(PhysOrg.com) -- Onderzoekers ontwikkelen nieuwe technologieën die een laser en elektrische velden combineren om vloeistoffen en kleine deeltjes zoals bacteriën, virussen en DNA voor een reeks mogelijke toepassingen, van medicijnproductie tot voedselveiligheid.

De technologieën kunnen innovatieve sensoren en analytische apparaten opleveren voor "lab-on-a-chip"-toepassingen, of miniatuurinstrumenten die metingen uitvoeren waarvoor normaal grote laboratoriumapparatuur nodig is, zei Steven T. Wereley, een Purdue University hoogleraar werktuigbouwkunde.

De methode, genaamd "hybride opto-elektrische manipulatie in microfluïdica, " is een potentieel nieuw hulpmiddel voor toepassingen zoals medische diagnostiek, voedsel en water testen, forensisch onderzoek op de plaats delict, en farmaceutische productie.

"Dit is een geavanceerde technologie die de afgelopen tien jaar is ontwikkeld door onderzoek aan een handvol universiteiten, " zei Aloke Kumar, een Wigner Fellow en medewerker van het Oak Ridge National Laboratory.

Hij is hoofdauteur van een artikel over de technologie op de omslag van het 7 juli nummer van Lab op een chip tijdschrift, gepubliceerd door de Royal Society of Chemistry. Het artikel is door de publicatie ook gemarkeerd als een "HOT artikel" en is gratis toegankelijk gemaakt.

Het artikel is geschreven door Wereley; Kumar; Stuart J. Williams, een assistent-professor werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Louisville; Han Sheng Chuang, een assistent-professor bij de afdeling Biomedische Technologie aan de National Cheng Kung University; en Nicolas G. Green, een onderzoeker aan de Universiteit van Southampton.

"Een zeer belangrijk aspect is dat we een integratie van technologieën hebben bereikt die manipulatie over een zeer breed spectrum van lengteschalen mogelijk maakt, " zei Kumar. "Dit stelt ons in staat om niet alleen grote objecten zoals druppeltjes te manipuleren, maar ook kleine DNA-moleculen in druppeltjes door één gecombineerde techniek te gebruiken. Dit kan de efficiëntie van lab-on-a-chip-sensoren aanzienlijk verbeteren."

Kumar, Williams en Chuang zijn oud-promovendi van Purdue die met Wereley hebben gewerkt. Veel van het onderzoek is gebaseerd op het Birck Nanotechnology Centre in Purdue's Discovery Park.

De technologieën zijn klaar voor sommige toepassingen, inclusief medische diagnostiek en omgevingsmonsters, zei Williams.

"Er zijn twee hoofdlijnen in toepassingen, " zei hij. "De eerste is micro- en nanofabricage en de tweede is lab-on-a-chip-sensoren. Deze laatste heeft de afgelopen jaren biologisch relevante toepassingen aangetoond, en de uitbreiding ervan op dit gebied is onmiddellijk en aan de gang."

De technologie werkt door eerst een rode laser te gebruiken om een ​​druppel op een speciaal bij Purdue vervaardigd platform te plaatsen. Volgende, een zeer gerichte infraroodlaser wordt gebruikt om de druppels te verwarmen, en dan zorgen elektrische velden ervoor dat de verwarmde vloeistof circuleert in een "microfluïdische vortex". Deze vortex wordt gebruikt om specifieke soorten deeltjes in de circulerende vloeistof te isoleren, als een microcentrifuge. Deeltjesconcentraties repliceren de grootte, locatie en vorm van het infrarood laserpatroon.

"Dit werkt heel snel, "Zei Wereley. "Het duurt minder dan een seconde voordat deeltjes reageren en uit de oplossing worden gehaald."

Systemen die de hybride opto-elektrische benadering gebruiken, kunnen worden ontworpen om nauwkeurig te detecteren, bepaalde soorten bacteriën manipuleren en screenen, waaronder bepaalde stammen die zware metalen minder giftig maken.

"We schieten voor biologische toepassingen, zoals grondwatersanering, "Zei Wereley. "Zelfs binnen dezelfde bacteriestam zijn sommigen goed in de taak en sommigen niet, en deze technologie maakt het mogelijk om die bacteriën efficiënt van anderen te verwijderen. De bacteriën zouden in de verontreinigde grond kunnen worden geïnjecteerd. Je zaait de grond met de bacteriën, maar eerst moet je een economische manier vinden om het te scheiden."

Purdu-onderzoekers streven ook naar de technologie voor farmaceutische productie, hij zei.

"Dit soort technologie kan heel dynamisch zijn, wat betekent dat je in realtime kunt beslissen om alle deeltjes van één grootte of één type te pakken en ergens neer te zetten, " Zei Wereley. "Dit is belangrijk voor de farmacie omdat een aantal medicijnen wordt vervaardigd uit vaste deeltjes die in vloeistof zijn gesuspendeerd. De deeltjes moeten worden opgevangen en gescheiden van de vloeistof."

Dit proces wordt nu gedaan met behulp van filters en centrifuges.

"Een centrifuge doet hetzelfde, maar het is globaal, het creëert een kracht op elk deeltje, overwegende dat deze nieuwe technologie alleen bepaalde deeltjes specifiek kan isoleren, "Zei Wereley. "We kunnen, zeggen, verzamel alle deeltjes met een diameter van één micron of verwijder alles groter dan twee micron, zodat je dynamisch kunt selecteren welke deeltjes je wilt behouden."

De technologie kan ook worden gebruikt als een hulpmiddel voor nanofabricage omdat het veelbelovend is voor de assemblage van gesuspendeerde deeltjes, colloïden genoemd. De mogelijkheid om objecten te construeren met colloïden maakt het mogelijk om structuren te creëren met bijzondere mechanische en thermische eigenschappen om elektronische apparaten en kleine mechanische onderdelen te vervaardigen. De toepassingen voor nanofabricage zijn nog minstens vijf jaar verwijderd, hij zei.

De technologie kan ook worden gebruikt om fundamentele elektrokinetische krachten van moleculen en biologische structuren te leren, dat is moeilijk te doen met bestaande technologieën.

"Er zijn dus ook zeer fundamentele wetenschappelijke toepassingen van deze technologieën, ' zei Kumar.