amplitud uppkomma mellan två fasta
väggar, endast genom att ha en enda vågalstrare med begränsad amplitud. Förutsatt att frekvensen
är justerad så att väggarna befinner sig i den stående vågens amplitudnoder, så kan en våg
genereras som kommer att reflekteras fram och tillbaka mellan väggarna. Efter varje reflektion
kommer därmed addition att ske som bygger upp den totala amplituden i amplitudbukarna. Det är
denna effekt som utnyttjas i de nämnda mikrostukturerna.
För att väggarna skall befinna sig i ampliudnoderna måste således frekvensen justeras så att
avståndet mellan väggarna utgör en multipel av en halv våglängd.
(4.3)
Där # är våglängden, d är kanalens bredd och n är ett heltal större än noll. Om n = 1 benämns den
stående vågen som en första ordningens stående våg. Om n=2 benämns vågen som en andra
ordningens stående våg.!
4.3 Piezoelektriska kristaller
Figur 4.5. Första och andra ordningens stående akustiska
vågor mellan två väggar. Y-axeln visar maximala akustiska
trycket för en viss position mellan väggarna.
Det vanligaste sättet att skapa ultraljud är med hjälp av piezoelektriska kristaller. Det
piezoelektriska materialet består av små kristallelement som i sig utgör små dipoler. Dessa
dipoler är orienterade i det piezoelektriska materialet så att de positiva och negativa polerna pekar
i ungefär samma riktning.
Om en spänning läggs över ett sådant piezoelektriskt material kommer de små dipolerna i
materialet att förskjutas gentemot varandra. Beroende på spänningens polaritet kommer de att
attrahera eller repellera varandra. Effekten av detta är att hela det piezoelektriska materialet
ändrar sina dimensioner när en spänning läggs över det. Det är denna dimensionsändring som
genererar de akustiska tryckvågorna från kristallen, om den pålagda spänningen är oscillerande.
11

Figur 4.6. Piezoelektrisk kristall. En oscillerande signal som
appliceras över kristallen får den att vibrera.[11]
Eftersom materialet har en viss tröghet i sin rörelse så kommer kistallen att svänga bäst när
tröghetens rörelse är i fas med matningsfrekvensen. Denna benämns kristallens resonansfrekvens
och är beroende av en materialkonstant, k, samt kristallens tjocklek, d.
[11] (4.4)
Vid tillverkning av piezoelektriska kristaller utgår man från en kristall med helt oorganiserade
kristallelement. Denna värms upp till en temperatur då kristallelementen inte längre är låsta i sina
positioner utan kan röra sig lite. Denna temperatur benämns Curie-temperaturen. I detta skede
läggs en kraftig spänning över kristallen varvid alla de polära kristallelementen kommer att vrida
sig i samma riktning. Kristallen svalnar därefter med spänningen fortfarande påslagen varvid
kristallelementen behåller sin nya riktning.
Om en piezoelektrisk kristall skulle värmas över denna Curie-temperatur så kan kristallelementen
åter börja röra sig, varvid den piezoelektriska effekten går förlorad. Av denna anledning måste
den elektriska effekt som inmatas i en kristall begränsas så att kristallen inte blir alltför varm.
4.4 Partiklar i stående ultraljudsvågor
En partikel som befinner sig i en framåtskridande eller stående akustisk våg påverkas av flera
olika krafter. Vissa av dessa krafter spelar ut varandra över tiden och orsakar ingen nettokraft.
Dock finns det andra krafter i en vågrörelse som kan orsaka faktiska nettokrafter. Teorin bakom
dessa krafter kommer inte att behandlas i detalj i detta avsnitt, eftersom den är allt för omfattande.
Dock ges en intuitiv förklaring av krafternas härkomst nedan, för att ge en känsla för riktigheten i
krafternas existens.
De största krafterna, som man främst förknippar med vågrörelser, är de som uppkommer av
tryckförändringarna i vågrörelsen. När en akustisk våg skrider fram genom ett medium sker det
genom att molekylerna i mediet förskjuts framåt och bakåt kring en jämviktsposition. För att detta
ska ske måste således en kraft verka på mediets molekyler. På samma sätt kommer även en
partikel som befinner sig i vågens utbredning att påverkas av dessa krafter.
Dock kommer dessa krafter endast att röra partikeln fram och tillbaka, någon nettoförflyttning
kommer inte att ske och nettokraften över tiden är således noll. Detta inses lätt eftersom
motsatsen, att nettokraften över tiden på partikeln har en speciell riktning, skulle innebära att även
mediet som vågen transporteras i skulle påverkas av en nettokraft i en viss riktning. Om så hade
varit fallet skulle mediet förflyttas när den akustiska vågen framåtskrider, vilket i praktisk
12

handling bland annat skulle innebära att det skulle bli ett vinddrag när ljud transporteras i luft. Så
är dock inte fallet.
Dock finns det andrahandsfenomen som påverkar en partikel i en akustisk våg som kan skapa
nettokrafter som kan förflytta partikeln. Dessa beror till stor del av hur partikeln i fråga reflekterar
eller absorberar en infallande akustisk våg.
Betrakta en partikel som på ett bra sätt absorberar en infallande akustisk våg. Från en sådan
partikel sker ingen reflektion, utan den infallande vågen kommer helt enkelt att försvinna då den
träffar en sådan partikel.
Figur 4.7. Partikel som absorberar
en infallande akustisk våg
Utifrån detta betraktas vad som krävs för att en partikel ska absorbera en akustisk våg. Det
främsta kravet måste vara att den akustiska vågen kan fortplanta sig rakt in i partikeln. Således
måste partikelns yta mot den infallande vågen röra sig fram och tillbaka på precis samma sätt som
molekylerna i det intilliggande mediet rör sig. Om så inte är fallet, så blir det omedelbart
tryckskillnad mellan partikelväggen och mediet vilket skulle yttra sig som vågreflektion.
Nedan betraktas det ögonblick då den positiva delen av en framåtskridande akustisk puls är på
väg in i ett absorberande objekt.
Figur 4.8. Positiv våghalva på väg in i ett
absorberande objekt
I detta skede är alltså mediets molekyler på väg åt höger, rakt in i objektet. Objektet svarar därvid
genom att deformera ytan mot vågen på ett sådant sätt att ytan följer med mediets rörelse. Detta
kan betraktas som att den rörelsemängd som finns i mediets molekyler fortplantas rakt in i
objektet, utan att fortsätta ut ur objektet. Enligt lagen om rörelsemängdens bevarande måste
därvid denna rörelsemängd tillföras objektet.
Därefter betraktas det senare skedet, då den negativa delen av den framåtskridande akustiska
pulsen, är på väg in i objektet.
13

Figur 4.9. Negativ våghalva på väg in i ett
absorberande objekt
Vad detta innebär för objektet är att objektets yta måste deformeras på ett sådant sätt att den följer
mediets molekyler, som i detta skede är på väg åt vänster. Således kommer alltså objektet att
förflytta sin egen materia åt vänster, vilket innebär att en reaktionskraft kommer att skapas på
objektet åt höger. Eller för att åter betrakta fenomenet ur rörelsemängdssynpunkt, objektet gör sig
av med negativ rörelsemängd.
Således kommer ett akustiskt absorberande objekt att ha en nettokraft som verkar på detta objekt i
vågens utbredningsriktning. Det kan också visas att likadana krafter skapas på reflekterande
objekt. Faktum är att krafterna på reflekterande objekt är större, vilket förklaras av att dessa inte
bara ska absorbera den infallande vågens rörelsemängd. De ska också tillhandahålla tillräckligt
mycket negativ rörelsemängd för att kunna skicka tillbaka en våg i motsatt riktning.
I beskrivningen ovan förklaras fenomenet utifrån vad som händer i en framåtskridande våg. I en
stående våg infaller vågor från olika håll, vilket summerar sig till en större kraft än vad som
skapas i en framåtskridande våg. Den totala kraften som verkar på en liten rund partikel i en
stående våg har beräknats av Yoshioka och Kawashima och beskrivs av nedanstående formel.
14
[10] (4.5)
Ultraljudets tryckamplitud är P0, mediets och partikelns respektive kompressibilitet och densitet
benämns $w och $c samt !w och !c. Partikelns volym är Vc och ultraljudets våglängd är !.
Partikelns position i kanalen är z.!
Figur 4.10. Kraften, enligt formel 4.5, som påverkar en typisk
partikel, med exempelvis större densitet och mindre
kompressibilitet än det omgivande mediet, som befinner sig i
en första respektive andra ordningens stående våg. X-axeln
representerar partikelns position och Y-axeln visar kraften
som verkar på partikeln i denna position.

