211service.com
Drobná zařízení využívají světlo k zachycení buněk
Drobná optická zařízení, která dokážou zachytit malé částice z kapaliny pomocí síly fotonů, by mohla umožnit zobrazení a identifikaci chorobných buněk na čipu bez potřeby mikroskopů. Nové typy optických pastí, vyvinuté fyziky na Harvardské univerzitě, jsou navrženy tak, aby byly integrovány s mikrofluidními zařízeními, z nichž některá jsou v současné době v klinických studiích pro diagnostiku rakoviny a sledování reakce pacienta na terapie. Vědci z Harvardu prokázali, že jejich optické pasti dokážou na čipu to, co běžně vyžaduje velký mikroskop a výkonný laser.
Světelná síla: Křemíkový čip potažený zlatým filmem (uprostřed), když je osvětlen laserovým světlem prosvítajícím hranolem, může vytáhnout částice z kapalného roztoku proudícího přes vršek.
Optické pasti, technologie vyvinutá v 80. letech 20. století, obvykle stojí desítky tisíc dolarů a vyžadují výkonné lasery a mikroskopy k zaostření světla na částice tak malé, jako jsou jednotlivé atomy. Fotony nemají žádnou hmotnost, ale mají hybnost a přenos této hybnosti na atom, molekulu nebo buňku umožňuje fyzikům řídit pohyb částice, držet ji absolutně nehybnou pro pozorování nebo ji tahat za účelem sledování její reakce. Od svého vynálezu byly optické pasti používány k dosažení mnoha základních vědeckých pokroků. Ale Harvardská skupina vedená docentem elektrotechniky Kenneth Crozier , doufá v použití optických pastí v diagnostických zařízeních, díky nimž budou levné a dostatečně malé, aby byly praktické v medicíně.
Optické pasti vyvinuté Crozierem s výzkumníky z Harvardu Ethanem Schonbrunem a Kai Wangem dokážou zachytit částice stejně silně jako složitější systémy. Crozier říká, že kompaktní pasti by mohly být integrovány do mikrofluidiky a použity například k třídění a zobrazování chorobných buněk v krvi. Mikrofluidní čipy pohybují buňkami v tekutině a obvykle řídí jejich pohyby pomocí fyzických bariér a změn tlaku a napětí. Crozierovy optické pasti by mohly jemně stáhnout buňky dolů na povrch čipu pro pozorování a poté je použít k třídění buněk na základě jejich identity. Skupina prezentovala své pokroky na výroční konference z Optická společnost Ameriky tento měsíc v San Jose, CA.
Pomocí výrobních technik běžných pro polovodičový průmysl vytvořili výzkumníci z Harvardu čipy se dvěma různými vzory. Jedním z nich je křemíkový čip s prstencem o poloměru pěti mikrometrů. Když je osvětleno laserem, světlo rezonuje kolem prstence a vytváří optickou sílu, která může vytáhnout částice z kapaliny proudící nad čipem. Dalším je čip se vzorem polí 64 vzorů bullseye. Každý z nich může při osvětlení zachytit proudící částici. A co víc, tyto vzory zaostřují světlo způsobem, který je velmi podobný mikroskopu. Každý z nich má funkci konfokálního mikroskopu a mohl by být použit k získání 3D obrazu buňky, říká Crozier.
Síla ostření: Tento čip, připevněný pomocí kancelářských sponek na objektiv mikroskopu pro pozorování, je potažen zlatými filmy o šířce 500 nanometrů. Když světlo svítí na zlaté čáry hranolem pod čipem, vytváří povrchové energetické vlny, které mohou zachytit částice a tlačit je podél.
Pokud chcete třídit buňky, křemíková optika je dobrá cesta, říká Tom Perkins , fyzik z National Institute of Standards and Technology v Boulderu, CO. Výhodou křemíkových systémů oproti konvenčním optickým pastím, říká Perkins, je kompatibilita jak s mikrofluidikou, tak s již zavedenými výrobními metodami pro výrobu počítačových čipů.
Třetí návrh Crozier's je založen na zlatých strukturách, které mohou generovat formu světelné energie zvanou plasmony. Když se osvětlí hladký zlatý film, světlo se spojí s povrchem ve formě povrchových vln nazývaných plasmony; síly generované těmito vlnami jsou velmi lokalizované a velmi silné. Crozier prokázal, že dlouhé, zkosené zlaté filmy vzorované na křemíkových čipech mohou být, když jsou osvětleny světlem prosvítajícím malým hranolem, použity ke stažení částice dolů a poté k jejímu zatlačení podél zlatého povrchu. Změnou úhlu světla je možné ovládat rychlost částice. Tento typ struktury bude zvláště užitečný pro třídění buněk, říká Crozier.
Tyto typy systémů by mohly případně nahradit klinicko-laboratorní zařízení nazývaná průtokové cytometry, říká Holger Schmidt , profesor elektrotechniky a ředitel Keck Center for Nanoscale Optofluidics na University of California, Santa Cruz. Dnešní průtokové cytometry používají objemné optické systémy k oddělení buněk, řekněme, krevního vzorku na základě jejich velikosti a tvaru. Čipová optika by mohla dělat totéž, ale stála by mnohem méně a mohla by být přenosná, což by umožnilo její přenesení k lůžku pacienta. Schmidt, který vyvinul kompaktní, citlivé optické systémy pro zachycení buněčných organel a detekci jednotlivých virových částic, říká, že tyto kompaktní optické pasti by mohly být na trhu již za tři až pět let.