Laser, elektriske felter kombineret til nye lab-on-chip teknologier

(PhysOrg.com) - Forskere udvikler nye teknologier, der kombinerer en laser og elektriske felter til at manipulere væsker og små partikler såsom bakterier, vira og DNA til en række potentielle anvendelser, fra lægemiddelfremstilling til fødevaresikkerhed.

Teknologierne kunne bringe innovative sensorer og analytiske enheder til "lab-on-a-chip" applikationer, eller miniatureapparater, der udfører målinger, der normalt kræver stort laboratorieudstyr, sagde Steven T. Wereley, en Purdue University professor i maskinteknik.

Metoden, kaldet "hybrid optoelektrisk manipulation i mikrofluidik, "er et potentielt nyt værktøj til applikationer, herunder medicinsk diagnostik, test af mad og vand, kriminalteknisk kriminalteknik, og farmaceutisk fremstilling.

"Dette er en banebrydende teknologi, der har udviklet sig i løbet af det sidste årti fra forskning på en håndfuld universiteter, " sagde Aloke Kumar, en Wigner Fellow og ansat ved Oak Ridge National Laboratory.

Han er hovedforfatter af en artikel om teknologien på forsiden af ​​7. juli -udgaven af Lab on a Chip magasin, udgivet af Royal Society of Chemistry. Artiklen er også blevet markeret af publikationen som en "HOT -artikel" og er blevet gjort fri for adgang.

Artiklen er skrevet af Wereley; Kumar; Stuart J. Williams, en assisterende professor i maskinteknik ved University of Louisville; Han-Sheng Chuang, en assisterende professor i Institut for Biomedicinsk Teknik ved National Cheng Kung University; og Nicolas G. Green, en forsker ved University of Southampton.

"Et meget vigtigt aspekt er, at vi har opnået en integration af teknologier, der muliggør manipulation på tværs af et meget stort længdespektrum, "Kumar sagde." Dette gør det muligt for os at manipulere ikke kun store objekter som dråber, men også små DNA-molekyler inde i dråber ved hjælp af en kombineret teknik. Dette kan i høj grad øge effektiviteten af ​​lab-on-a-chip-sensorer. "

Kumar, Williams og Chuang er forbi Purdue -doktorander, der arbejdede med Wereley. Meget af forskningen har været baseret på Birck Nanotechnology Center i Purdue's Discovery Park.

Teknologierne er klar til nogle applikationer, herunder medicinsk diagnostik og miljøprøver sagde Williams.

"Der er to hovedpunkter i applikationer, " sagde han. "Den første er mikro- og nanofremstilling, og den anden er lab-on-a-chip sensorer. Sidstnævnte har demonstreret biologisk relevante anvendelser i de sidste par år, og dens ekspansion på dette område er øjeblikkelig og løbende. "

Teknologien fungerer ved først at bruge en rød laser til at placere en dråbe på en platform, der er specielt fremstillet ved Purdue. Næste, en meget fokuseret infrarød laser bruges til at opvarme dråberne, og derefter får elektriske felter den opvarmede væske til at cirkulere i en "mikrofluidisk hvirvel." Denne hvirvel bruges til at isolere specifikke typer partikler i den cirkulerende væske, som en mikrocentrifuge. Partikelkoncentrationer replikerer størrelsen, placering og form af det infrarøde lasermønster.

"Det virker meget hurtigt, " sagde Wereley. "Det tager mindre end et sekund for partikler at reagere og blive trukket ud af opløsningen."

Systemer, der anvender den hybride optoelektriske tilgang, kan designes til præcist at detektere, manipulere og screene visse typer bakterier, herunder særlige stammer, der gør tungmetaller mindre giftige.

"Vi skyder efter biologiske anvendelser, såsom grundvandssanering, "Sagde Wereley." Selv inden for samme bakteriestamme er nogle gode til opgaven, og nogle er ikke, og denne teknologi gør det muligt effektivt at udslette disse bakterier fra andre. Bakterierne kunne sprøjtes ind i den forurenede jord. Du så jorden med bakterierne, men først skal du finde en økonomisk måde at adskille det på."

Purdue-forskere forfølger også teknologien til farmaceutisk fremstilling, han sagde.

"Disse typer teknologi er gode til at være meget dynamiske, hvilket betyder, at du kan beslutte dig i realtid for at få fat i alle partikler af en størrelse eller en type og lægge dem et sted, "Wereley sagde." Dette er vigtigt for apoteket, fordi en række lægemidler fremstilles af faste partikler suspenderet i væske. Partiklerne skal opsamles og adskilles fra væsken. "

Denne proces udføres nu ved hjælp af filtre og centrifuger.

"En centrifuge gør den samme slags ting, men den er global, det skaber en kraft på hver partikel, der henviser til, at denne nye teknologi specifikt kun kan isolere visse partikler, "Sagde Wereley." Vi kan, sige, indsamle alle partikler, der er en mikron i diameter eller slippe af med noget større end to mikron, så du dynamisk kan vælge, hvilke partikler du vil beholde. "

Teknologien kan også bruges som et værktøj til nanofremstilling, fordi den viser lovende for samling af suspenderede partikler, kaldet kolloider. Evnen til at konstruere objekter med kolloider gør det muligt at skabe strukturer med særlige mekaniske og termiske egenskaber til fremstilling af elektroniske enheder og små mekaniske dele. Nanofremstillingsapplikationerne er mindst fem år væk, han sagde.

Teknologien kan også bruges til at lære grundlæggende elektrokinetiske kræfter af molekyler og biologiske strukturer, hvilket er svært at gøre med eksisterende teknologier.

"Der er også meget grundlæggende videnskabelige anvendelser af disse teknologier, "Sagde Kumar.