Een nieuwe techniek, uitgevonden aan het MIT, kan de relatieve posities van kleine deeltjes meten terwijl ze door een vloeistofkanaal stromen. mogelijk een gemakkelijke manier bieden om de assemblage van nanodeeltjes te volgen, of om te bestuderen hoe massa binnen een cel wordt verdeeld.

Met verdere vorderingen, deze technologie heeft het potentieel om de vorm van objecten in stroom zo klein als virussen op te lossen, zeggen de onderzoekers.

De nieuwe techniek, beschreven in het nummer van 12 mei van Natuurcommunicatie , gebruikt een apparaat dat voor het eerst is ontwikkeld door Scott Manalis en collega's van MIT in 2007. Dat apparaat, bekend als een zwevende microkanaalresonator (SMR), meet de massa van deeltjes terwijl ze door een smal kanaal stromen.

De originele massasensor bestaat uit een met vloeistof gevuld microkanaal dat is geëtst in een kleine siliconen cantilever die trilt in een vacuümholte. Terwijl cellen of deeltjes door het kanaal stromen, een per keer, hun massa verandert enigszins de trillingsfrequentie van de cantilever. Uit die frequentieverandering kunnen de massa's van de deeltjes worden berekend.

In dit onderzoek, wilden de onderzoekers kijken of ze meer informatie konden krijgen over een verzameling deeltjes, zoals hun individuele afmetingen en relatieve posities.

"Met het vorige systeem wanneer een enkel deeltje er doorheen stroomt, kunnen we zijn drijvende massa meten, maar we krijgen geen informatie of het een heel kleine, dicht deeltje, of misschien een grote niet zo dicht deeltje. Het kan een lang filament zijn, of bolvormig, " zegt afstudeerder Nathan Cermak, een van de hoofdauteurs van het artikel.

Postdoc Selim Olcum is ook een hoofdauteur van het artikel; Manalis, de Andrew en Erna Viterbi Professor in de afdelingen Biologische Technologie en Werktuigbouwkunde van het MIT, en lid van MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research, is de senior auteur van de krant.

Veel frequenties

Om informatie over de massaverdeling te verkrijgen, maakten de onderzoekers gebruik van het feit dat elke cantilever, net als een vioolsnaar, heeft veel resonantiefrequenties waarop het kan trillen. Deze frequenties worden modi genoemd.

Het MIT-team bedacht een manier om de cantilever in veel verschillende modi tegelijk te laten trillen, en om te meten hoe elk deeltje de trillingsfrequentie van elke modus op elk punt langs de resonator beïnvloedt. Door de cumulatieve som van deze effecten kunnen de onderzoekers niet alleen de massa, maar ook de positie van elk deeltje.

"Al deze verschillende modi reageren verschillend op de verdeling van massa, zodat we de veranderingen in modusfrequenties kunnen extraheren en gebruiken om te berekenen waar de massa is geconcentreerd in het kanaal, ' zegt Olcum.

De deeltjes stromen in ongeveer 100 milliseconden langs de hele cantilever, dus een belangrijke vooruitgang waardoor de onderzoekers op elk punt langs het kanaal snelle metingen konden doen, was de opname van een controlesysteem dat bekend staat als een fasevergrendelde lus (PLL). Dit heeft een interne oscillator die zijn eigen frequentie aanpast om overeen te komen met de frequentie van een resonatormodus, die verandert als deeltjes er doorheen stromen.

Elke vibratiemodus heeft zijn eigen PLL, die reageert op eventuele veranderingen in de frequentie. Hierdoor kunnen de onderzoekers snel eventuele veranderingen meten die worden veroorzaakt door deeltjes die door het kanaal stromen.

In deze krant, de onderzoekers volgden twee deeltjes terwijl ze samen door een kanaal stroomden, en toonden aan dat ze de massa's en posities van elk deeltje konden onderscheiden terwijl het stroomde. Met behulp van vier vibratiemodi, het apparaat kan een resolutie van ongeveer 150 nanometer bereiken. De onderzoekers berekenden ook dat als ze acht modi zouden kunnen opnemen, ze zouden de resolutie kunnen verbeteren tot ongeveer 4 nanometer.

Massabeeldvorming met hoge resolutie

Deze vooruitgang zou de ontwikkeling kunnen stimuleren van een techniek die bekend staat als inertiële beeldvorming, die gebruikmaakt van verschillende vibratiemodi om een ​​object af te beelden terwijl het op een nanomechanische resonator zit.

Traagheidsbeeldvorming zou wetenschappers in staat kunnen stellen zeer kleine deeltjes te visualiseren, zoals virussen of afzonderlijke moleculen. "Multimode massadetectie was voorheen beperkt tot lucht- of vacuümomgevingen, waar objecten aan de resonator moeten worden bevestigd. Het vermogen om dit dynamisch in flow te bereiken, opent spannende mogelijkheden, ', zegt Manalis.

De nieuwe MIT-technologie kan inertiële beeldvorming met zeer hoge snelheid mogelijk maken terwijl cellen door een kanaal stromen.

"De gesuspendeerde nanokanaaltechnologie die door de Manalis-groep is ontwikkeld, is opmerkelijk, " zegt Michael Roukes, een professor in de natuurkunde, Toegepaste fysica, en bio-engineering bij Caltech, die pioniert in de ontwikkeling van inertiële beeldvorming, maar geen deel uitmaakte van deze studie.

"Hun toepassing van onze aanpak voor gelijktijdige monitoring van positie en massa van de fluïdische analyten opent veel nieuwe mogelijkheden, " zegt Roukes. "Uitbreiding van hun inspanningen om onze recent ontwikkelde methode van inertiële beeldvorming volledig toe te passen, zal het ook mogelijk maken om de vorm van analyten te karakteriseren, naast hun massa en positie, terwijl ze door de nanokanalen stromen."

Het laboratorium van Manalis gebruikt de nieuwe techniek ook om te bestuderen hoe de dichtheden van cellen veranderen als ze door vernauwingen gaan. Dit zou hen kunnen helpen beter te begrijpen hoe kankercellen zich mechanisch gedragen als ze uitzaaien, die door kleine ruimtes moet worden geperst. Ze gebruiken ook de PLL-benadering om de doorvoer te vergroten door veel cantilevers op een enkele chip te gebruiken.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.