Kan kemister vara redo att kasta det ärevördiga provröret, själva symbolen för kemi i många människors medvetande? Kanske inte riktigt än, men Caltechs Jack Beauchamp jobbar på det.

Beauchamp arbetar med vad han kallar "lab-in-a-drop" kemi, där kemiska reaktioner utförs i en droppe vätska suspenderad i luften genom akustisk levitation.

Akustisk levitation fungerar genom att skapa områden med högt och lågt tryck i luften med hjälp av ultraljudsgivare. Dessa givare fungerar som små men kraftfulla högtalare som arbetar med en frekvens över vad mänskliga öron kan höra. Ljudenergin som sänds ut av dessa givare är fokuserad på ett sådant sätt att hög- och lågtryckszonerna de skapar bildar "fällor" som kan hålla små föremål på plats i luften. Ett föremål placerat i en av lågtryckszonerna hålls där av högtryckszonerna som omger det. En akustisk levitator av detta slag kan konstrueras för cirka $75 från hyllplansdelar med hjälp av 3D-utskriftstekniker.

I en ny tidning, Beauchamp och hans kollegor beskriver användningen av tekniken för att studera hur ett läkemedel mot hudcancer fungerar på kemisk nivå. Forskningen, han säger, representerar den första framgångsrika användningen av akustisk levitation som en "vägglös" reaktor i en detaljerad studie av kemiska reaktioner.

I arbetet, Beauchamp och hans team täckte en droppe vatten med lipider, biomolekyler som utgör cellmembran. De applicerade sedan ett läkemedel mot cancer på droppen och använde en masspektrometer för att "sniffa" den kemiska signaturen som droppen avgav när läkemedlet reagerade med lipiden när det belyses med en röd laserpekare.

I experimentet, forskarna tillsatte en liten mängd av en av två lipider, kardiolipin och POPG (1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-fosfo-(1'-rac-glycerol)), till varje droppe vatten. Lipiderna migrerade till ytan av droppen, där de organiserade sig för att bilda en tunn film som till sin sammansättning liknar cellmembranet i en levande cell.

Med membranet etablerat, en kemikalie som kallas temoporfin sattes till droppen. Temoporfin, en ringliknande molekyl, upphetsas av rött ljus. I detta tillstånd, temoporfin överför energi till molekylärt syre, bildar ett exciterat elektroniskt tillstånd som lätt oxiderar molekyler som det kommer i kontakt med, inklusive de som utgör cellmembran. Detta gör temoporfin användbart som en behandling för vissa hudcancer. En läkare kan applicera läkemedlet på en cancerskada och sedan belysa den med rött ljus, som lätt lyser genom vävnader. När föreningen är upplyst och exciterad, det oxiderar vitala cellulära material, inklusive lipider, proteiner, och nukleinsyror, utlöser celldöd.

Det var denna cancerdödande process som Beauchamp ville studera. "När du håller på med den här kemin, du skulle vilja kunna utföra dessa reaktioner under förhållanden där du inte har någon kontakt av vätskan med ytor, " säger han. "Vi uppnår detta mål genom att utföra kemi i en svävad droppe."

Den akustiska levitatorn tillät Beauchamp och hans team att suspendera i luften en droppe på 1 millimeter vatten innehållande en blandning av lipiden och temoporfin. Droppen belystes sedan av rött laserljus, exciterar temoporfinen och får den att oxidera molekylerna i membranskiktet.

När denna oxidation inträffade, ett par högspänningselektroder placerade nära droppen drog bort små mängder material från droppen och in i sensorn på en masspektrometer, som gav avläsningar som gjorde det möjligt för forskare att härleda de molekylära strukturerna hos föreningar i droppen. Genom att kontinuerligt övervaka dessa avläsningar, forskarna kunde se hur föreningarna på ytan blev allt mer oxiderade. Genom att titta på dessa reaktionsprodukter, Beauchamp säger att forskargruppen kan avgöra hur oxidationsprocesserna fungerar.

"Så vitt jag vet, vi är de enda som gör seriös kemi på det här sättet, undersöker kinetiken och mekanismen för de inblandade reaktionerna", säger Beauchamp.

Akustisk levitation kan också användas inom andra områden, han säger. Som ett exempel, han citerar forskningen från Caltechs Joe Parker, en biträdande professor i biologi och biologisk teknik som studerar det symbiotiska förhållandet mellan vissa arter av myror och skalbaggar. Beauchamp säger att det skulle vara möjligt att sväva en myra och en skalbagge i närheten av varandra och sedan använda apparaten för att analysera feromonerna de avger.

Tekniken kan också ha andra tillämpningar. I samarbetsstudier med Caltechs John Seinfeld, Louis E. Nohl professor i kemiteknik, Beauchamp avslöjade tidigare detaljer om den komplexa miljökemi som leder till bildandet av organiska aerosoler i atmosfären i studier med droppar som hänger på änden av en kapillär. Med den nya levitationsmetoden, att kapillären inte längre skulle behövas.

Uppsatsen som beskriver Beauchamps forskning, med titeln "Masspektrometrisk studie av akustiskt leviterade droppar belyser molekylärnivåmekanismen för fotodynamisk terapi för cancer som involverar lipidoxidation, " visas i numret av 23 april av Angewandte Chemie .