4.5 Stående vågor i flödeskanaler
Den teori som nu beskrivits, ihop med de tidigare nämnda mikrostrukturerna, kan tillsammans
utgöra ett kraftfullt verktyg för att manipulera partiklar som är suspenderade i en vätska. Om ett
flöde med en vätska innehållande små partiklar, inskickas i en flödeskanal med en akustisk
stående våg mellan sidoväggarna, så kommer partiklarna i vätskan att påverkas av den stående
vågen.
Förutsatt att partiklarna som skall koncentreras har lämpliga fysiska parametrar enligt formel 4.5,
exempelvis större densitet och mindre kompressibilitet än den omgivande vätskan, så kommer
alla partiklar i vätskan att samlas i den stående vågens trycknoder. Den stående vågen skapas
genom att ett externt ultraljudsfält, där kanalbredden utgör en multipel av halva våglängden,
appliceras över kanalen.
Om det applicerade ultraljudet har en våglängd som skapar en första ordningens stående våg i
kanalen så kommer således partiklarna att samlas i centrum av kanalen. Likaså om det
applicerade ultraljudet har en våglängd som skapar en andra ordningens stående våg, så kommer
partiklarna att samlas i två band vid sidorna av kanalen. Se nedanstående figur.
Eftersom flödet i kanalen är laminärt så kommer partiklarna att vara kvar i samma band även när
de flödar ut ur området där den stående vågen finns. Således kan flödeskanalen delas i olika
grenar där de olika partikelströmmarna hamnar i olika utlopp.
Figur 4.11. Enkel-Y struktur med ett
partikelinflöde som påverkas och dirigeras
av första respektive andra ordningens
stående vågor. Proportionerna i figuren är
överdrivna jämfört med verkligheten.
15

5. Partikelsortering
5.1 Introduktion
Efter en del arbete med olika sorters partiklar i stående ultraljudsfält framkom det att partiklar
med olika fysiska egenskaper kommer att påverkas olika i samma ultraljudsfält. Genom att snabbt
växla mellan första och andra ordningens stående våg i en flödeskanal kan detta användas för att
få olika sorters partiklar att placera sig på olika laterala positioner i en flödeskanal. Genom att
skicka in ett flöde innehållande två sorters partiklar är det därför möjligt att sortera de olika
partikelslagen och dirigera dem till olika flödesutlopp.
5.2 Kraftpåverkan på olika partikeltyper
För att bevisa att partikelsortering är möjlig måste det först bevisas att partiklar med olika fysiska
egenskaper, som utgår från samma position i samma stående ultraljudsfält, kommer att förflyttas
med olika hastighet.
Givet att partiklarna, innan de kommit in i ultraljudsfältet, inte rör sig i sidled, så är partiklarnas
hastighet i sidled direkt beroende av den acceleration som de utsatts för. Därmed räcker det att
bevisa att den acceleration som en partikel är utsatt för i en stående våg är beroende av partikelns
fysiska egenskaper.
Partikelns acceleration, a, vilken är detsamma som andraderivatan av partikelns laterala position
d, beskrivs av följande ekvation. F är kraften som påverkar partikeln och mc är partikelns massa.
Vidare är Vc partikelns volym och "c är partikelns densitet. !
(5.1)
Enligt den akustiska kraftteori som tidigare presenterats så beskrivs ultraljudets kraftpåverkan på
en partikel av följande ekvation. Ultraljudets tryckamplitud är p0, mediets och partikelns
respektive kompressibiliteter benämns $w and $c. Mediets densitet benämns !w och partikelns
position i kanalen är y.
16
[10] (5.2)
Genom att kombinera formel 5.1 och formel 5.2 så framkommer det att accelerationen är
beroende av både partikelns och mediets respektive densitet och kompressibilitet. Endast i
specialfall kan det därmed vara möjligt att finna två partikeltyper med olika densitet och
kompressibilitet som kommer att accelereras lika i samma ultraljudsfält.
För att få ett uttryck för den totala kraften som påverkar en partikel i ett ultraljudsfält måste dock
även de krafter som bromsar partikelns rörelse tas i beaktande.
Det finns huvudsakligen två bromsande krafter på partiklarna. Den ena är det viskösa motståndet
för att förflytta partikeln genom vätskemediet, Fs. Den andra är motkraften till partikelns laterala
förflyttning, på grund av den varierande flödeshastigheten i kanalen, Fd. Vilken av dessa som är

mest dominant är ännu inte helt utrett, men troligtvis är bromskraften på grund av det viskösa
motståndet av störst magnitud.
Den första bromskraften, Fs, blir således inte beroende på flödeshastigheten i kanalen, utan
kommer istället att vara beroende av partikelns laterala hastighet samt partikelns tvärsnittsarea,
Ac, som är vinkelrät mot dess laterala rörelse. Eftersom partikeln är sfärisk blir tvärsnittsarean
cirkulär med samma radie, rc, som partikeln. Även en del andra parametrar finns, som beror på
vätskemediets viskositet, partikelns form samt en del annat. Dock är dessa parametrar inte
nödvändiga för detta resonemang och sammanfattas därför med konstanten K1.
17
(5.3)
Den andra bromskraften, Fd uppkommer också när partikeln rör sig lateralt i flödeskanalen.
Skillnaden gentemot den föregående bromskraften är att denna beror på flödet i kanalen.
Eftersom flödeshastigheten är olika på olika laterala positioner i flödeskanalen så är
flödesgradienten i hela kanalen skild från noll. Detta innebär att så snart en kraft försöker flytta en
partikel lateralt så förflyttas den in i ett område med annorlunda flödeshastighet. För partikeln
innebär detta att den kommer att accelereras av den nya flödeshastigheten. Dock befinner sig ju
partikeln i accelerationsögonblicket i en flödesgradient och kommer därmed att uppleva olika
accelerationskraft på olika punkter på partikeln. Således kommer det att bildas en kraft som är
motriktad till den kraft som försöker förflytta partikeln.
Denna kraft, Fd, kommer att vara beroende av partikelns tvärsnittsarea i det laterala planet, Ac,
storleken på flödesgradienten i det laterala planet, d!/dy, samt det laterala avståndet i kanalen
mellan partikeln och det vätskeflöde som har samma hastighet som partikeln, y-y0. Eftersom
partikeln är sfärisk blir åter tvärsnittsarean cirkulär med samma radie som partikeln, rc. Dessutom
finns det troligtvis andra parametrar som också inverkar, dessa sammanfattas därför med
konstanten K2.
Den totala kraftpåverkan på en partikel blir därför summan av de krafter som påverkar partikeln.
Den totala accelerationen som påverkar partikeln blir därför enligt följande ekvation.
Att lösa denna ekvation blir en tämligen komplicerad differentialekvation. Dock är det möjligt att
undersöka huruvida accelerationen är beroende av partikelns radie utan att för den skull behöva
angripa differentialekvationen. Eftersom det är relationerna gentemot radien som ska undersökas
så skrivs alla volymer och areor endast utifrån sitt radieberoende och alla övriga konstanter och
parametrar sammanfattas i K3 och K4.
(5.6)
(5.5)
(5.4)

