In een paper gepubliceerd in Natuurwetenschappelijke rapporten , een team van onderzoekers van het Worcester Polytechnic Institute (WPI) heeft aangetoond hoe een apparaat dat lichtstralen gebruikt om kleine objecten vast te pakken en te manipuleren, inclusief individuele cellen, kan worden geminiaturiseerd, de deur openen naar het maken van draagbare apparaten die klein genoeg zijn om in de bloedbaan te worden ingebracht om individuele kankercellen op te vangen en kanker in de vroegste stadia te diagnosticeren.

De techniek, bekend als optisch pincet, gebruikt optische stralen laserlicht om een ​​aantrekkelijk krachtveld te creëren dat kan vasthouden, of val, kleine voorwerpen op hun plaats zonder fysiek contact. Traditionele optische pincetten focussen het licht met een grote en dure lens, waardoor het apparaat omvangrijk en gevoelig voor omgevingsfluctuaties is. Deze beperkingen maken het gebruik van optische pincetten buiten het laboratorium onmogelijk.

in hun Wetenschappelijke rapporten papier ("Objective-lens-free Fiber-based Position Detection with Nanometer Resolution in a Fiber Optical Trapping System, ") een team onder leiding van Yuxiang "Shawn" Liu, universitair docent werktuigbouwkunde, legt uit hoe het de lenzen heeft kunnen vervangen door kleine optische vezels en het apparaat heeft kunnen verkleinen.

"Momenteel, om te testen op kanker, u moet wachten tot er een zichtbare tumor is of een voldoende hoeveelheid kankercellen in een bloedmonster, " zei hij. "Tegen die tijd, de kanker kan vergevorderd zijn. Maar kanker begint met enkele cellen. Als artsen die cellen konden scheiden van miljoenen bloedcellen, we zouden kanker veel eerder kunnen detecteren - op een punt waar het niet zichtbaar is met andere technieken. Dit kan de diagnose maanden of zelfs jaren vooruit helpen, en de behandeling veel succesvoller te maken."

Voor het eerst gedemonstreerd in de jaren 80, optische pincetten zijn een cruciaal hulpmiddel geworden voor wetenschappers in de biologie, scheikunde, en natuurkunde om experimenten uit te voeren op moleculaire en cellulaire schaal. Omdat ze kleine voorwerpen kunnen vangen en op hun plaats houden, uit de buurt van contact met iets dat hun toestand of functie zou kunnen veranderen, met het pincet kunnen materialen of individuele cellen worden bestudeerd zonder ze uit hun oorspronkelijke omgeving te verwijderen.

Hoewel de apparaten nuttig kunnen zijn in het veld (voor het testen van water- of grondmonsters, bijvoorbeeld) of in ziekenhuizen en dokterspraktijken, hun huidige ontwerp maakt ze te groot (ongeveer 2 tot 3 ft. lang en ongeveer 2 ft. breed) en te gevoelig (hun nauwkeurigheid kan worden beïnvloed door een lichte luchtstroom) om bruikbaar te zijn buiten een sterk gecontroleerde laboratoriumomgeving.

Om het apparaat kleiner te maken, aansteker, en meer draagbaar, Liu besloot de lens te vervangen door optische glasvezels. Maar aangezien een optische vezel extreem dun is (ongeveer de breedte van een mensenhaar), de punt is te klein om als lens te fungeren, dus een enkele vezel kan een laserstraal niet intens genoeg focussen om een ​​optische val te creëren. Liu ontdekte dat hij een driedimensionale optische val kon maken door twee vezels te gebruiken om elkaar kruisende lichtstralen te projecteren. Op deze manier kon hij een klein bolvormig object op zijn plaats houden en tegelijkertijd zijn positie bepalen met nanometer-nauwkeurigheid en de sterkte van de greep van de val op het object meten.

"Dit bewijst dat we de lens niet nodig hebben om de val te maken, " zei Liu, die al zo'n 12 jaar aan dit project werkt. "Als we een kleine, draagbaar systeem, we hebben alleen optische vezels nodig om de cellen te vangen en te meten."

Door gebruik te maken van optische vezels, Liu zei dat hij optische pincetten kan bouwen die robuuster en 100 keer kleiner zijn dan traditionele versies. Met aanvullend onderzoek, hij zei dat hij gelooft dat hij een klinisch apparaat kan maken ter grootte van een gewone spuit die in een bloedvat kan worden gestoken om individuele cellen op te sluiten. Hij zei dat het pincet zelfs onderdeel zou kunnen zijn van een lab-on-a-chip ter grootte van een postzegel, die een paar laboratoriumfuncties integreert op een geïntegreerd circuit. De chips zouden bij apotheken kunnen worden verkocht, zodat patiënten zichzelf thuis konden testen.

Liu werkt samen met Qi Wen, universitair hoofddocent natuurkunde, en Songbai Ji, universitair hoofddocent biomedische technologie. Promovendi Chaoyang Ti (werktuigbouwkunde), Yao Shen (werktuigbouwkunde), en Minh-Tri Ho-Thanh (natuurkunde) maken ook deel uit van het onderzoeksteam.

Hoewel de klinische toepassingen van het optische vezelpincet enkele jaren kunnen duren, het onderzoeksteam werkt aan de verdere verfijning van het apparaat, het creëren van een nieuw pakket om de broze uiteinden van de optische vezels te beschermen en om het pincet gebruiksvriendelijker te maken voor andere onderzoekers. Ze zijn ook bezig met het vinden van kleine, goedkope laserbronnen en optische detectoren.