Zouden scheikundigen klaar zijn om de eerbiedwaardige reageerbuis te dumpen, het symbool van chemie in de hoofden van veel mensen? Misschien nog niet helemaal maar Jack Beauchamp van Caltech werkt eraan.

Beauchamp werkt in wat hij 'lab-in-a-drop'-chemie noemt, waarin chemische reacties worden uitgevoerd in een druppel vloeistof die in de lucht is gesuspendeerd door middel van akoestische levitatie.

Akoestische levitatie werkt door het creëren van gebieden met hoge en lage druk in de lucht door het gebruik van ultrasone transducers. Deze transducers werken als kleine maar krachtige luidsprekers die werken op een frequentie die hoger is dan wat menselijke oren kunnen horen. De geluidsenergie die door deze transducers wordt uitgezonden, is zo gefocust dat de hoge- en lagedrukzones die ze creëren "vallen" vormen die kleine voorwerpen in de lucht op hun plaats kunnen houden. Een object dat in een van de lagedrukzones is geplaatst, wordt daar vastgehouden door de hogedrukzones eromheen. Een akoestische levitator van dit soort kan voor ongeveer $ 75 worden gebouwd uit kant-en-klare onderdelen met behulp van 3D-printtechnieken.

In een nieuwe krant Beauchamp en zijn collega's beschrijven het gebruik van de techniek om te bestuderen hoe een medicijn tegen huidkanker op chemisch niveau werkt. Het onderzoek, hij zegt, vertegenwoordigt het eerste succesvolle gebruik van akoestische levitatie als een "muurloze" reactor in een gedetailleerde studie van chemische reacties.

In productie, Beauchamp en zijn team bedekten een druppel water met lipiden, biomoleculen waaruit celmembranen bestaan. Vervolgens brachten ze een geneesmiddel tegen kanker op de druppel aan en gebruikten een massaspectrometer om de chemische handtekening te "snuiven" die door de druppel werd afgegeven terwijl het medicijn reageerde met het lipide wanneer het werd belicht met een rode laserpointer.

In het experiment, de onderzoekers voegden een kleine hoeveelheid van een van de twee lipiden toe, cardiolipine en POPG (1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-fosfo-(1'-rac-glycerol)), voor elke druppel water. De lipiden migreerden naar het oppervlak van de druppel, waar ze zich organiseerden om een ​​dunne film te vormen die qua samenstelling vergelijkbaar is met het celmembraan van een levende cel.

Met het membraan gevestigd, een chemische stof genaamd temoporfine werd aan de druppel toegevoegd. Temoporfine, een ringvormig molecuul, wordt opgewonden door rood licht. In deze staat, het temoporfine draagt ​​energie over aan moleculaire zuurstof, het vormen van een geëxciteerde elektronische toestand die gemakkelijk moleculen oxideert waarmee het in contact komt, inclusief die waaruit celmembranen bestaan. Dit maakt temoporfine nuttig als een behandeling voor sommige huidkankers. Een arts kan het medicijn op een kankerachtige laesie aanbrengen en het dan met rood licht verlichten, die gemakkelijk door weefsels schijnt. Terwijl de verbinding wordt verlicht en opgewonden, het oxideert vitale cellulaire materialen, inclusief lipiden, eiwitten, en nucleïnezuren, celdood veroorzaken.

Het was dit kankerdodende proces dat Beauchamp wilde bestuderen. "Als je deze chemie doet, u deze reacties wilt kunnen uitvoeren onder omstandigheden waarbij u geen contact heeft van de vloeistof met oppervlakken, " zegt hij. "We bereiken dit doel door chemie uit te voeren in een zwevende druppel."

Met de akoestische levitator konden Beauchamp en zijn team in de lucht een druppel water van 1 millimeter ophangen die een mengsel van het lipide en temoporfine bevatte. De druppel werd vervolgens verlicht door rood laserlicht, het temoporfine prikkelen en ervoor zorgen dat het de moleculen van de membraanlaag oxideert.

Terwijl deze oxidatie plaatsvond, een paar hoogspanningselektroden die in de buurt van de druppel waren geplaatst, trokken minuscule hoeveelheden materiaal van de druppel en in de sensor van een massaspectrometer, die metingen opleverde waarmee onderzoekers de moleculaire structuren van verbindingen in de druppel konden afleiden. Door deze metingen voortdurend te controleren, de onderzoekers konden zien hoe de verbindingen aan het oppervlak steeds meer geoxideerd werden. Door naar deze reactieproducten te kijken, Beauchamp zegt dat het onderzoeksteam zou kunnen bepalen hoe de oxidatieprocessen werken.

"Voor zover ik weet, wij zijn de enige mensen die op deze manier serieuze chemie doen, het onderzoeken van de kinetiek en het mechanisme van de betrokken reacties", zegt Beauchamp.

Akoestische levitatie kan ook op andere gebieden worden gebruikt, hij zegt. Als voorbeeld, hij citeert het onderzoek van Caltech's Joe Parker, een assistent-professor biologie en biologische technologie die de symbiotische relatie tussen bepaalde soorten mieren en kevers bestudeert. Beauchamp zegt dat het mogelijk zou zijn om een ​​mier en een kever dicht bij elkaar te laten zweven en vervolgens het apparaat te gebruiken om de feromonen die ze uitstoten te analyseren.

De techniek kan ook andere toepassingen hebben. In samenwerkingsstudies met John Seinfeld van Caltech, Louis E. Nohl Hoogleraar Chemische Technologie, Beauchamp onthulde eerder details van de complexe omgevingschemie die leidt tot de vorming van organische aerosolen in de atmosfeer in studies met druppeltjes die aan het uiteinde van een capillair hangen. Met de nieuwe levitatiemethode, dat capillair zou niet langer nodig zijn.

Het artikel waarin het onderzoek van Beauchamp wordt beschreven, getiteld "Massaspectrometrische studie van akoestisch zwevende druppels verlicht moleculair niveaumechanisme van fotodynamische therapie voor kanker waarbij lipidenoxidatie betrokken is, " verschijnt in het nummer van 23 april van Angewandte Chemie .