Eftersom radien i ekvationen ovan inte går att förkorta bort så kan alltså konstateras att
accelerationen som påverkar en partikel i en stående ultraljudsvåg även är beroende av partikelns
radie.
Sammanfattningsvis kan därmed konstateras att två partiklar, som utgår från samma position med
samma hastighet i samma stående ultraljudsfält, kommer att röra sig olika sträcka under en given
tidsperiod om det är så att partiklarnas storlek, densitet eller kompressibilitet skiljer sig åt. Endast
i specialfall är det möjligt att skillnaderna i fysiska parametrar mellan olika sorters partiklar är
sådana att parametrarna tar ut varandra så partiklarnas rörelse blir lika.
5.3 Sorteringsprocessen
För att möjliggöra sortering av olika sorters partiklar används två ultraljudsfrekvenser, som
skapar första respektive andra ordningens stående våg i en flödeskanal. Ett flöde med en
partikelblandning injiceras längs med de båda ytterväggarna i flödeskanalen samtidigt som ett
flöde utan partiklar injiceras i centrum av kanalen.
Figur 5.1. Dubbel-Y struktur där en blandning med olika sorters
partiklar injiceras längs kanalväggarna från vänster. Svarta
prickar betecknar stora partiklar och vita prickar betecknar små
partiklar. Proportionerna i figuren är överdrivna jämfört med
verkligheten. Rent vatten injiceras i mitten från vänster. Enligt
beskrivning nedan sorteras de olika partikelslagen och dirigeras till
olika utlopp när de flödar in i det växlande ultraljudsfältet.
Innan ultraljudet är påslaget kommer därmed de tre strömmarna att flyta laminärt genom kanalen
utan att omblandas. Först aktiveras andra ordningens stående våg. Samtliga partiklar kommer då
att förskjutas mot de båda trycknoderna vid sidorna.
Därefter aktiveras första ordningens stående våg istället. Samtliga partiklar kommer då att börja
röra sig mot trycknoden i kanalens centrum, dock kommer de olika partikeltyperna att röra sig
med olika hastighet mot kanalens centrum. Typiskt är att stora tunga partiklar rör sig snabbast.
Precis när den ena partikeltypen börjar närma sig kanalens centrum växlas ultraljudet åter till
andra ordningens stående våg. Därmed kommer åter partiklarna att börja röra sig mot de båda
trycknoderna vid sidorna. Dock befinner sig, i detta skede, de olika partikeltyperna på olika
positioner i kanalen. De partiklar som befinner sig nära centrum av kanalen kommer att påverkas
mindre av ultraljudet eftersom de är närmre tryckbuken för andra ordningens stående våg där det
inte är någon kraftpåverkan på partiklarna.
18

Typiskt är att stora partiklar är de som befinner sig i centrum av kanalen och små lätta partiklar är
de som finns längre ut vid sidorna. När de små lätta partiklarna därför åter nått till de båda
trycknoderna vid sidorna växlas åter till första ordningens stående våg och hela scenariot
upprepas. Denna gång utgår dock de större partiklarna från en position närmare centrum än vad
de gjorde förra gången.
Efter ett antal sådana sekvenser når processen en jämvikt där den ena partikeltypen samlas i
centrum av kanalen samtidigt som den andra partikeltypen samlas i två band vid varje sida av
kanalen. Partikelbanden leds därefter ut genom olika utlopp vilket fullbordar sorteringsprocessen.
Figur 5.2 a. Initialt injiceras partiklarna längs kanalens sidoväggar. T
betecknar tidpunkten i förloppet. Stora respektive små cirklar betecknar
de olika partikeltyperna. Typiskt är att stora tunga partiklar beter sig i
enlighet med de stora cirklarna.
Figur 5.2 b. När första ordningens stående våg är påslagen tvingas
partiklarna in mot kanalens centrum. De stora partiklarna rör sig dock
snabbare mot centrum. Första ordningens stående våg stängs av innan
de mindre partiklarna har nått centrum.
Figur 5.2 c. Andra ordningens stående våg slås på. I detta skede
påverkas de större partiklarna mindre eftersom de befinner sig närmare
kraftminimumet för andra ordningens stående våg. De mindre
partiklarna däremot, rör sig mot trycknoderna. Andra ordningens
stående våg stängs av innan de större partiklarna når trycknoderna.
Figur 5.2 d. Proceduren upprepas. Denna gång utgår de större
partiklarna från en position som är närmare centrum. När detta
repeteras uppnås till slut jämvikt. De större och de mindre partiklarna
sorteras till olika band nära trycknoderna för första och andra
ordningens stående vågor.
19

6. Bakterier och celler
6.1 Inledning
I en stor del av experimenten i projektet studerades hur bakterier och fördelningar av bakterier
kunde påverkas med hjälp av ultraljud i mikrokanaler.
För en biolog är informationen i detta kapitel snarast att betrakta som trivial, men de flesta
tekniker är tämligen obevandrade inom detta område. För att få god förståelse för arbetsgången
följer därför i detta kapitel en översiktlig genomgång av hur det praktiska handhavandet med
bakterier går till.
6.2 Typer av bakterier
Huvudsakligen tre olika typer av bakterier har använts i detta projekt. De olika bakterierna har
olika fysiska egenskaper vilket gör att de förväntas bete sig olika då de påverkas av stående
ultraljudsvågor.
Vissa fysiska egenskaper, t.ex. densitet och kompressibilitet, som är av betydelse för påverkan i
ultraljud, har inte hittats dokumenterat för bakterier. I den mån det har varit möjligt har då gjorts
antaganden om dessa parametrar utifrån andra kända betingelser.
Escherichia Coli (E. Coli) Denna bakterietyp var den mest använda i projektet eftersom de
fanns att tillgå i en variant (GM3819) som är resistent mot
antibiotikan Kanamycin. Genom att därför tillsätta Kanamycin
till bakterielösningen förhindras effektivt att andra bakterier än
de önskade tillväxer. E.Coli är ca 1 µm stor med avlång form.
Dess yttre cellvägg är inte speciellt hård, vilket gör att den kan
antas ha relativt hög kompressibilitet.
Bacillus Megaterium En stavformad bakterie som är ca 4 µm lång. Dess yttre cellvägg
är hård, vilket gör att den kan antas ha relativt låg
kompressibilitet.
Staphylococcus Xylosus En rund bakterie som är ca 1 µm i diameter. Även denna har
hård yttre cellvägg, vilket gör att den kan antas ha relativt låg
kompressibilitet.
6.3 Odling av bakterier
Vid odling av bakterier utgår man från en mängd bakterier som befinner sig i fruset tillstånd lösta
i glycerol. I fruset tillstånd befinner sig bakterierna i dvala varvid ingen tillväxt eller förökning
sker. Den beskrivning som ges nedan hänvisar till odling av de Kanamycinresistenta E.Coli
bakterierna. Odling av andra bakterier sker på precis samma sätt, bortsett från att Kanamycin
naturligtvis inte tillsätts om inte bakterierna är resistenta mot detta.
20

