211service.com
Małe urządzenia wykorzystują światło do chwytania komórek
Niewielkie urządzenia optyczne, które mogą wychwytywać małe cząsteczki z cieczy, wykorzystując siłę fotonów, mogą umożliwić obrazowanie i identyfikację komórek chorobowych na chipie bez konieczności stosowania mikroskopów. Nowe typy pułapek optycznych, opracowane przez fizyków z Uniwersytetu Harvarda, są przeznaczone do integracji z urządzeniami mikroprzepływowymi, z których część znajduje się obecnie w badaniach klinicznych dotyczących diagnozowania raka i monitorowania odpowiedzi pacjenta na terapie. Naukowcy z Harvardu wykazali, że ich pułapki optyczne mogą zrobić na chipie to, co zwykle wymaga dużego mikroskopu i potężnego lasera.
Siła światła: Chip krzemowy pokryty warstwą złota (w środku), oświetlony światłem laserowym przechodzącym przez pryzmat, może wyciągać cząsteczki z płynnego roztworu przepływającego nad wierzchołkiem.
Pułapki optyczne, technologia opracowana w latach 80., zwykle kosztują dziesiątki tysięcy dolarów i wymagają potężnych laserów i mikroskopów do skupiania światła na cząsteczkach tak małych jak pojedyncze atomy. Fotony nie mają masy, ale mają pęd, a przeniesienie tego pędu na atom, cząsteczkę lub komórkę umożliwia fizykom kontrolowanie ruchu cząstki, utrzymywanie jej absolutnie nieruchomo do obserwacji lub ciągnięcie za nią, aby monitorować jej reakcję. Od czasu ich wynalezienia pułapki optyczne są wykorzystywane do wielu podstawowych postępów w nauce. Ale grupa z Harvardu, kierowana przez profesora nadzwyczajnego elektrotechniki Kenneth Crozier , ma nadzieję na wykorzystanie pułapek optycznych w urządzeniach diagnostycznych, dzięki czemu będą one wystarczająco tanie i wystarczająco małe, aby były praktyczne w medycynie.
Pułapki optyczne opracowane przez Croziera wraz z badaczami z Harvardu, Ethanem Schonbrunem i Kai Wangiem, mogą łapać cząstki równie silnie, jak bardziej złożone układy. Crozier mówi, że kompaktowe pułapki można by zintegrować z mikroprzepływami i wykorzystać na przykład do sortowania i obrazowania komórek chorobowych we krwi. Mikroprzepływowe chipy przemieszczają komórki w płynie i zazwyczaj kontrolują ich ruchy za pomocą fizycznych barier oraz zmian ciśnienia i napięcia. Pułapki optyczne Croziera mogą delikatnie ściągać komórki na powierzchnię chipa w celu obserwacji, a następnie służyć do sortowania komórek na podstawie ich tożsamości. Grupa zaprezentowała swoje postępy podczas doroczna konferencja z Amerykańskie Towarzystwo Optyczne w tym miesiącu w San Jose w Kalifornii.
Wykorzystując techniki produkcyjne wspólne dla przemysłu półprzewodników, naukowcy z Harvardu wzorowali chipy w dwóch różnych konstrukcjach. Jednym z nich jest krzemowy układ scalony z wzorem pierścienia o promieniu pięciu mikrometrów. Po oświetleniu laserem światło rezonuje wokół pierścienia, generując siłę optyczną, która może wyciągać cząsteczki z cieczy przepływającej nad chipem. Innym jest chip wzorzysty z tablicami 64 wzorów bullseye. Każdy z nich może, po oświetleniu, zatrzymać przepływającą cząsteczkę. Co więcej, te wzorce skupiają światło w sposób bardzo podobny do mikroskopu. Każdy z nich pełni funkcję mikroskopu konfokalnego i można go wykorzystać do uzyskania trójwymiarowego obrazu komórki, mówi Crozier.
Moc skupienia: Ten chip, przymocowany spinaczami do papieru na obiektywie mikroskopu do obserwacji, jest wzorowany na złotych filmach o szerokości 500 nanometrów. Kiedy światło pada na złote linie przez pryzmat pod chipem, tworzy powierzchniowe fale energii, które mogą zatrzymywać cząsteczki i popychać je.
Jeśli chcesz sortować komórki, optyka krzemowa to dobra ścieżka, mówi Toma Perkinsa , fizyk z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii w Boulder w stanie Kolorado. Przewaga systemów krzemowych nad konwencjonalnymi pułapkami optycznymi, mówi Perkins, polega na kompatybilności zarówno z mikroprzepływami, jak i już stosowanymi metodami wytwarzania chipów komputerowych.
Trzeci projekt Croziera opiera się na złotych strukturach, które mogą generować energię świetlną zwaną plazmonami. Kiedy gładka warstwa złota jest oświetlona, światło łączy się z powierzchnią w postaci fal powierzchniowych zwanych plazmonami; siły generowane przez te fale są bardzo zlokalizowane i bardzo silne. Crozier zademonstrował, że długie, zwężające się ku górze warstwy złota wzorzyste na chipach krzemowych, po oświetleniu światłem przechodzącym przez mały pryzmat, mogą być używane do ściągania cząsteczki w dół, a następnie przesuwania jej wzdłuż złotej powierzchni. Zmieniając kąt padania światła, można kontrolować prędkość cząstki. Ten rodzaj struktury będzie szczególnie przydatny do sortowania komórek, mówi Crozier.
Mówi się, że tego typu systemy mogą ostatecznie zastąpić urządzenia kliniczno-laboratoryjne zwane cytometrami przepływowymi Holger Schmidt , profesor inżynierii elektrycznej i dyrektor Keck Center for Nanoscale Optofluidics na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz. Dzisiejsze cytometry przepływowe wykorzystują nieporęczne systemy optyczne do oddzielania komórek na przykład w próbce krwi na podstawie ich wielkości i kształtu. Optyka w skali chipa mogłaby zrobić to samo, ale kosztowałaby znacznie mniej i mogłaby być przenośna, umożliwiając przenoszenie ich do łóżka pacjenta. Schmidt, który opracował kompaktowe, czułe systemy optyczne do wychwytywania organelli komórkowych i wykrywania pojedynczych cząstek wirusa, mówi, że te kompaktowe pułapki optyczne mogą pojawić się na rynku już za trzy do pięciu lat.