En ny teknik som uppfanns vid MIT kan mäta de relativa positionerna för små partiklar när de strömmar genom en fluidkanal, potentiellt erbjuda ett enkelt sätt att övervaka sammansättningen av nanopartiklar, eller för att studera hur massan är fördelad inom en cell.

Med ytterligare framsteg, denna teknik har potential att lösa formen på objekt i flöde så små som virus, säger forskarna.

Den nya tekniken, beskrivs i 12 maj-numret av Naturkommunikation , använder en enhet som först utvecklades av MIT:s Scott Manalis och kollegor 2007. Den enheten, känd som en suspenderad mikrokanalresonator (SMR), mäter partiklarnas massa när de strömmar genom en smal kanal.

Den ursprungliga masssensorn består av en vätskefylld mikrokanal etsad i en liten kiselkonsol som vibrerar inuti ett vakuumhålrum. När celler eller partiklar strömmar genom kanalen, en i taget, deras massa förändrar konsolens vibrationsfrekvens något. Massorna av partiklarna kan beräknas från den förändringen i frekvens.

I den här studien, forskarna ville se om de kunde få mer information om en samling partiklar, såsom deras individuella storlekar och relativa positioner.

"Med det tidigare systemet, när en enda partikel strömmar igenom kan vi mäta dess flytande massa, men vi får ingen information om huruvida det är en mycket liten, tät partikel, eller kanske en stor, inte så tät partikel. Det kan vara en lång filament, eller sfärisk, " säger doktorand Nathan Cermak, en av tidningens huvudförfattare.

Postdoc Selim Olcum är också en huvudförfattare till uppsatsen; Manalis, Andrew och Erna Viterbi professor vid MIT:s avdelningar för biologisk teknik och maskinteknik, och medlem av MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research, är tidningens seniorförfattare.

Många frekvenser

För att få information om massdistributionen, forskarna utnyttjade det faktum att varje konsol, ungefär som en fiolsträng, har många resonansfrekvenser vid vilka den kan vibrera. Dessa frekvenser är kända som lägen.

MIT-teamet kom på ett sätt att vibrera konsolen i många olika lägen samtidigt, och att mäta hur varje partikel påverkar vibrationsfrekvensen för varje läge vid varje punkt längs resonatorn. Den kumulativa summan av dessa effekter gör det möjligt för forskarna att bestämma inte bara massan, men också positionen för varje partikel.

"Alla dessa olika lägen reagerar olika på fördelningen av massa, så vi kan extrahera förändringarna i modfrekvenser och använda det för att beräkna var massan är koncentrerad i kanalen, säger Olcum.

Partiklarna flyter längs hela fribäraren på cirka 100 millisekunder, så ett viktigt framsteg som gjorde det möjligt för forskarna att göra snabba mätningar vid varje punkt längs kanalen var inkorporeringen av ett kontrollsystem känt som en faslåst slinga (PLL). Denna har en intern oscillator som justerar sin egen frekvens för att motsvara frekvensen för ett resonatorläge, som förändras när partiklar strömmar igenom.

Varje vibrationsläge har sin egen PLL, som reagerar på eventuella förändringar i frekvensen. Detta gör det möjligt för forskarna att snabbt mäta alla förändringar som orsakas av partiklar som strömmar genom kanalen.

I det här pappret, forskarna spårade två partiklar när de strömmade genom en kanal tillsammans, och visade att de kunde särskilja massorna och positionerna för varje partikel när den flödade. Med hjälp av fyra vibrationslägen, enheten kan uppnå en upplösning på cirka 150 nanometer. Forskarna beräknade också att om de kunde införliva åtta lägen, de skulle kunna förbättra upplösningen till cirka 4 nanometer.

Högupplöst massavbildning

Detta framsteg kan hjälpa till att stimulera utvecklingen av en teknik som kallas tröghetsavbildning, som använder sig av flera vibrationslägen för att avbilda ett objekt när det sitter på en nanomekanisk resonator.

Tröghetsavbildning kan göra det möjligt för forskare att visualisera mycket små partiklar, såsom virus eller enstaka molekyler. "Multimod massavkänning har tidigare varit begränsad till luft- eller vakuummiljöer, där föremål måste fästas på resonatorn. Förmågan att uppnå detta dynamiskt i flöde öppnar spännande möjligheter, " säger Manalis.

Den nya MIT-tekniken kan möjliggöra tröghetsavbildning med mycket hög hastighet när celler strömmar genom en kanal.

"Den suspenderade nanokanaltekniken som banat väg för Manalis-gruppen är anmärkningsvärd, " säger Michael Roukes, professor i fysik, tillämpad fysik, och bioteknik på Caltech, som är banbrytande för utvecklingen av tröghetsavbildning men var inte en del av denna studie.

"Deras tillämpning av vårt tillvägagångssätt för samtidig övervakning av position och massa av fluidanalyterna öppnar många nya möjligheter, ", säger Roukes. "Utvidgning av deras ansträngningar att fullt ut använda vår nyligen utvecklade metod för tröghetsavbildning kommer också att möjliggöra karakterisering av formen på analyter, förutom deras massa och position, när de flödar genom nanokanalerna."

Manalis labb använder också den nya tekniken för att studera hur cellers täthet förändras när de passerar genom förträngningar. Detta kan hjälpa dem att bättre förstå hur cancerceller beter sig mekaniskt när de metastaserar, vilket kräver att man klämmer sig igenom små utrymmen. De använder också PLL-metoden för att öka genomströmningen genom att manövrera många konsoler på ett enda chip.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.