Med en platinös skrapas en liten mängd av de frysta bakterierna upp. Dessa löses i en
näringsbuljong, i detta fall ca 10 ml LB (Luria Broth) samt ca 1 mg Kanamycin. Kanamycinet
finns med i näringsbuljongen för att förhindra tillväxt av oönskade bakterier.
Efter en tid, i detta fall efter ca 12 h i 37 o C, har de tidigare frysta bakterierna vaknat till liv och
delat sig åtskilliga gånger, varvid bakteriekoncentrationen i detta skede är väldigt hög.
Om bakteriekoncentrationen blir för hög avstannar celldelningen. Av denna anledning görs i detta
skede en omympning där en volym av de uppodlade bakterierna löses i ny näringslösning för att
åter få tillväxa. Ca 1 ml av bakterielösningen omympades till ca 100 ml ny näringsbuljong som
därefter fick tillväxa under ytterligare 4 h i 37 o C.
Därefter tvättas näringslösningen bort för att förhindra ytterligare celldelning. Detta sker genom
att bakterielösningen först centrifugeras så att bakterier och övrig lösning separeras. Därefter hälls
den övriga lösningen bort och en buffrad saltlösning (PBS) tillsätts istället. Detta görs två gånger
varvid lösningen efter denna procedur består i det närmaste endast av bakterier och PBS.
Anledningen till att bakterierna löses i PBS istället för vanligt vatten är att PBS kontrollerar pHvärdet
till en för bakterierna lämplig nivå.
Därefter tillsätts åter Kanamycin för att förhindra andra sorters bakterier att tillväxa. Slutligen
tillsätts Etylendiamintetraacetatsyra (EDTA) som har till uppgift att förhindra att bakterierna
klumpar ihop sig till stora kluster.
6.4 Bestämning av bakteriekoncentration
Två olika metoder har använts för att bestämma bakteriekoncentrationen. Dels har bestämning
skett genom att enskilda celler har uppodlats till större kolonier som räknats för hand, dels har
bestämning skett genom att enskilda celler räknats i en Bürkerkammare.
Vid uppodling har först den blandning som skall koncentrationsbestämmas spätts till förväntad
koncentration någonstans mellan 100-1000 bakterier per ml. Eftersom koncentrationen är relativt
okänd så är det lämpligt att även ta fram spädningar med en faktor 10 högre och lägre
bakteriekoncentration än den förväntade, för att vara säker på att någon av de spädningar som
gjorts faller inom det önskade koncentrationsintervallet.
Av de utspädda lösningarna upptas en liten volym, i detta fall 100 µl, som raklas ut på en platta
med näringslösning. Efter ca 12 i 37 o C har varje enskild cell vuxit till en koloni av celler (CFU)
som tydligt syns på plattan. Antalet CFU räknas och eftersom alla ursprungsvolymer är kända kan
ursprungskoncentrationen bestämmas.
21

Figur 6.1. Bild på platta med
cellkolonier
Den andra metoden för koncentrationsbestämning använder en Bürkerkammare. Detta är i princip
ett objektglas för mikroskop med väldefinierade volymer under täckglaset. I objektglaset finns ett
rutnät inetsat som tydligt visar hur stora olika volymer är.
Således används Bürkerkammaren genom att en droppe av den lösning som skall
koncentrationsbestämmas läggs på Bürkerkammaren med ett täckglas ovanpå, därefter räknas för
hand i mikroskåpet hur många partiklar som finns inom en specifik volym i kammaren.
22

7. Laborativt genomförande
7.1 Inledning
När examensarbetet påbörjades var syftet att studera i vilken mån det är möjligt att koncentrera
respektive ta bort bakterier och celler ur en lösning. För att göra detta behövs endast en struktur
av enkel-Y typ över vilken ett konstant ultraljudsfält appliceras för att få alla partiklar att
dirigeras till centerutloppet.
Efter att ha arbetat en tid med detta första mål formades dock teorierna om hur sortering av olika
partiklar kan ske med hjälp av frekvensväxlande ultraljud. Då dessa teorier visade sig fungera väl
även i praktiken kom detta snart att utgöra en stor del av examensarbetets totala omfattning.
Av denna anledning har arbetet under större delen av tiden skett med två samtidiga inriktningar,
dels att koncentrera celler och bakterier, dels att sortera partiklar. Först under arbetets slutskede
har en viss samkörning mellan de båda inriktningarna påbörjats, då vissa försök att utföra
sorteringar av olika typer av celler och bakterier gjorts.
För dessa båda inriktningar har två huvudsakliga laborationsuppställningar använts och detta
kapitel inleds därför med att förklara dessa. Därefter förklaras de problemställningar som
uppkommit under arbetet och de lösningar som har utarbetats. I nästkommande kapitel redogörs
för de resultat som arbetet lett fram till.
I mesta möjliga mån har kvantitativa resultat eftersträvats, vilket också uppnåtts i de flesta fall. I
vissa fall har dock arbetets natur och totala omfattning inte gjort det möjligt att ta fram entydiga
svar på varje enskild frågeställning. För dessa fall får arbetet snarast betraktas som att utgöra en
god utgångspunkt för vidare forskning.
7.2 Laborationsuppställning för partikelkoncentration
Partikelkoncentration och partikelborttagning var den ursprungliga inriktningen för arbetet.
Innebörden av detta var att en vätska innehållande partiklar av något slag (plastpartiklar, bakterier
celler m.m.) skulle kunna separeras i två vätskor, den ena fri från partiklar och den andra med hög
koncentration av partiklar. Tester skulle göras för att undersöka till vilken grad det är möjligt att
koncentrera bakterier och celler.
För att åstadkomma detta behövs en enkel-Y struktur över vilken det appliceras en konstant första
ordningens stående våg enligt beskrivning i kapitel 4.5. Förutsatt att de partiklar som skall
koncentreras har lämpliga fysiska parametrar enligt formel 4.5, exempelvis större densitet och
mindre kompressibilitet än den omgivande vätskan, så kommer alla partiklar att koncentreras i
centrum av flödeskanalen och dirigeras till centerutloppet.
I praktiken åstadkoms detta genom att en piezoelektrisk kristall, som hålls fast med en
metallklämma, monteras på undersidan av en struktur. För att få god ultraljudstransmisson
placeras en klick vattenbaserad gel, av samma typ som används vid medicinska
ultraljudsundersökningar, mellan piezokristallen och kiselplattan. Även fettbaserad gel fungerar
bra, för att undvika att gelen torkar bort under pågående koncentrationsprocess.
23

