Et stopur til nanofluider:NIST indgiver foreløbigt patent på mikroflowmeter

National Institute of Standards and Technology (NIST) har indgivet en foreløbig patentansøgning om et mikroflowmålesystem, på størrelse med en nikkel, der kan spore bevægelsen af ​​ekstremt små mængder væsker - så små som nanolitere (nL, milliarddel af en liter) i minuttet. Hvis der løb vand fra den hastighed fra en 1-liters flaske vand, det ville tage omkring 200 år at dræne.

Opfindelsen er designet til at opfylde et presserende behov inden for det hurtigt ekspanderende område inden for mikrofluidik, hvor præcis måling af små strømningshastigheder er kritisk. For eksempel, nogle medicinske lægemiddelpumper dispenserer så lidt som titusinder af nL pr. minut i blodbanen. Til sammenligning, en enkelt dråbe vand indeholder 50, 000 nL. Klinisk diagnostik, kemisk forskning, cellesortering og -tælling, og mikrofabrikation med kontinuerlig strømning-i det væsentlige små fabrikker, der arbejder nonstop med at lave små mængder væsker-kræver også i stigende grad nøjagtige målinger af tilsvarende små mængder.

Men nuværende state-of-the-art enheder, der bruges til at måle flow på den skala, har en eller flere operationelle begrænsninger. "Nogle kræver kalibrering, andre bruger komplekse billeddannelsessystemer og mikroskoper; nogle tager data over mange minutter, og derfor, kan ikke spore dynamiske ændringer, og nogle kan ikke spores til det internationale system af enheder, "sagde opfinderen Greg Cooksey, en biomedicinsk ingeniør i NIST's Physical Measurement Laboratory.

Hans optiske mikroflow målesystem, fremstillet på NIST's Center for Nanoscale Science and Technology, undgår disse komplikationer. Den overvåger hastigheden af ​​fluorescerende molekyler i væske, når de bevæger sig ned ad en kanal omkring bredden af ​​et menneskehår, måling af tidsintervallet mellem molekylernes respons på to separate laserpulser.

Strømning ned ad en mikrokanal er en væske fyldt med fluorescerende molekyler, der udsender grønt lys, når de udsættes for en bestemt bølgelængde af blåt lys. Imidlertid, disse molekyler er blevet kemisk modificeret for at forhindre fluorescens. På et tidspunkt i kanalen, en ultraviolet laser ødelægger den kemiske modifikation af nogle af molekylerne. På et andet tidspunkt i kanalen, en blå laser får disse bare molekyler til at fluorescere. Forskere bestemmer strømningshastighed ved at måle den forløbne tid mellem fjernelse af den kemiske modifikation og fluorescens.

For nøjagtigt at markere et starttidsreferencepunkt, en ultraviolet laserpuls (med en bølgelængde på 375 nm) affyres langs en optisk bølgeleder og ind i kanalen. Der, pulsen rammer et kemisk beskyttet ("buret") fluorescerende molekyle, der bevæger sig i strømmen. "Molekylet kan ikke fluorescere, før vi aktiverer det med UV -pulsen, " sagde Cooksey. "Det, træde i kræft, tænder for molekylet, da dets bur ødelægges af laseren. På det tidspunkt, molekylet bliver reageret på excitation af lys."

Efter at det aktiverede molekyle har tilbagelagt 250 mikrometer - omkring tykkelsen af ​​et spillekort - nedstrøms i kanalen, den krydser vejen for en blå laser (488 nm).

Molekylet absorberer det blå lys og udsender straks grønt lys (520 nm). Denne emission bevæger sig ned ad en bølgeleder til en optisk effektmåler, der kontinuerligt måler ændringer i det udsendte lyss intensitet med en hastighed på 250, 000 gange i sekundet.

Emissionssignalerne sammenlignes med timingen af ​​de indledende aktiveringsimpulser for at bestemme det forløbne interval. Jo hurtigere strømning, jo mindre tid mellem aktivering og emission.

Strømningshastigheden udledes af omhyggelige målinger af tiden mellem laserpulser og kanaldimensionerne, og disse målinger er forfinet med beregninger af strømningsmønster mellem aktiverings- og emissionsmålinger. Derfor, flowmåleren kræver ikke kalibrering ved hjælp af en uafhængig flowstandard. Ud over, det er mere følsomt end de fleste konventionelle teknologier, og giver kontinuerlige realtidsdata med opløsning i størrelsesordenen 1 millisekund.

Opfindelsen er også i stand til at fungere som et flowcytometer - en enhed, der tæller, eller på anden måde måler, egenskaber af biologiske celler i en væskestrøm. Der er mange måder at konstruere celler på, så de indeholder fluorescerende "biomarkører" af forskellig art, som kan måles, når de flyder forbi detektorerne i NIST-enheden.

"Det er det, vi forsøger at bygge ud over præcisionsmåling-en platform for næste generations biologiske målinger, "Sagde Cooksey." F.eks. på grund af den præcise timing, der er indbygget i systemet, vi kan gennemføre 'time-lapse' undersøgelser af cellemetabolisme, hvor celler er fyldt med fluorescerende materialer, hvis emission ændres i forhold til deres stofskifte."

Sådanne oplysninger vil være nyttige til undersøgelser af kræft, da kræftceller vides at have forhøjede metabolismehastigheder. "Vi kunne foretage så mange målinger, som vi vil nedstrøms, "Cooksey sagde." Vi kunne bruge 10 af disse optiske forhørspunkter, hver adskilt af, sige, 100 millisekunder, og spore faldet i lysoutput i hver celle gennem tiden. "

Alternativt kan Cooksey sagde, de kunne også undersøge calciumtilstrømning. "Mange slags celler bruger calcium til signalering, så hvis vi fylder cellen med et calciumfølsomt farvestof, farvestoffet vil reagere, når calciumkoncentrationen ændres.

Det ville give os mulighed for at se ændringer i realtid i funktioner som neural kommunikation eller udløsning af programmeret celledød."

En foreløbig patentansøgning, markerer starten på patentprocessen, er blevet arkiveret.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.