Udførelse af kemi i flydende dråber

Kunne kemikere være klar til at droppe det ærværdige reagensglas, selve symbolet på kemi i mange menneskers sind? Måske ikke helt endnu men Caltechs Jack Beauchamp arbejder på det.

Beauchamp arbejder med det, han kalder "lab-in-a-drop" kemi, hvor kemiske reaktioner udføres i en dråbe væske suspenderet i luften gennem akustisk levitation.

Akustisk levitation virker ved at skabe områder med højt og lavt tryk i luften ved brug af ultralydstransducere. Disse transducere fungerer som bittesmå, men kraftige højttalere, der fungerer ved en frekvens over, hvad menneskelige ører kan høre. Den soniske energi, der udsendes af disse transducere, er fokuseret på en sådan måde, at høj- og lavtrykszonerne, de skaber, danner "fælder", der kan holde små genstande på plads i luften. En genstand placeret i en af ​​lavtrykszonerne holdes der af højtrykszonerne, der omgiver den. En akustisk levitator af denne slags kan konstrueres for omkring $75 fra hyldedele ved hjælp af 3-D-printteknikker.

I et nyt blad, Beauchamp og hans kolleger beskriver brugen af ​​teknikken til at studere, hvordan et lægemiddel mod hudkræft virker på et kemisk niveau. Forskningen, han siger, repræsenterer den første vellykkede brug af akustisk levitation som en "vægløs" reaktor i en detaljeret undersøgelse af kemiske reaktioner.

I arbejdet, Beauchamp og hans team har belagt en dråbe vand med lipider, biomolekyler, der udgør cellemembraner. De påførte derefter et kræftlægemiddel på dråben og brugte et massespektrometer til at "snuse" den kemiske signatur, som dråben afgiver, da lægemidlet reagerede med lipidet, når det blev belyst med en rød lasermarkør.

I forsøget forskerne tilføjede en lille mængde af et af to lipider, cardiolipin og POPG (1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phospho-(1'-rac-glycerol)), til hver dråbe vand. Lipiderne migrerede til overfladen af ​​dråben, hvor de organiserede sig for at danne en tynd film, der i sammensætning ligner cellemembranen i en levende celle.

Med membranen etableret, et kemikalie kaldet temoporfin blev tilsat til dråben. Temoporfin, et ringlignende molekyle, er ophidset af rødt lys. I denne tilstand, temoporfin overfører energi til molekylært oxygen, danner en ophidset elektronisk tilstand, der let oxiderer molekyler, den kommer i kontakt med, herunder dem, der udgør cellemembraner. Dette gør temoporfin nyttig som behandling for nogle hudkræftformer. En læge kunne anvende lægemidlet på en kræftlæsion og derefter belyse den med rødt lys, som let skinner gennem væv. Når forbindelsen er oplyst og ophidset, det oxiderer vitale cellulære materialer, inklusive lipider, proteiner, og nukleinsyrer, udløser celledød.

Det var denne kræftdræbende proces, Beauchamp ønskede at studere. "Når du laver denne kemi, du vil gerne være i stand til at udføre disse reaktioner under forhold, hvor du ikke har nogen kontakt mellem væsken og overflader, " siger han. "Vi opnår dette mål ved at udføre kemi i en leviteret dråbe."

Den akustiske levitator tillod Beauchamp og hans team at suspendere i luften en 1 millimeter dråbe vand indeholdende en blanding af lipidet og temoporfin. Dråben blev derefter belyst af rødt laserlys, exciterer temoporfinen og får den til at oxidere membranlagets molekyler.

Da denne oxidation fandt sted, et par højspændingselektroder placeret i nærheden af ​​dråben trak små mængder materiale af dråben og ind i sensoren på et massespektrometer, som gav aflæsninger, der gjorde det muligt for forskere at udlede de molekylære strukturer af forbindelser i dråben. Ved løbende at overvåge disse aflæsninger, forskerne var i stand til at se, hvordan forbindelserne på overfladen blev gradvist mere oxiderede. Ved at se på disse reaktionsprodukter, Beauchamp siger, at forskerholdet kunne bestemme, hvordan oxidationsprocesserne fungerer.

"Så vidt jeg ved, vi er de eneste mennesker, der laver seriøs kemi på denne måde, undersøge kinetikken og mekanismen for de involverede reaktioner," siger Beauchamp.

Akustisk levitation kan også finde anvendelse på andre områder, han siger. Som et eksempel, han citerer forskning fra Caltechs Joe Parker, en assisterende professor i biologi og biologisk teknik, der studerer det symbiotiske forhold mellem visse arter af myrer og biller. Beauchamp siger, at det ville være muligt at svæve en myre og en bille i umiddelbar nærhed af hinanden og derefter bruge apparatet til at analysere de feromoner, de udsender.

Teknikken kunne også have andre anvendelser. I samarbejdsstudier med Caltechs John Seinfeld, Louis E. Nohl professor i kemiteknik, Beauchamp har tidligere afsløret detaljer om den komplekse miljøkemi, der fører til dannelsen af ​​organiske aerosoler i atmosfæren, i undersøgelser med dråber, der hænger på enden af ​​en kapillær. Med den nye levitationsmetodologi, at kapillær ikke længere ville være påkrævet.

Papiret, der beskriver Beauchamps forskning, med titlen "Massespektrometrisk undersøgelse af akustisk leviterede dråber belyser molekylært niveaumekanisme af fotodynamisk terapi for kræft, der involverer lipidoxidation, " vises i udgaven af ​​23. april af Angewandte Chemie .