Viktigt är att kristallen placeras så nära kislet som möjligt. Lödpunkterna för fastsättningen av
drivspänningskablarna i piezokristallerna måste alltså placeras utanför kiselytan.
Figur 7.1. Struktur för koncentration av
partiklar. Här är dock piezokristallen
monterad på ovansidan av strukturen.
Utloppen från strukturen kopplas till två tunna plastslangar som i sin tur leds vidare till två
sugpumpar (WPI sp260p). Till inloppet kopplas en kort slang rakt ner i en bägare med en
partikelblandning. Partiklarna sugs således in i sorteringskanalen.
För att generera signalen till den piezoelektriska kristallen används en signalgenerator (Hewlett
Packard 5110) som kopplas till en bredbandig effektförstärkare (Amplifier Research 75A250).
Utgången från förstärkaren vidarekopplas direkt till piezokristallen. Endast en signalgenerator
klarar inte att ge den effekt som krävs för att få tillräckligt stark stående våg. Dock måste viss
varsamhet iakttas, då förstärkaren utan problem kan leverera tillräcklig effekt för att koka
innehållet i mikrostrukturen. För att övervaka signalstyrkan kopplas förstärkarens utgång också
till ett oscilloskop.
För att studera hela förloppet placeras hela uppställningen under ett mikroskåp (Nikon SMZ-2T)
där flödeskanalens utlopp kan studeras. Med de partiklar som använts hittills syns det tydligt när
processen fungerar väl.
De parametrar som därmed kan justeras är amplituden och frekvensen på det applicerade
ultraljudet samt flödena genom samtliga in- och utlopp. På så sätt kan processen justeras för
optimal prestanda.
Figur 7.2. Schematisk bild av hela laborationsuppställningen
för partikel- och bakteriekoncentration.
24

7.3 Laborationsuppställning för partikelsortering
Den andra inriktningen för projektet var att undersöka till vilken grad det är möjligt att sortera ut
stora från små partiklar som är blandade tillsammans i en vätska. Partiklarna utgjordes i detta fall
främst av plastpartiklar (beads), men tester gjordes även med bakterier och blodkomponenter.
För att åstadkomma sortering behövs en dubbel-Y struktur över vilken det kan appliceras en
omväxlande första respektive andra ordningens stående våg i enlighet med beskrivningen i kapitel
5. De olika partikeltyperna kan då positioneras i olika flödesströmmar som kan dirigeras till olika
utlopp.
Figur 7.3. Dubbel Y struktur där en blandning med olika sorters partiklar injiceras i
sidoinloppen. Rent vatten injiceras i mitten. Partikelslagen sorteras i det växlande
ultraljudsfältet och dirigeras till olika utlopp.
I praktiken åstadkoms detta genom att två piezoelektriska kristaller monteras på ovansidan
respektive undersidan av en dubbel-Y struktur. Precis som i föregående uppställning placeras en
klick fettbaserad gel mellan piezokristallerna och strukturen för att öka ultraljudstransmissionen.
Då det krävs en viss precision för att hålla båda kristallerna på plats och samtidigt koppla
anslutningskablage konstruerades en plasthållare där båda kristallerna kläms fast av kraften från
fyra skruvar. Den elektriska inkopplingen åstadkoms genom att en tunn metallfolie läggs på
under- och översidan av piezokristallerna varvid ultraljudet transmitteras genom folien. Detta
fungerar utmärkt och gör laborationsuppställningen mycket stabil.
Figur 7.4. Dubbel-Y struktur med
plasthållare för att hålla
piezokristallerna på plats.
Utloppen från strukturen kopplas via två tunna slangar till två sugpumpar (WPI sp260p) med
individuellt justerbart flöde. Mitteninloppet kopplas via en tunn slang till en sprutpump (WPI
sp260p) innehållande partikelfri vätska. Sidoinloppet kopplas till en kort slang rakt ner i en
bägare med den partikelblandning som skall sorteras. Partiklarna sugs således in.
25

För att snabbt kunna växla mellan ultraljudsfrekvenserna konstruerades en krets med två
insignaler, en utsignal och en styrsignal. Insignalerna kopplas till två signalgeneratorer (Hewlett
Packard 5110) som ger frekvenserna för första respektive andra ordningens stående våg. Med
hjälp av en fyrkantspulsgenerator (Hewlett Packard 5110) kan omväxlande signalen från den ena
respektive den andra signalgeneratorn dirigeras till kretsens utsignal.
Figur 7.5. Kopplingsschema för styrkretsen
Utsignalen från kretsen kopplas i sin tur till en bredbandig förstärkare (Amplifier Research
75A250) som därefter kopplas till de båda piezokristallerna. Båda kristallerna parallellkopplas,
vilket i och för sig innebär lägre total impedans och mer värmeutveckling, men som å andra sidan
innebär väsentligt förenklad inkoppling. Denna kopplingskrets fungerade alldeles utmärkt.
Genom att koppla på detta sätt medgavs en hel del justerbara parametrar. Dels justeras
amplituden vid de olika frekvenserna individuellt genom att ändra utamplituden från respektive
signalgenerator. Dels justeras växlingsfrekvensen genom att ändra fyrkantpulsgeneratorns
frekvens. Slutligen justeras även förhållandet mellan tiden som den ena respektive den andra
pulsen verkar genom att ändra duty-cyclen för fyrkantspulsgeneratorn.
Precis som i föregående laborationsuppställning kan givetvis även samtliga in- och utflöden
justeras individuellt så att rätt flödesströmmar hamnar i rätt utlopp och så att sorteringen blir
optimal.
Även detta förlopp studerades genom att hela uppställningen placerades under ett mikroskåp
(Nikon SMZ-2T) i vilket sorteringskanalens förgrening var synlig. Med de partiklar som använts
syns det tydligt när sorteringsprocessen fungerar väl.
Figur 7.6. Schematisk bild av hela laborationsuppställningen för partikelsortering.
26

7.4 Kylning av piezokristallerna
Under slutet av projektet framgick det att temperaturen var kritisk för att sorteringsprocessen
skulle vara stabil. Eftersom kristallerna var parallellkopplade, samt eftersom ultraljudet skulle
transmitteras genom en tjock glasplatta på ena sidan av strukturen, var det nödvändigt att använda
relativt hög effekt. Således steg temperaturen också snabbt i strukturen.
Av denna anledning konstruerades två kylelement som med hjälp av cirkulerande kallvatten
kunde kyla kristallerna. Kylelementen gjordes av mässing och placerades på baksidan av
piezokristallerna. Detta fungerar väl, men tyvärr leder detta till att en del ultraljudseffekt
försvinner in i kylelementen.
Figur 7.7. Bild på
kylelementen
Utan kylelementen reflekteras ultraljudet från baksidan av kristallen mot den omgivande luften in
i strukturen igen. När kylelementen tillkommer anpassas den akutiska impedansen så att det
ultraljud som tidigare reflekterats istället fortsätter ut i kylelementet.
Trots detta fungerar kylelementen utmärkt och sorteringsprocessen är väldigt stabil då de är
inkopplade. Dock måste högre effekt användas än tidigare, vilket leder till en del distorsion i
signalen. Detta kan lösas i framtiden antingen genom att placera kylelementen på annat sätt, eller
genom att ha något material som leder värme väl och som leder ultraljud dåligt, mellan
kylelementen och piezokristallerna.
Kylelementen har ännu inte testats i koncentrationskörningar med bakterier och celler, men det är
sannolikt att även denna process kommer att bli bättre med kylning. Utan kylning begränsas den
användbara ultraljudseffekten av att bakterierna och cellerna inte tål för höga temperaturer. Med
kylning är det däremot möjligt att öka effekten och få högre koncentrationsgrad, utan att riskera
att temperaturen stiger så att bakterier och celler blir skadade. Se kapitel 7.8 för mer information
om begränsningar för ultraljudseffekten.
7.5 Partiklar och bakterier i ultraljud
I både sorterings- och koncentrationsprocessen har arbete skett med både syntetiska partiklar och
bakterier. Olika partiklar beter sig på olika sätt i mikrokanalerna och de påverkas på olika sätt av
ultraljudet.
Den stora skillnaden, i detta sammanhang, mellan syntetiska partiklar och bakterier är att
bakterierna inte tål kraftig uppvärmning. Dessutom bör bakterierna vara lösta i en buffrad
27

