211service.com
Små enheter använder ljus för att ta tag i celler
Små optiska enheter som kan fånga små partiklar ur en vätska, med hjälp av fotoner, skulle kunna göra det möjligt att avbilda och identifiera sjukdomsceller på ett chip utan behov av mikroskop. De nya typerna av optiska fällor, utvecklade av fysiker vid Harvard University, är designade för att integreras med mikrofluidiska enheter, av vilka några för närvarande befinner sig i kliniska prövningar för att diagnostisera cancer och övervaka patienternas svar på terapier. Harvardforskarna har visat att deras optiska fällor kan göra på ett chip vad som konventionellt kräver ett stort mikroskop och en kraftfull laser.
Ljuskraft: Ett kiselchip belagt med en guldfilm (mitten), när det belyses av laserljus som lyser genom ett prisma, kan dra ut partiklar ur en flytande lösning som rinner över toppen.
Optiska fällor, en teknik som utvecklades på 1980-talet, kostar vanligtvis tiotusentals dollar och kräver kraftfulla lasrar och mikroskop för att fokusera ljuset på partiklar så små som enstaka atomer. Fotoner har ingen massa, men de har momentum, och att överföra detta momentum till en atom, en molekyl eller en cell gör det möjligt för fysiker att kontrollera partikelns rörelse, hålla den helt stilla för observation eller dra i den för att övervaka dess respons. Sedan deras uppfinning har optiska fällor använts för att göra många grundläggande vetenskapliga framsteg. Men Harvard-gruppen, ledd av docent i elektroteknik Kenneth Crozier , hoppas kunna använda optiska fällor i diagnostiska enheter, vilket gör dem billiga och tillräckligt små för att vara praktiska inom medicin.
De optiska fällorna som utvecklats av Crozier med Harvard-forskarna Ethan Schonbrun och Kai Wang kan fånga partiklar lika starkt som mer komplexa system. Crozier säger att de kompakta fällorna skulle kunna integreras i mikrofluidik och användas för att sortera och avbilda sjukdomsceller i blodet, till exempel. Mikrofluidchip skjuter runt celler i en vätska och styr vanligtvis deras rörelser med hjälp av fysiska barriärer och variationer i tryck och spänning. Croziers optiska fällor kunde försiktigt dra ner cellerna till ytan av ett chip för observation och sedan användas för att sortera cellerna baserat på deras identitet. Gruppen presenterade sina framsteg på årlig konferens av Optical Society of America denna månad i San Jose, CA.
Med hjälp av tillverkningstekniker som är vanliga för halvledarindustrin mönstrade Harvard-forskarna chips med två olika design. Den ena är ett kiselchip mönstrat med en ring med en radie på fem mikrometer. När ljuset belyses av en laser resonerar ljuset runt ringen och genererar en optisk kraft som kan dra partiklar från vätska som strömmar ovanför chipet. En annan är ett chip mönstrat med arrayer av 64 bullseye-mönster. Var och en av dessa kan, när de är upplysta, fånga en strömmande partikel. Dessutom fokuserar dessa mönster ljus på ett sätt som liknar ett mikroskop. Var och en har funktionen av ett konfokalmikroskop och skulle kunna användas för att få en 3D-bild av en cell, säger Crozier.
Fokuseringskraft: Detta chip, monterat med gem på ett mikroskopobjektiv för observation, är mönstrat med guldfilmer 500 nanometer breda. När ljus lyser på guldlinjerna genom ett prisma under chipet, bildar det ytenergivågor som kan fånga partiklar och skjuta fram dem.
Vill man göra cellsortering är kiseloptik en bra väg, säger man Tom Perkins , en fysiker vid National Institute of Standards and Technology i Boulder, CO. Fördelen med kiselsystem jämfört med konventionella optiska fällor, säger Perkins, är kompatibilitet både med mikrofluidik och med de tillverkningsmetoder som redan finns för att göra datorchips.
En tredje design av Croziers är baserad på guldstrukturer som kan generera en form av ljusenergi som kallas plasmoner. När en slät guldfilm belyses kopplas ljuset till ytan i form av ytvågor som kallas plasmoner; krafterna som genereras av dessa vågor är mycket lokaliserade och mycket starka. Crozier har visat att långa, avsmalnande guldfilmer mönstrade på silikonchips kan, när de belyses av ljus som skiner genom ett litet prisma, användas för att dra ner en partikel och sedan trycka den längs guldytan. Genom att ändra vinkeln på ljuset är det möjligt att kontrollera en partikels hastighet. Denna typ av struktur kommer att vara särskilt användbar för cellsortering, säger Crozier.
Dessa typer av system kan så småningom ersätta kliniska laboratorieanordningar som kallas flödescytometrar, säger Holger Schmidt , professor i elektroteknik och chef för Keck Center for Nanoscale Optofluidics vid University of California, Santa Cruz. Dagens flödescytometrar använder skrymmande optiska system för att separera celler i, säg, ett blodprov baserat på deras storlek och form. Chip-skala optik skulle kunna göra samma sak men skulle kosta mycket mindre och kan vara portabel, vilket gör att den kan föras till en patients säng. Schmidt, som har utvecklat kompakta, känsliga optiska system för att fånga cellorganeller och detektera enskilda viruspartiklar, säger att dessa kompakta optiska fällor kan finnas på marknaden om så lite som tre till fem år.