NIST går med det (langsomme) flow:Ny teknik kan forbedre bioteknologien, præcisionsmedicin

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har udviklet et optisk system, der nøjagtigt måler strømmen af ​​ekstraordinært små mængder væske - så små som 10 milliardtedele liter (nanoliter) i minuttet.

I den hastighed det ville tage en liters flaske vand omkring 190 år at tømme. (En enkelt dråbe vand indeholder 50, 000 nanoliter.) De nye målinger er en væsentlig forbedring i forhold til teknologi, som NIST-holdet rapporterede i 2018.

Netop måling og styring af minimale strømningshastigheder er blevet afgørende vigtig i det spirende område af mikrofluidik, som omfatter levering af små mængder lægemidler, forberedelse af små mængder væske, dannelsen af ​​mikrodråber og bioteknologiske undersøgelser, der overvåger strømmen af ​​næringsstoffer til celler. Ved behandling af kræft og andre sygdomme, lægemiddelpumper dispenserer så lidt som snesevis af nanoliter (nL) i blodbanen i minuttet. Det flow skal være ekstremt præcist, så den samlede dosis, patienten får, er præcis, hvad lægen har ordineret.

Lave strømningshastigheder spiller også en rolle i at adskille en blanding i dens kemiske bestanddele baseret på, hvor langsomt de bevæger sig gennem en gel eller et andet medium.

Den nye metode er afhængig af en enkelt laser, der skinner på lysfølsomme molekyler i en væske, der strømmer gennem en mikrokanal - et silikonerør eller -rør omkring diameteren af ​​et menneskehår. Laserlysets interaktion med molekylerne afhænger af væskens strømningshastighed.

Hvis væsken strømmer relativt hurtigt gennem mikrokanalen, laseren får simpelthen de lysfølsomme molekyler til at skinne eller fluorescere. Men for væsker, der flyder langsommere og derfor udsættes for laserlyset i længere tid, historien er mere kompleks:Efter en vis mængde lys rammer molekylerne, de brænder ud og fluorescerer ikke længere. Dermed, jo langsommere flow, jo større antal lysfølsomme molekyler, der slukkes, og jo svagere er fluorescensen.

Holdet kalibrerede deres målinger ved at sammenligne dem med målinger af meget højere flowhastigheder registreret af etablerede flowmålere, som ikke kræver laser.

Greg Cooksey, Paul Patrone og deres NIST-kolleger, sammen med en NIST sommer undergraduate forsker fra Montgomery College i Germantown, Maryland, rapporterede resultaterne i et nyligt nummer af Analytisk kemi . Undersøgelsen følger op på en Fysisk gennemgang gælder d papir, der beskriver det teoretiske bevis, af metoden.

En vigtig fordel ved den nye metode er, at flowmålingerne er uafhængige af størrelsen og formen af ​​den kanal, som væsken bevæger sig igennem. Den nye metode er en udløber af et tidligere system udviklet af NIST-teamet, som krævede viden om kanalens geometri og laserintensitet, tilføjer betydelige usikkerheder i målingerne.

Den nye metode er følsom nok til at bestemme den meget langsomste flowhastighed, der rent faktisk kan måles for en given forsøgsopstilling. Under denne sats, den tilfældige bevægelse af partikler i alle retninger - diffusion - forvirrer målinger af den ordnede strøm af partikler.

Den laveste strømningshastighed, der kunne skelnes fra diffusion, var 0,2 nL, eller 200 billioner af en liter i minuttet. Præcis bestemmelse af denne grænse, kendt som nul flow, giver forskere mulighed for at kontrollere strømningshastigheder mere præcist, end de kan måles. NIST-holdet eksperimenterer nu med at bruge større molekyler, som diffunderer langsommere, og smallere kanaler, at forbedre evnen til at skelne almindeligt flow fra tilfældig diffusion.

Holdet rapporterede også, at det kunne kontrollere en flowhastighed så lille som 2 nL i minuttet, med en usikkerhed på kun 5 %.

Målemetoden giver flere potentielle muligheder for spinoff-teknologier og kan gøre det muligt for producenter af mikrofluidiske enheder at udvikle en ny generation af flowsensorer, sagde Cooksey. Holdet har indsendt en patentansøgning på teknikken. Samlet set, bedre flowmåling fører til forbedringer i præcisionen af ​​kemiske sensorinstrumenter og sikkerheden af ​​medicinudleveringsanordninger.

Den nye metode til at måle lave flowhastigheder er direkte relateret til et af NISTs nøgleprogrammer, NIST på en chip. Programmet sigter mod at udvikle en række præcise, kvantebaserede måleteknologier beregnet til at blive implementeret næsten hvor som helst og når som helst, uden at en producent skal standse produktionen, mens en sensor eller anden enhed sendes til NIST til kalibrering. Det nye mikroflowmålingssystem kan hjælpe med at dispensere præcise mængder af mikrovæsker, der bruges i en lang række NIST-on-a-chip-teknologier.

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