saltlösning (PBS) för att bibehålla rätt pH-värde, till skillnad från syntetiska partiklar som är lösta
i destillerat vatten.
Nedan redovisas en del av de observationer som gjorts av de olika partikeltyperna och deras
betydelse för arbetet.
8 µm partiklar av polymetylmetakrylat (PPMA)
Diameter 8 µm, densitet 1.18 g/cm 3 . Dessa partiklar påverkas väldigt kraftigt av ultraljudet, både
på grund av sin storlek och sin höga densitet. Dock gör den höga densiteten att partiklarna snabbt
sjunker då de är lösta i vatten. Detta uppfattas även i flödeskanalerna, då denna typ av partiklar
ofta rör sig sakta eftersom de sjunker till botten där flödeshastigheten är låg.
8 µm partiklar av polystyren (PS)
Diameter 8 µm, densitet 1.05 g/cm 3 . Även dessa partiklar påverkas kraftigt av ultraljud. Denna
typ av partiklar sedimenterar väldigt långsamt när de är lösta i vatten vilket gör dem tacksamma
för laborativt arbete.
3 µm partiklar av polystyren (PS)
Diameter 3 µm, densitet 1.05 g/cm 3 . Relativt kraftig påverkan från ultraljudet, dock inte lika bra
som för de större partiklarna. Detta märks genom att banden som bildas i de stående vågfälten
inte är lika skarpa och tydliga som för de större partiklarna.
1 µm partiklar av polystyren (PS)
Diameter 1 µm, densitet 1.05 g/cm3. Dessa partiklar påverkas väldigt dåligt av ultraljud. Även i
stående vågfält med hög effekt blir bandbildningen dålig för denna typ av partiklar.
Uppenbarligen underskrider dessa partiklars storlek någon form av gränsvärde för när effektiv
partikelpåverkan uppnås.
E. Coli bakterier
Diameter ca 1 µm, okänd densitet. Bakterier av denna typ påverkas effektivt av stående
ultraljudsfält. Dock har bakterierna en tendens att fastna i varandra och bilda långa trådar som
täpper igen flödeskanalerna. För att undvika detta tillsätts en detergent (EDTA) som gör att
bakterierna inte är lika benägna att fastna i varandra.
7.6 Blandningar av partiklar
För sorteringsprocessen används en vätska med två olika partikelslag. Under arbetets gång
gjordes en del sådana tester med olika sorters partiklar. Det framgick att när partiklar gjorda av
olika material blandades började partiklarna klumpa ihop sig till större kluster. Detta skedde även
då partiklar och bakterier blandades. En trolig hypotes är att detta beror på att de olika materialen
har olika ytladdning och när partiklar, vars ytladdning är olika, blandas så attraherar de varandra.
För att undvika sådan klustring tillsattes olika så kallade detergenter. Detergenternas molekyler är
så utformade att de fäster på ytor med laddade eller polära molekyler och får dem att förefalla
28

oladdade eller opolära utifrån sett. På så sätt kan detergenterna få partiklar som annars skulle
repellera eller attrahera varandra att förhålla sig neutralt till varandra.
Då de olika materialens egenskaper var okända, gjordes experimentella tester av vilka detergenter
som kunde skingra bildade partikelkluster.
Mängden detergent var i samtliga prover 0,1 % av partikelbladningens totala volym. Mängden
detergent var inte kritisk.
Tritonlösning Gav bäst resultat och skingrade snabbt alla klusterformeringar i både
bakterie- och partikellösningar. Denna detergent är en stor lång molekyl
som kan betraktas som att den är polär i ena änden och opolär i andra.
Den kan alltså fästa på en polär molekyl och få denna att förefalla opolär,
samt vice versa.
Benzalkoniumklorid Gav visst resultat och skingrade de flesta av de kluster som bildats. Dock
återkom klustrena efter ett tag. Denna detergent binder på ytor med
negativ ytladdning.
Natriumdesoxylat Binder på positivt laddade ytor, men gav i detta sammanhang inget
resultat alls.
7.7 Storlekar på strukturer
Mikrostrukturer med 360 µm och 120 µm kanalbredd testades i arbetet. Detta innebär att
frekvensen för första ordningens stående våg är ungefär 2 respektive 6 MHz i de olika
strukturerna.
Enligt teorin i kapitel 4.4 ökar kraftpåverkan på partiklarna med ökande frekvens. Speciellt vid
arbete med små partiklar bör det därför vara lämpligt med smala kanaler som har hög
resonansfrekvens eftersom små partiklar visat sig inte vara lika lättpåverkade som större partiklar.
Med minskande kanalbredd följer dock andra problem. I 120 µm kanalerna skapas det väldigt lätt
partikelansamlingar som stoppar flödet. Dessutom är det nästan omöjligt att få bort sådana
partikelpluggar när de väl skapats, eftersom de väldigt små kanalerna begränsar möjligheterna att
få loss pluggarna genom flödestrycksökningar.
Ett ytterligare problem som uppkommer med 120 µm strukturerna är att flödet blir ryckigt och
oregelbundet. Eftersom flödet drivs med hjälp av sprutpumpar som i sin tur drivs med
stegmotorer så pumpas flödet i små pulser som korresponderar mot varje steg för stegmotorn.
Eftersom kanalvolymen i 120 µm strukturerna är väldigt liten så orsakar varje sådant steg ett
tydligt ryck i flödet, vilket stör processen.
Av dessa anledningar övergavs 120 µm strukturerna efter en tids testande. Således är alla
framtagna resultat baserade på 360 µm strukturer.
29

7.8 Ultraljudseffekt
Både i koncentrationsprocessen och i sorteringsprocessen är det vikigt att den pålagda
ultraljudseffekten är lämpligt justerad. I synnerhet då små partiklar (

8. Resultat och analyser
8.1 Koncentration av bakterier
Under projektet gick mycket tid åt att lösa många av de praktiska problem som uppkom i
samband med bakteriearbetet. De första problemen var att processen inte var stabil tillräckligt
länge. Väldigt snabbt fastnade bakterierna i varandra och skapade långa trådar i flödeskanalerna
som störde processen. Det andra stora problemet var att upp till 90% av bakterierna dog i
flödeskanalerna. Det tredje stora problemet var att sorteringsprocessen stördes av gasutfällningar
som bildades i kanalen.
Problemet med att bakterierna fastnade i varandra löstes när det framgick att en liten mängd av
detergenten EDTA kunde blandas med bakterierna, se kapitel 6.3.
Problemen med att bakterierna dog och att det bildades gas i flödeskanalerna kunde härledas till
att temperaturen i kanalen blev för hög på grund av att inmatad effekt till piezokristallerna var för
stor. Den enda lösning som då fanns tillgänglig var att sänka ultraljudseffekten, men detta innebar
å andra sidan att bakteriefokuseringen inte blev så bra som önskats.
Under projektets slutskede konstruerades kylelement (se kapitel 7.4) som sannolikt kan lösa
värmeproblemen utan att ultraljudseffekten måste sänkas. Dock fanns det aldrig tid att göra
koncentrationsförsök med kylelementen inkopplade, varvid de resultat som finns har frambringats
genom att istället sänka ultraljudseffekten.
Figur 8.1. Bild på koncentrationsprocessen.
Alla bakterier samlas i
mitten och flödar ut genom
centerkanalen.
Efter en serie koncentrationskörningar med E.Coli bakterier framgick det att det är fullt möjligt
att koncentrera bakterier med hjälp av ultraljud. I de körningar som gjordes användes enkel-Y
strukturer där utflödet justerades till 30 µl/min genom centerutloppet och till 60 µl/min genom de
båda sidoutloppen tillsammans. Det visade sig vara möjligt att koncentrera 80% av samtliga
bakterier till centrumutloppet som således står för 33% av det totala utflödet.
Alltså är det visat att 80% av bakterieinnehållet i en volym kan koncentreras till en volym
motsvarande 33% av ursprungsvolymen, varvid 20% av bakterieinnehållet finns kvar i en volym
motsvarande 67% av ursprungsvolymen.
31

