Il National Institute of Standards and Technology (NIST) ha depositato una domanda di brevetto provvisoria per un sistema di misurazione del microflusso, delle dimensioni di un nichelino, in grado di tracciare il movimento di quantità estremamente piccole di liquidi, fino a nanolitri (nL, miliardesimo di litro) al minuto. Se l'acqua scorresse a quella velocità da una bottiglia d'acqua da 1 litro, ci vorrebbero circa 200 anni per drenare.

L'invenzione è progettata per soddisfare un'esigenza urgente nel campo in rapida espansione della microfluidica, in cui è fondamentale misurare con precisione piccole portate. Per esempio, alcune pompe per la somministrazione di farmaci erogano solo decine di nL al minuto nel flusso sanguigno. Per confronto, una singola goccia d'acqua ne contiene 50, 000 nL. Diagnostica clinica, ricerca chimica, smistamento e conteggio delle cellule, e anche la microproduzione a flusso continuo, essenzialmente piccole fabbriche che lavorano ininterrottamente per produrre piccole quantità di liquidi, richiedono sempre più misurazioni accurate di volumi altrettanto minuscoli.

Ma gli attuali dispositivi allo stato dell'arte utilizzati per misurare il flusso su quella scala hanno uno o più limiti operativi. "Alcuni richiedono calibrazione, altri usano complessi sistemi di imaging e microscopi; alcuni prendono i dati per molti minuti, e quindi, non è possibile tenere traccia delle modifiche dinamiche, e alcuni non sono riconducibili al Sistema Internazionale di Unità, " ha detto l'inventore Greg Cooksey, un ingegnere biomedico nel Laboratorio di Misurazione Fisica del NIST.

Il suo sistema di misurazione del microflusso ottico, fabbricato presso il Center for Nanoscale Science and Technology del NIST, evita queste complicazioni. Monitora la velocità delle molecole fluorescenti in un liquido mentre viaggiano lungo un canale della larghezza di un capello umano, misurare l'intervallo di tempo tra le risposte delle molecole a due impulsi laser separati.

In un microcanale scorre un fluido pieno di molecole fluorescenti che emettono luce verde se esposte a una specifica lunghezza d'onda della luce blu. Però, queste molecole sono state modificate chimicamente per prevenire la fluorescenza. Ad un certo punto del canale, un laser ultravioletto distrugge la modificazione chimica di alcune molecole. In un altro punto del canale, un laser blu provoca la fluorescenza di queste molecole nude. I ricercatori determinano la portata misurando il tempo trascorso tra la rimozione della modifica chimica e la fluorescenza.

Per contrassegnare esattamente un punto di riferimento dell'ora di inizio, un impulso laser ultravioletto (con una lunghezza d'onda di 375 nm) viene sparato lungo una guida d'onda ottica e nel canale. Là, l'impulso colpisce una molecola fluorescente ("ingabbiata") chimicamente protetta che si muove nel flusso. "La molecola non può diventare fluorescente finché non la attiviamo con l'impulso UV, " disse Cooksey. "Questo, in effetti, accende la molecola mentre la sua gabbia viene distrutta dal laser. A quel punto, la molecola diventa sensibile all'eccitazione della luce."

Dopo che la molecola attivata ha percorso 250 micrometri, circa lo spessore di una carta da gioco, a valle del canale, attraversa il percorso di un laser blu (488 nm).

La molecola assorbe la luce blu ed emette immediatamente luce verde (520 nm). Quell'emissione viaggia lungo una guida d'onda fino a un misuratore di potenza ottica che misura continuamente i cambiamenti nell'intensità della luce emessa a una velocità di 250, 000 volte al secondo.

I segnali di emissione vengono confrontati con la temporizzazione degli impulsi di attivazione iniziali per determinare l'intervallo trascorso. Più veloce è il flusso, il minor tempo tra attivazione ed emissione.

La portata è dedotta da accurate misurazioni del tempo tra gli impulsi laser e le dimensioni del canale, e tali misurazioni vengono perfezionate con calcoli del modello di flusso tra le misurazioni di attivazione e di emissione. Perciò, il flussometro non richiede calibrazione utilizzando uno standard di flusso indipendente. Inoltre, è più sensibile della maggior parte delle tecnologie convenzionali, e fornisce dati continui in tempo reale con una risoluzione dell'ordine di 1 millisecondo.

L'invenzione è anche in grado di fungere da citometro a flusso, un dispositivo che conta, o comunque misure, proprietà delle cellule biologiche in un flusso fluido. Esistono molti modi per ingegnerizzare le cellule in modo che contengano "biomarcatori" fluorescenti di vario tipo, che possono essere misurati mentre passano davanti ai rivelatori nel dispositivo NIST.

"Questo è ciò che stiamo cercando di costruire oltre alla misurazione del flusso di precisione:una piattaforma per misurazioni biologiche di prossima generazione, " disse Cooksey. "Per esempio, a causa della tempistica precisa incorporata nel sistema, possiamo condurre studi 'time-lapse' del metabolismo cellulare, dove le cellule sono caricate con materiali fluorescenti la cui emissione cambia in proporzione al loro metabolismo."

Tali informazioni saranno utili per studi sul cancro, poiché è noto che le cellule tumorali hanno tassi di metabolismo elevati. "Potremmo fare tutte le misurazioni che vogliamo a valle, " disse Cooksey. "Potremmo usare 10 di questi punti di interrogazione ottici, ciascuno separato da, dire, 100 millisecondi, e monitorare il declino della produzione di luce in ogni cella nel tempo."

In alternativa, Cooksey ha detto, potrebbero anche indagare sull'afflusso di calcio. "Molti tipi di cellule usano il calcio per la segnalazione, quindi se carichiamo la cella con un colorante sensibile al calcio, il colorante risponderà al variare della concentrazione di calcio.

Ciò ci consentirebbe di osservare i cambiamenti in tempo reale in funzioni come la comunicazione neurale o l'attivazione della morte cellulare programmata".

Una domanda di brevetto provvisoria, segnando l'inizio del processo di brevetto, è stato depositato.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.