211service.com
Kleine apparaten gebruiken licht om cellen te grijpen
Kleine optische apparaten die kleine deeltjes uit een vloeistof kunnen halen, met behulp van de kracht van fotonen, zouden het mogelijk kunnen maken om ziektecellen op een chip af te beelden en te identificeren zonder dat er microscopen nodig zijn. De nieuwe soorten optische vallen, ontwikkeld door natuurkundigen aan de Harvard University, zijn ontworpen om te worden geïntegreerd met microfluïdische apparaten, waarvan sommige momenteel in klinische onderzoeken worden uitgevoerd voor het diagnosticeren van kanker en het bewaken van de reactie van patiënten op therapieën. De Harvard-onderzoekers hebben aangetoond dat hun optische vallen op een chip kunnen doen wat conventioneel een grote microscoop en een krachtige laser vereist.
Lichte kracht: Een siliciumchip bedekt met een gouden film (midden), wanneer verlicht door laserlicht dat door een prisma schijnt, kan deeltjes uit een vloeibare oplossing trekken die over de bovenkant stroomt.
Optische vallen, een technologie die in de jaren tachtig is ontwikkeld, kost gewoonlijk tienduizenden dollars en vereist krachtige lasers en microscopen om het licht te concentreren op deeltjes zo klein als enkele atomen. Fotonen hebben geen massa, maar ze hebben wel momentum, en door dit momentum over te brengen op een atoom, een molecuul of een cel, kunnen natuurkundigen de beweging van het deeltje controleren, het absoluut stil houden voor observatie, of eraan trekken om zijn reactie te volgen. Sinds hun uitvinding zijn optische vallen gebruikt om veel fundamentele wetenschappelijke vooruitgang te boeken. Maar de Harvard-groep, geleid door universitair hoofddocent elektrotechniek Kenneth Crozier , hoopt optische vallen te gebruiken in diagnostische apparaten, waardoor ze goedkoop en klein genoeg worden om praktisch te zijn in de geneeskunde.
De optische vallen die Crozier samen met Harvard-onderzoekers Ethan Schonbrun en Kai Wang ontwikkelde, kunnen deeltjes net zo sterk vangen als complexere systemen. Crozier zegt dat de compacte vallen kunnen worden geïntegreerd in microfluïdica en bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om ziektecellen in het bloed te sorteren en in beeld te brengen. Microfluïdische chips pendelen cellen rond in een vloeistof en regelen hun bewegingen meestal met behulp van fysieke barrières en variaties in druk en spanning. De optische vallen van Crozier kunnen cellen voorzichtig naar het oppervlak van een chip trekken voor observatie en vervolgens worden gebruikt om de cellen te sorteren op basis van hun identiteit. De groep presenteerde hun vorderingen op de jaarlijkse conferentie van de Optical Society of America deze maand in San Jose, CA.
Met behulp van fabricagetechnieken die gebruikelijk zijn in de halfgeleiderindustrie, hebben de Harvard-onderzoekers chips met twee verschillende ontwerpen gemodelleerd. Een daarvan is een siliciumchip met een patroon van een ring met een straal van vijf micrometer. Wanneer het wordt verlicht door een laser, resoneert het licht rond de ring, waardoor een optische kracht wordt gegenereerd die deeltjes kan trekken uit vloeistof die boven de chip stroomt. Een andere is een chip met een patroon van 64 bullseye-patronen. Elk van deze kan, wanneer verlicht, een stromend deeltje vangen. Bovendien focussen deze patronen het licht op een manier die erg lijkt op een microscoop. Elk heeft de functie van een confocale microscoop en zou kunnen worden gebruikt om een 3D-afbeelding van een cel te maken, zegt Crozier.
Scherpstellend vermogen: Deze chip, gemonteerd met paperclips op een microscoopobjectief voor observatie, is voorzien van een patroon van goudfilms van 500 nanometer breed. Wanneer licht op de gouden lijnen schijnt door een prisma onder de chip, vormt het oppervlakte-energiegolven die deeltjes kunnen vangen en voortduwen.
Als je celsortering wilt doen, is siliciumoptiek een goed pad, zegt Tom Perkins , een fysicus bij het National Institute of Standards and Technology in Boulder, CO. Het voordeel van siliciumsystemen ten opzichte van conventionele optische vallen, zegt Perkins, is compatibiliteit met zowel microfluidica als met de productiemethoden die al bestaan voor het maken van computerchips.
Een derde ontwerp van Crozier's is gebaseerd op goudstructuren die een vorm van lichtenergie kunnen genereren, plasmonen genaamd. Wanneer een gladde goudfilm wordt verlicht, koppelt het licht zich aan het oppervlak in de vorm van oppervlaktegolven die plasmonen worden genoemd; de krachten die door deze golven worden gegenereerd, zijn zeer plaatselijk en zeer sterk. Crozier heeft aangetoond dat lange, taps toelopende goudfilms met patroon op siliciumchips, wanneer ze worden verlicht door licht dat door een klein prisma schijnt, gebruikt kunnen worden om een deeltje naar beneden te trekken en het vervolgens langs het goudoppervlak te duwen. Door de hoek van het licht te veranderen, is het mogelijk om de snelheid van een deeltje te regelen. Dit type structuur zal vooral nuttig zijn voor celsortering, zegt Crozier.
Dit soort systemen kunnen uiteindelijk klinische laboratoriumapparatuur, flowcytometers genaamd, vervangen, zegt Holger Schmidt , hoogleraar elektrotechniek en directeur van het Keck Center for Nanoscale Optofluidics aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz. De huidige flowcytometers gebruiken omvangrijke optische systemen om cellen in bijvoorbeeld een bloedmonster te scheiden op basis van hun grootte en vorm. Optica op chipschaal zou hetzelfde kunnen doen, maar zou veel minder kosten en zou draagbaar kunnen zijn, waardoor ze naar het bed van een patiënt kunnen worden gebracht. Schmidt, die compacte, gevoelige optische systemen heeft ontwikkeld voor het vangen van celorganellen en het detecteren van afzonderlijke virusdeeltjes, zegt dat deze compacte optische vallen binnen drie tot vijf jaar op de markt kunnen komen.