Dock förväntas denna koncentrationsgrad förbättras markant då kylelementen inkopplas, eftersom
högre ultraljudseffekt då kan användas.
8.2 Sortering av partiklar
För partikelsortering har körningar med flera olika partikeltyper gjorts. Till en början var det
problem med att sorteringsprocessen inte var stabil under längre tid, men sedan kylelementen
konstruerades och inkopplades så försvann dessa problem.
Tre partikeltyper har använts på olika sätt i sorteringsprocessen – 3 µm PS (1.05 g/cm 3 ), 8 µm PS
(1.05 g/cm 3 ) samt 8 µm PPMA (1.15 g/cm 3 ). Dock har kvantitativa resultat endast tagits fram för
sortering mellan 3 µm PS och 8 µm PPMA partiklar. För kombinationer av de övriga
partikelslagen finns endast uppskattade visuella resultat. Se kapitel 7.5 för mer information om
partiklarna.
Vid sortering av 8 µm PPMA och 3 µm PS justerades utflödet till 15 µl/min genom
centrumutloppet samt till 75 µl/min genom de båda sidoutloppen tillsammans. Genom
centruminloppet justerades vatteninflödet till 26 µl/min. Resterande 64 µl/min utgjorde
partikelblandningen som sögs in genom sidoinloppen. Switchfrekvensen var till 1 kHz och dutycyclen
justerades till 20 % av 4 MHz signalen och 80% av 2 MHz signalen. Parametrarna
framtogs genom systematisk justering samtidigt som förloppet betraktades visuellt genom
mikroskåp.
Utifrån detta kunde det visas att ca 90% av alla 8 µm PPMA partiklar som flödade in i strukturen
kunde dirigeras till centerutloppet samtidigt som ca 90% av alla 3 µm PS partiklar kunde
dirigeras till sidoutloppen.
Figur 8.2. Bild på sorteringsprocessen.
Två band av små partiklar
flödar ut i sidokanalerna och ett band
med stora partiklar flödar ut genom
centerkanalen.
Den visuella observationen av processen tyder dock på ännu högre sorteringskvot, vilket inte alls
är omöjligt eftersom mätuppställningen är behäftad med en viss osäkerhetsfaktor.
32

Sorteringstester gjordes också med 3 µm PS och 8 µm PS partiklar. Även denna sortering
fungerade väldigt bra med samma parametrar som ovan. Uppskattningsvis var denna sortering
ungefär lika bra som sorteringen i föregående försök.
Slutligen gjordes också tester att sortera 8 µm PS och 8 µm PPMA partiklar. I detta fall gick det
dock inte att få någon välfungerande sortering. Vissa tendenser till olika partikelband kunde dock
observeras. Att det blir på detta vis är dock inte så konstigt. I de tidigare försöken var
kontrastfaktorn partiklarnas radie, som skiljer sig en faktor 2,5 (volymen en faktor 19). I detta
försök var kontrastfaktorn densiteten som endast skiljer sig en faktor 1,1. Om densitetsskillnaden
är större kan alltså bättre sortering förväntas.
8.3 Sortering av bakterier
Försök gjordes även med sortering av olika sorters bakterier. För detta användes Bacillus
Megaterium och Staphylococcus Xylosus som var utblandande i PBS (se kapitel 6.2).
Dessa partiklar förväntades först vara lämpliga för sorteringstester eftersom de skiljer sig mycket
i storlek, 4 µm respektive 1 µm. Vid praktiska försök visade det sig dock att den större bakterien,
som är stavformad, orienterade sig i flödets riktning. Alltså kom endast bakteriens bredd, som var
ungefär densamma som den mindre bakteriens diameter, att spela roll för ultraljudets
kraftpåverkan.
Efter lite fundering kan dock konstateras att det även är teoretiskt förankrat att avlånga partiklar
orienterar sig i flödets riktning, eftersom det annars skulle bildas ett moment över partikeln på
grund av den varierande flödeshastigheten i kanalen.
Slutsatsen av detta var att de valda bakterierna inte är lämpliga för denna typ av
sorteringsprocess.
8.4 Separation av blodkomponenter
Vissa försök gjordes att separera komponenter i humanblod från varandra. Blod innehåller ett
stort antal olika sorters celler och partiklar varav de mest markanta är de röda och vita
blodkropparna samt blodplättarna. Dessa partiklar finns det ett medicinskt intresse av att kunna
separera från varandra.
Tyvärr fick processen avbrytas innan några kvantitativa sorteringsresultat erhållits eftersom en
sorteringsstruktur gick sönder. Dock har en del intressanta visuella observationer gjorts som kan
ligga till grund för fortsatta studier av blodkomponentseparation.
Det första som konstaterades, vilket också konstaterats inom tidigare projekt [6,7], var att
blodceller påverkas kraftigt av stående ultraljudsvågor generellt.
Genom att applicera sorteringsmetoden och justera sorteringsparametrarna visade det sig vara
möjligt att skapa olika band av partiklar, som möjligtvis kan vara olika blodkomponenter som
separeras. Dock är detta ännu obekräftat och bygger endast på visuella observationer.
33

Vad som dock är osannolikt, är att det som uppfattas skulle vara separation mellan röda och vita
blodkroppar. De röda blodkropparna är mer än 1000 gånger så många som de vita blodkropparna,
vilket talar för att separation mellan röda och vita blodkroppar inte är visuellt detekterbar.
Slutgiltigt konstateras således att separation av blodkomponenter har potential att
vidareutvecklas, men mer tester måste göras på området för att säkerställa förloppet.
Figur 8.3. Blod i sorteringsstrukturen.
Stora band av röda blodkroppar
strömmar ut genom sidoutloppen och
någonting som ännu inte är verifierat
tenderar att separeras till
centerutloppet.
34

9. Övriga tester samt framtida idéer
9.1 Detektering av stående våg med hjälp av nätverksanalysator
I hela projektet har alla förlopp kunnat följas i realtid med hjälp av ett mikroskop. Detta har
underlättat enormt eftersom det då har varit möjligt att successivt trimma alla parametrar för bästa
resultat. Dock finns det tänkbara applikationer där det av olika anledningar inte är möjligt att följa
förloppet visuellt. Detta kan exempelvis vara tillfällen då partiklarna är för få eller för små för att
detekteras visuellt.
Under projektets gång gjordes därför ett försök att, på annat sätt än att verifiera visuellt, detektera
vid vilken frekvens en stående våg infaller i flödeskanalen. Detta gjordes genom att två likadana
ultraljudskristaller placerades på undersidan och på ovansidan av en kiselstruktur.
Precis som i övriga försök utgjorde kristallen på undersidan sändare. Kristallen på ovansidan
däremot fick i detta sammanhang fungera som mottagare och lyssna på vad som hände inuti
kiselstrukturen.
De båda kristallerna kopplades till utgången och ingången på en nätverksanalysator som
konfigurerades för att göra frekvenssvepning i det frekvensområde där den stående vågen
förväntades uppträda samt visa transmissionskoefficienten på den grafiska skärmen. Resultatet
visas nedan.
Figur 9.1. Transmissionskoefficient med
nätverksanalysator
I bilden ovan framgår att det bildas många olika förstärkningar och dämpningar vid olika
frekvenser i kiselstrukturen. Detta beror troligtvis på att vågorna studsar på många olika sätt i
kislet och finner resonans på alla möjliga ställen.
Markören på bilden markerar den frekvens där en bra stående våg uppkommer i flödeskanalen.
Trots alla övriga stationära punkter i kurvan är det ändå denna frekvens som uppvisar den
35

