Enheden måler fordelingen af ​​små partikler, når de strømmer gennem en mikrofluidisk kanal

En ny teknik opfundet ved MIT kan måle de relative positioner af små partikler, når de strømmer gennem en væskekanal, muligvis tilbyde en let måde at overvåge samlingen af ​​nanopartikler, eller for at studere, hvordan masse fordeles inden for en celle.

Med yderligere fremskridt, denne teknologi har potentialet til at løse formen af ​​objekter i flow så små som vira, siger forskerne.

Den nye teknik, beskrevet i 12. maj-udgaven af Naturkommunikation , bruger en enhed, som først blev udviklet af MIT's Scott Manalis og kolleger i 2007. Denne enhed, kendt som en suspenderet mikrokanalresonator (SMR), måler partiklernes masse, når de strømmer gennem en smal kanal.

Den originale massesensor består af en væskefyldt mikrokanal ætset i en lille siliciumudkrager, der vibrerer inde i et vakuumhulrum. Når celler eller partikler strømmer gennem kanalen, en ad gangen, deres masse ændrer en smule cantileverens vibrationsfrekvens. Masserne af partiklerne kan beregnes ud fra denne ændring i frekvens.

I dette studie, forskerne ville se, om de kunne få mere information om en samling af partikler, såsom deres individuelle størrelser og relative positioner.

"Med det tidligere system, når en enkelt partikel strømmer igennem, kan vi måle dens flydende masse, men vi får ingen oplysninger om, hvorvidt det er en meget lille, tæt partikel, eller måske en stor, ikke så tæt partikel. Det kunne være en lang filament, eller sfærisk, " siger kandidatstuderende Nathan Cermak, en af ​​avisens hovedforfattere.

Postdoc Selim Olcum er også hovedforfatter af papiret; Manalis, Andrew og Erna Viterbi professor i MIT's afdelinger for biologisk teknik og maskinteknik, og medlem af MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research, er papirets seniorforfatter.

Mange frekvenser

For at få oplysninger om massefordelingen, forskerne udnyttede det faktum, at hver cantilever, meget som en violinstreng, har mange resonansfrekvenser, hvor den kan vibrere. Disse frekvenser er kendt som modes.

MIT-teamet fandt på en måde at vibrere cantilever i mange forskellige tilstande samtidigt, og at måle, hvordan hver partikel påvirker vibrationsfrekvensen for hver tilstand ved hvert punkt langs resonatoren. Den kumulative sum af disse effekter gør det muligt for forskerne at bestemme ikke kun massen, men også hver partikels position.

"Alle disse forskellige tilstande reagerer forskelligt på massefordelingen, så vi kan udtrække ændringerne i tilstandsfrekvenser og bruge det til at beregne, hvor massen er koncentreret i kanalen, " siger Olcum.

Partiklerne flyder langs hele cantileveren på omkring 100 millisekunder, så et vigtigt fremskridt, der gjorde det muligt for forskerne at tage hurtige målinger på hvert punkt langs kanalen, var inkorporeringen af ​​et kontrolsystem kendt som en faselåst sløjfe (PLL). Denne har en intern oscillator, der justerer sin egen frekvens, så den svarer til frekvensen af ​​en resonatortilstand, som ændrer sig efterhånden som partikler strømmer igennem.

Hver vibrationstilstand har sin egen PLL, som reagerer på eventuelle ændringer i frekvensen. Dette giver forskerne mulighed for hurtigt at måle ændringer forårsaget af partikler, der strømmer gennem kanalen.

I denne avis, forskerne sporede to partikler, mens de strømmede gennem en kanal sammen, og viste, at de kunne skelne hver partikels masser og positioner, mens den strømmede. Ved at bruge fire vibrationstilstande, enheden kan opnå en opløsning på omkring 150 nanometer. Forskerne beregnede også, at hvis de kunne inkorporere otte tilstande, de kunne forbedre opløsningen til omkring 4 nanometer.

Højopløselig massebilleddannelse

Dette fremskridt kunne hjælpe med at anspore udviklingen af ​​en teknik kendt som inertibilleddannelse, som gør brug af flere vibrationstilstande til at billede et objekt, da det sidder på en nanomekanisk resonator.

Inertial billeddannelse kunne gøre det muligt for forskere at visualisere meget små partikler, såsom vira eller enkelte molekyler. "Multimode masseføling har tidligere været begrænset til luft- eller vakuummiljøer, hvor genstande skal fastgøres til resonatoren. Evnen til at opnå dette dynamisk i flow åbner spændende muligheder, "Siger Manalis.

Den nye MIT-teknologi kan muliggøre meget højhastigheds inertial billeddannelse, når celler strømmer gennem en kanal.

"Den suspenderede nanokanalteknologi, som Manalis-gruppen har udviklet, er bemærkelsesværdig, "siger Michael Roukes, professor i fysik, anvendt fysik, og bioingeniør hos Caltech, som er banebrydende i udviklingen af ​​inertial billeddannelse, men var ikke en del af denne undersøgelse.

"Deres anvendelse af vores tilgang til samtidig overvågningsposition og masse af de fluidiske analytter åbner mange nye muligheder, "Roukes siger." Udvidelse af deres bestræbelser på fuldt ud at anvende vores nyligt udviklede metode til inertial billeddannelse vil også muliggøre karakterisering af analytternes form, ud over deres masse og position, når de strømmer gennem nanokanalerne."

Manalis' laboratorium bruger også den nye teknik til at studere, hvordan cellernes tæthed ændres, når de passerer gennem forsnævringer. Dette kunne hjælpe dem til bedre at forstå, hvordan kræftceller opfører sig mekanisk, når de metastaserer, som kræver klemning gennem små rum. De bruger også PLL-tilgangen til at øge gennemløbet ved at betjene mange cantilevers på en enkelt chip.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.