Het National Institute of Standards and Technology (NIST) heeft een voorlopige octrooiaanvraag ingediend voor een microflow-meetsysteem, ongeveer de grootte van een nikkel, die de beweging van extreem kleine hoeveelheden vloeistoffen kan volgen - zo klein als nanoliters (nL, miljardste liter) per minuut. Als er met die snelheid water uit een fles water van 1 liter zou stromen, het zou ongeveer 200 jaar duren om af te voeren.

De uitvinding is ontworpen om te voorzien in een dringende behoefte op het snelgroeiende gebied van microfluïdica, waarin het nauwkeurig meten van kleine stroomsnelheden van cruciaal belang is. Bijvoorbeeld, sommige pompen voor de toediening van medische medicijnen geven slechts tientallen nL per minuut af in de bloedbaan. Ter vergelijking, een enkele druppel water bevat 50, 000 nl. Klinische diagnostiek, chemisch onderzoek, cel sorteren en tellen, en microproductie met continue stroom - in wezen kleine fabrieken die non-stop werken om kleine hoeveelheden vloeistoffen te maken - vereisen ook steeds meer nauwkeurige metingen van vergelijkbare minuscule volumes.

Maar de huidige state-of-the-art apparaten die worden gebruikt om stroming op die schaal te meten, hebben een of meer operationele beperkingen. "Sommige vereisen kalibratie, anderen gebruiken complexe beeldvormingssystemen en microscopen; sommige nemen de gegevens vele minuten in beslag, en daarom, kan dynamische veranderingen niet volgen, en sommige zijn niet te herleiden tot het Internationale Stelsel van Eenheden, " zei uitvinder Greg Cooksey, een biomedisch ingenieur in het Physical Measurement Laboratory van NIST.

Zijn optische microflow-meetsysteem, gefabriceerd bij NIST's Center for Nanoscale Science and Technology, voorkomt deze complicaties. Het bewaakt de snelheid van fluorescerende moleculen in vloeistof terwijl ze door een kanaal gaan over de breedte van een mensenhaar, het meten van het tijdsinterval tussen de reacties van de moleculen op twee afzonderlijke laserpulsen.

Door een microkanaal stroomt een vloeistof gevuld met fluorescerende moleculen die groen licht uitstralen wanneer ze worden blootgesteld aan een specifieke golflengte van blauw licht. Echter, deze moleculen zijn chemisch gemodificeerd om fluorescentie te voorkomen. Op een bepaald punt in het kanaal een ultraviolette laser vernietigt de chemische modificatie van sommige moleculen. Op een ander punt in het kanaal, een blauwe laser zorgt ervoor dat deze kale moleculen fluoresceren. Onderzoekers bepalen de stroomsnelheid door de verstreken tijd tussen het verwijderen van de chemische modificatie en de fluorescentie te meten.

Om een ​​referentiepunt voor de starttijd exact te markeren, een ultraviolette laserpuls (met een golflengte van 375 nm) wordt afgevuurd langs een optische golfgeleider en in het kanaal. Daar, de puls treft een chemisch beschermd ("gekooid") fluorescerend molecuul dat in de stroom beweegt. "Het molecuul kan niet fluoresceren totdat we het activeren met de UV-puls, ' zei Cooksey. 'Dat, in werkelijkheid, zet het molecuul 'aan' als zijn kooi wordt vernietigd door de laser. Op dat punt, het molecuul reageert op excitatie door licht."

Nadat het geactiveerde molecuul 250 micrometer - ongeveer de dikte van een speelkaart - stroomafwaarts in het kanaal heeft afgelegd, het kruist het pad van een blauwe laser (488 nm).

Het molecuul absorbeert het blauwe licht en straalt direct groen licht uit (520 nm). Die emissie gaat door een golfgeleider naar een optische vermogensmeter die continu veranderingen in de intensiteit van het uitgestraalde licht meet met een snelheid van 250, 000 keer per seconde.

De emissiesignalen worden vergeleken met de timing van de initiële activeringspulsen om het verstreken interval te bepalen. Hoe sneller de stroom, hoe korter de tijd tussen activering en emissie.

Het debiet wordt afgeleid uit zorgvuldige metingen van de tijd tussen laserpulsen en de kanaalafmetingen, en die metingen worden verfijnd met berekeningen van het stroompatroon tussen activerings- en emissiemetingen. Daarom, de flowmeter hoeft niet te worden gekalibreerd met behulp van een onafhankelijke flowstandaard. In aanvulling, het is gevoeliger dan de meeste conventionele technologieën, en biedt continue realtime gegevens met een resolutie in de orde van 1 milliseconde.

De uitvinding kan ook dienen als een flowcytometer - een apparaat dat telt, of anderszins maatregelen, eigenschappen van biologische cellen in een vloeistofstroom. Er zijn veel manieren om cellen te manipuleren zodat ze fluorescerende "biomarkers" van verschillende soorten bevatten, die kunnen worden gemeten terwijl ze langs de detectoren in het NIST-apparaat stromen.

"Dat is wat we proberen te bouwen naast nauwkeurige stroommeting - een platform voor biologische metingen van de volgende generatie, ' zei Cooksey. 'Bijvoorbeeld, vanwege de nauwkeurige timing die in het systeem is ingebouwd, we kunnen 'time-lapse'-onderzoeken doen naar het celmetabolisme, waar cellen zijn geladen met fluorescerende materialen waarvan de emissie verandert in verhouding tot hun metabolisme."

Dergelijke informatie zal nuttig zijn voor onderzoek naar kanker, omdat het bekend is dat kankercellen een verhoogde stofwisseling hebben. "We kunnen stroomafwaarts zoveel metingen doen als we willen, Cooksey zei. "We zouden 10 van deze optische ondervragingspunten kunnen gebruiken, elk gescheiden door, zeggen, 100 milliseconden, en volg de afname van de lichtopbrengst in elke cel door de tijd heen."

Alternatief, Cooksey zei, ze zouden ook de calciuminstroom kunnen onderzoeken. "Veel soorten cellen gebruiken calcium voor signalering, dus als we de cel laden met een calciumgevoelige kleurstof, de kleurstof zal reageren als de calciumconcentratie verandert.

Dat zou ons in staat stellen om in realtime veranderingen te zien in functies zoals neurale communicatie of het activeren van geprogrammeerde celdood."

Een voorlopige octrooiaanvraag, het begin van het octrooiproces markeren, is ingediend.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.