starkaste resonansen. Det är därför inte omöjligt att detta skulle kunna förfinas för att skapa
möjlighet för automatisk detektering av en stående våg i flödeskanalen.
För att säkerställa att det som uppfattades inte hade att göra med kristallernas karaktäristik
gjordes även frekvenssvep då endast sändar- och mottagarkristallerna var monterade ihop. Detta
svep innehåll inte alls alla de stationära punkter som ovanstående svep visar. I synnerhet visade
det inte någon stationär punkt i den punkt som markören visar i diagrammet ovan. Således dras
slutsatsen att den tidigare tolkningen, att ovanstående diagram visar strukturens resonans, är
korrekt.
9.2 Partikelfokusering i vertikal led
Som tidigare konstaterats är flödeshastigheten i sorteringskanalen mindre vid kanalens väggar
och snabbast i kanalens mitt. Det ultraljud som hittills appliceras på kanalen fokuserar bara
partiklar i horisontell led. Partiklar kommer därför fortfarande att flyta på olika nivå i vertikal
ledd i kanalen.
Detta har till följd att partiklarna flyter med olika hastighet beroende på vilken vertikal nivå de
råkar befinna sig på. Vissa partiklar kommer därför att befinna sig längre tid i kanalen än andra
partiklar.
Denna teori är inte helt utredd ännu, men det förefaller inte osannolikt att det kan ha betydelse i
partikelsorteringsprocessen om olika partiklar befinner sig olika lång tid i sorteringskanalen. I
synnerhet om bromskraften Fd (enligt kapitel 5.2) är av stor magnitud så har partiklarnas vertikala
position stor betydelse, eftersom flödesgradienten är betydligt större i centrum av kanalen än i
toppen eller botten av kanalen.
Ett möjligt sätt att komma runt detta är att tillföra ytterligare en ultraljudskristall, vars frekvens är
avstämd för att skapa resonans i vertikal ledd i kanalen. Detta skulle leda till att alla partiklar
skulle positionera sig i ett vertikalt mittplan varvid hastighetsdivergens på grund av vertikal
positionering skulle elimineras.
Figur 9.2. Horisontellt och vertikalt
fokuserade partiklar. Den heldragna
linjen betecknar den vertikala stående
vågen och den tunna streckade linjen
betecknar den horisontella stående
vågen. Partiklarna samlas därmed i
centrum av kanalen.
36

9.3 Införande av försorteringskammare till partikelsorteringsprocessen
I partikelsorteringsprocessen är det nödvändigt att det i utgångsläget inte finns några partiklar i
mittenrännan av sorteringskanalen. I detta projekt har detta åstadkommits genom att partikelfritt
medium flödat in genom centerinloppet.
Nackdelen med detta förfarande är dels att en utspädning sker genom tillsättandet av det
partikelfria mediet, dels att det för vissa praktiska tillämpningar inte finns partikelfritt medium att
tillgå.
Ett nytt sätt att skapa ett partikelfritt område längs mittrännan av sorteringskanalen är därför att
tillsätta en försorteringskanal där en konstant andra ordningens stående våg är applicerad. Denna
försorteringskanal kan ha något annorlunda dimensioner än sorteringskanalen. På så sätt blir
kanalernas resonansfrekvenser olika och därmed stör ej det ultraljud som är applicerat i
försorteringskanalen sorteringsprocessen i den efterföljande strukturen. Försorteringskanalen
behöver således endast förses med ett inlopp, där partikellösningen flödar in.
När partikellösningen flödar in i den konstanta andra ordningens stående våg kommer samtliga
partiklar, oavsett storlek, att ordna upp sig i två strömmar längs stående vågens noder. När flödet
därefter lämnar försorteringskanalen och flödar in i huvudsorteringskanalen finns det således inga
partiklar i mittenrännan och sorteringsprocessen kan påbörjas.
Denna teknik är ännu inte testad i praktiken, men de teoretiska modellerna ger goda resultat. I
andra sammanhang har dessutom andra arbeten utförts där olika kanalbredder utnyttjats för att
undvika störningar. Stor förhoppning står därför till att tekniken med försorteringskanal kommer
att fungera väl.
Figur 9.3. Sorteringsstruktur med försorteringskanal. Proportionerna är
överdrivna jämfört med verkligheten. Partikelblandningen kommer in från
vänster. Svarta punkter betecknar stora partiklar och vita punkter
betecknar små partiklar. Kanalen med det konstanta ultraljudet har annan
bredd än kanalen med det switchande ultraljudet, därför har de olika
resonansfrekvenser och stör inte varandra.
37

10. Slutsatser
De försök som gjorts har bekräftat att det finns god potential att, med hjälp av stående akustiska
vågor, både koncentrera och sortera olika sorters bakterier och andra partiklar. För vissa typer av
partiklar är det nu visat att tekniken fungerar väldigt bra, för andra typer av partiklar måste
ytterligare utredning ske. Dock har tekniken i samtliga fall visat sig lovande och inga principiella
hinder för bruk av någon typ av partiklar har framkommit.
Möjligheterna som frambringas av denna teknik är stora. I inledningen nämndes ett antal möjliga
användningsområden. De medicinska användningsområdena innefattar bland annat separation av
blodkomponenter samt rening och anrikning av vätskor. För kemisk analys kan tekniken
användas för att sortera partiklar, som på olika sätt reagerat med någon substans, och därmed
möjliggöra nya snabba screeningmetoder. Vissa av dessa applikationer har genom arbetet
bekräftats fungera och andra har konstaterats vara lovande men i behov av mer utredning.
Förutom dessa redan nämnda användningsområden har i synnerhet sorteringstekniken föreslagits
som ersättare för filter och centrifuger i biologiska sammanhang. På så sätt kan det vara möjligt
att utföra dessa funktioner, utan varken det mekaniska hinder som ett filterpapper innebär eller
den fysiska påverkan på partiklarna som centrifugering orsakar.
38

11. Referenslista
[1] Richard E. Berg, David G. Stork, The Physics of Sound - 2:nd edition, 1995
[2] Martin Grölsch, Ultrasonic Separation of Suspended Particles, Acustica vol 84, 1998
[3] Loretta Jones, Peter Atkins, Chemistry - 4:th edition, 2002
[4] Göran Jönsson, Fysik i vätskor och gaser, Teach Support, 1991
[5] Göran Jönsson, Våglära och optik, Teach Support, 1991
[6] Filip Petersson, Anderas Nilsson, Henrik Jönsson, and Thomas Laurell; Proc. MicroTAS2003,
pp 879-882
[7] Filip Petersson, Fördjupade studier av ultraljudsbaserad partikelseparation i
mikrofluidiksystem, Institutionen för Elektrisk Mätteknik vid Lunds Tekniska Högskola, 2001
[8] Jacueline Sharon, Basic Immunology, 1990
[9] G.R. Torr, The Radiation Forces, American Journal of Physics, 1984
[10] K. Yoshioka, Y. Kawashima, Acustica vol 5, 1955
[11] James A. Zagebski, Essentials of Ultrasonic Physics, 1995
39