Un risonatore a microcanali sospeso (SMR) misura le masse delle particelle mentre scorrono attraverso un canale stretto. Il sensore di massa originale è costituito da un microcanale pieno di liquido inciso in un minuscolo cantilever di silicio che vibra all'interno di una cavità del vuoto. Quando le cellule o le particelle fluiscono attraverso il canale, uno alla volta, la loro massa altera leggermente la frequenza di vibrazione del cantilever. Questa illustrazione mostra un'istantanea di un cantilever che vibra nelle sue prime quattro modalità di risonanza. Attestazione:Selim Olcum
Una nuova tecnica inventata al MIT può misurare le posizioni relative di minuscole particelle mentre fluiscono attraverso un canale fluidico, potenzialmente offrendo un modo semplice per monitorare l'assemblaggio di nanoparticelle, o per studiare come la massa è distribuita all'interno di una cellula.
Con ulteriori progressi, questa tecnologia ha il potenziale per risolvere la forma di oggetti nel flusso piccoli come virus, dicono i ricercatori.
La nuova tecnica, descritto nel numero del 12 maggio di Comunicazioni sulla natura , utilizza un dispositivo sviluppato per la prima volta da Scott Manalis e colleghi del MIT nel 2007. Quel dispositivo, noto come risonatore microcanale sospeso (SMR), misura le masse delle particelle mentre scorrono attraverso un canale stretto.
Il sensore di massa originale è costituito da un microcanale pieno di liquido inciso in un minuscolo cantilever di silicio che vibra all'interno di una cavità del vuoto. Quando le cellule o le particelle fluiscono attraverso il canale, uno alla volta, la loro massa altera leggermente la frequenza di vibrazione del cantilever. Le masse delle particelle possono essere calcolate da quel cambiamento di frequenza.
In questo studio, i ricercatori volevano vedere se potevano ottenere maggiori informazioni su una raccolta di particelle, come le loro dimensioni individuali e le relative posizioni.
"Con il sistema precedente, quando una singola particella scorre attraverso possiamo misurare la sua massa galleggiante, ma non otteniamo alcuna informazione sul fatto che sia molto piccolo, particella densa, o forse un grande, particella poco densa. Potrebbe essere un lungo filamento, o sferico, " dice il dottorando Nathan Cermak, uno degli autori principali del documento.
Il postdoc Selim Olcum è anche uno dei principali autori del documento; Manalis, il Professore Andrew ed Erna Viterbi nei dipartimenti di Ingegneria Biologica e Ingegneria Meccanica del MIT, e membro del Koch Institute for Integrative Cancer Research del MIT, è l'autore senior del documento.
Molte frequenze
Questa immagine animata mostra più modalità di vibrazione. Il pannello superiore raffigura un cantilever che oscilla simultaneamente nei suoi primi quattro modi vibrazionali. Il pannello in basso a sinistra mostra una particella che scorre attraverso il canale microfluidico integrato nel cantilever. Accanto a questo c'è un'animazione delle quattro forme di modalità vibrazionale. Il pannello in basso a destra mostra le deviazioni delle frequenze di risonanza di queste modalità. Attestazione:Selim Olcum
Per ottenere informazioni sulla distribuzione di massa, i ricercatori hanno approfittato del fatto che ogni cantilever, proprio come una corda di violino, ha molte frequenze di risonanza alle quali può vibrare. Queste frequenze sono note come modalità.
Il team del MIT ha trovato un modo per far vibrare il cantilever in molti modi diversi contemporaneamente, e misurare come ogni particella influenza la frequenza di vibrazione di ogni modo in ogni punto lungo il risonatore. La somma cumulativa di questi effetti consente ai ricercatori di determinare non solo la massa, ma anche la posizione di ogni particella.
"Tutte queste diverse modalità reagiscono in modo diverso alla distribuzione della massa, così possiamo estrarre i cambiamenti nelle frequenze di modo e usarlo per calcolare dove si concentra la massa all'interno del canale, " dice Olcum.
Le particelle scorrono lungo l'intero cantilever in circa 100 millisecondi, quindi un progresso chiave che ha permesso ai ricercatori di effettuare misurazioni rapide in ogni punto lungo il canale è stata l'incorporazione di un sistema di controllo noto come anello ad aggancio di fase (PLL). Questo ha un oscillatore interno che regola la propria frequenza in modo che corrisponda alla frequenza di una modalità risonatore, che cambia al passaggio delle particelle.
Ogni modalità di vibrazione ha il proprio PLL, che risponde a qualsiasi variazione di frequenza. Ciò consente ai ricercatori di misurare rapidamente eventuali cambiamenti causati dalle particelle che fluiscono attraverso il canale.
In questo documento, i ricercatori hanno tracciato due particelle mentre scorrevano insieme attraverso un canale, e mostrarono di poter distinguere le masse e le posizioni di ogni particella mentre scorreva. Utilizzando quattro modalità vibrazionali, il dispositivo può raggiungere una risoluzione di circa 150 nanometri. I ricercatori hanno anche calcolato che se potessero incorporare otto modalità, potrebbero migliorare la risoluzione a circa 4 nanometri.
Imaging di massa ad alta risoluzione
Questo progresso potrebbe aiutare a stimolare lo sviluppo di una tecnica nota come imaging inerziale, che utilizza diverse modalità di vibrazione per l'immagine di un oggetto mentre si trova su un risonatore nanomeccanico.
L'imaging inerziale potrebbe consentire agli scienziati di visualizzare particelle molto piccole, come virus o singole molecole. "Il rilevamento di massa multimodale è stato precedentemente limitato ad ambienti con aria o vuoto, dove gli oggetti devono essere attaccati al risonatore. La capacità di raggiungere questo obiettivo dinamicamente nel flusso apre possibilità entusiasmanti, "dice Manalis.
La nuova tecnologia del MIT potrebbe consentire l'imaging inerziale ad altissima velocità mentre le cellule fluiscono attraverso un canale.
"La tecnologia dei nanocanali sospesi lanciata dal gruppo Manalis è notevole, "dice Michael Roukes, un professore di fisica, fisiche applicate, e bioingegneria al Caltech, che è pioniere nello sviluppo dell'imaging inerziale, ma non faceva parte di questo studio.
"La loro applicazione del nostro approccio per il monitoraggio simultaneo della posizione e della massa degli analiti fluidici apre molte nuove possibilità, " dice Roukes. "L'estensione dei loro sforzi per impiegare pienamente il nostro metodo di imaging inerziale recentemente sviluppato consentirà anche di caratterizzare la forma degli analiti, oltre alla loro massa e posizione, mentre scorrono attraverso i nanocanali."
Il laboratorio di Manalis sta anche utilizzando la nuova tecnica per studiare come cambiano le densità delle cellule mentre passano attraverso le costrizioni. Questo potrebbe aiutarli a capire meglio come si comportano meccanicamente le cellule tumorali mentre metastatizzano, che richiede spremere attraverso piccoli spazi. Stanno anche usando l'approccio PLL per aumentare il throughput operando molti cantilever su un singolo chip.
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.
