211service.com
Små enheder bruger lys til at gribe celler
Små optiske enheder, der kan gribe små partikler ud af en væske, ved hjælp af fotonernes kraft, kunne gøre det muligt at afbilde og identificere sygdomsceller på en chip uden behov for mikroskoper. De nye typer optiske fælder, udviklet af fysikere ved Harvard University, er designet til at blive integreret med mikrofluidiske enheder, hvoraf nogle i øjeblikket er i kliniske forsøg til diagnosticering af cancer og overvågning af patientrespons på terapier. Harvard-forskerne har vist, at deres optiske fælder kan gøre på en chip, hvad der konventionelt kræver et stort mikroskop og en kraftig laser.
Lys kraft: En siliciumchip belagt med en guldfilm (i midten), når den belyses af laserlys, der skinner gennem et prisme, kan trække partikler ud af en flydende opløsning, der flyder over toppen.
Optiske fælder, en teknologi udviklet i 1980'erne, koster normalt titusindvis af dollars og kræver kraftige lasere og mikroskoper for at fokusere lyset på partikler så små som enkelte atomer. Fotoner har ingen masse, men de har momentum, og overførsel af dette momentum til et atom, et molekyle eller en celle gør det muligt for fysikere at kontrollere partiklens bevægelse, holde den helt stille til observation eller trække i den for at overvåge dens respons. Siden deres opfindelse er optiske fælder blevet brugt til at gøre mange grundlæggende videnskabelige fremskridt. Men Harvard-gruppen, ledet af lektor i elektroteknik Kenneth Crozier , håber at bruge optiske fælder i diagnostiske enheder, hvilket gør dem billige og små nok til at være praktiske inden for medicin.
De optiske fælder udviklet af Crozier sammen med Harvard-forskerne Ethan Schonbrun og Kai Wang kan fange partikler lige så stærkt som mere komplekse systemer. Crozier siger, at de kompakte fælder kunne integreres i mikrofluidik og bruges til for eksempel at sortere og afbilde sygdomsceller i blodet. Mikrofluidchips skubber celler rundt i en væske og styrer typisk deres bevægelser ved hjælp af fysiske barrierer og variationer i tryk og spænding. Croziers optiske fælder kunne forsigtigt trække celler ned til overfladen af en chip til observation og derefter bruges til at sortere cellerne baseret på deres identitet. Gruppen præsenterede deres fremskridt på årlige konference af Optical Society of America denne måned i San Jose, CA.
Ved at bruge fremstillingsteknikker, der er fælles for halvledende industri, mønstrede Harvard-forskerne chips med to forskellige designs. Den ene er en siliciumchip mønstret med en ring med en radius på fem mikrometer. Når lyset belyses af en laser, resonerer lyset rundt om ringen og genererer en optisk kraft, der kan trække partikler fra væske, der flyder over chippen. En anden er en chip mønstret med arrays af 64 bullseye-mønstre. Hver af disse kan, når de er belyst, fange en strømmende partikel. Desuden fokuserer disse mønstre lys på en måde, der minder meget om et mikroskop. Hver har funktionen af et konfokalt mikroskop og kunne bruges til at få et 3D-billede af en celle, siger Crozier.
Fokuseringskraft: Denne chip, monteret med papirclips på et mikroskopobjektiv til observation, er mønstret med guldfilm 500 nanometer bred. Når lys skinner på guldlinjerne gennem et prisme under chippen, danner det overfladeenergibølger, der kan fange partikler og skubbe dem videre.
Hvis du vil lave cellesortering, er siliciumoptik en god vej, siger Tom Perkins , en fysiker ved National Institute of Standards and Technology i Boulder, CO. Fordelen ved siliciumsystemer i forhold til konventionelle optiske fælder, siger Perkins, er kompatibilitet både med mikrofluidik og med de fremstillingsmetoder, der allerede er på plads til fremstilling af computerchips.
Et tredje design af Crozier's er baseret på guldstrukturer, der kan generere en form for lysenergi kaldet plasmoner. Når en glat guldfilm oplyses, kobler lyset sig til overfladen i form af overfladebølger kaldet plasmoner; kræfterne genereret af disse bølger er meget lokaliserede og meget stærke. Crozier har demonstreret, at lange, tilspidsede guldfilm mønstret på siliciumchips kan, når de er oplyst af lys, der skinner gennem et lille prisme, bruges til at trække en partikel ned og derefter skubbe den langs guldoverfladen. Ved at ændre lysets vinkel er det muligt at kontrollere en partikels hastighed. Denne type struktur vil være særlig nyttig til cellesortering, siger Crozier.
Disse typer systemer kan i sidste ende erstatte klinisk laboratorieudstyr kaldet flowcytometre, siger Holger Schmidt , professor i elektroteknik og direktør for Keck Center for Nanoscale Optofluidics ved University of California, Santa Cruz. Nutidens flowcytometre bruger voluminøse optiske systemer til at adskille celler i for eksempel en blodprøve baseret på deres størrelse og form. Chip-skala optik kunne gøre det samme, men ville koste meget mindre og kunne være bærbart, hvilket gør det muligt at bringe dem til en patients seng. Schmidt, som har udviklet kompakte, følsomme optiske systemer til at fange celleorganeller og detektere enkelte viruspartikler, siger, at disse kompakte optiske fælder kan være på markedet om så få som tre til fem år.