National Institute of Standards and Technology (NIST) har lämnat in en preliminär patentansökan för ett mikroflödesmätningssystem, ungefär lika stor som ett nickel, som kan spåra rörelsen av extremt små mängder vätskor - så små som nanoliter (nL, miljarddels liter) per minut. Om vatten rann med den hastigheten från en 1-liters flaska vatten, det skulle ta cirka 200 år att tömma.

Uppfinningen är utformad för att fylla ett akut behov inom det snabbt växande området för mikrofluidik, där exakt mätning av små flödeshastigheter är avgörande. Till exempel, vissa medicintekniska pumpar levererar så lite som tiotals nL per minut i blodet. För jämförelse, en enda droppe vatten innehåller 50, 000 nL. Klinisk diagnostik, kemisk forskning, cell sortering och räkning, och mikrofabrikation med kontinuerligt flöde-i huvudsak små fabriker som arbetar nonstop för att tillverka små mängder vätskor-kräver också alltmer exakta mätningar av lika små volymer.

Men nuvarande toppmoderna enheter som används för att mäta flöde i den skalan har en eller flera driftsbegränsningar. "Vissa kräver kalibrering, andra använder komplexa bildsystem och mikroskop; vissa tar data under många minuter, och därför, kan inte spåra dynamiska förändringar, och vissa kan inte spåras till International System of Units, "sa uppfinnaren Greg Cooksey, en biomedicinsk ingenjör i NIST:s fysiska mätlaboratorium.

Hans optiska mikroflödesmätningssystem, tillverkad vid NIST:s Center for Nanoscale Science and Technology, undviker dessa komplikationer. Den övervakar hastigheten hos fluorescerande molekyler i vätska när de färdas längs en kanal ungefär bredden på ett människohår, mäta tidsintervallet mellan molekylernas svar på två separata laserpulser.

Att flöda ner en mikrokanal är en vätska fylld med fluorescerande molekyler som avger grönt ljus när de utsätts för en specifik våglängd av blått ljus. Dock, dessa molekyler har modifierats kemiskt för att förhindra fluorescens. Vid ett tillfälle i kanalen, en ultraviolett laser förstör den kemiska modifieringen av några av molekylerna. Vid en annan punkt i kanalen, en blå laser får dessa nakna molekyler att fluorescera. Forskare bestämmer flödeshastigheten genom att mäta den förflutna tiden mellan avlägsnande av den kemiska modifieringen och fluorescensen.

För att exakt markera en referenspunkt för starttid, en ultraviolett laserpuls (med en våglängd på 375 nm) avfyras längs en optisk vågledare och in i kanalen. Där, pulsen träffar en kemiskt skyddad ("bur") fluorescerande molekyl som rör sig i strömmen. "Molekylen kan inte fluorescera förrän vi aktiverar den med UV -pulsen, "Cooksey sa." Det, i själva verket, slår på molekylen när buren förstörs av lasern. Vid det tillfället, molekylen blir lyhörd för excitation av ljus. "

Efter att den aktiverade molekylen har rest 250 mikrometer - ungefär tjockleken på ett spelkort - nedströms i kanalen, den korsar vägen för en blå laser (488 nm).

Molekylen absorberar det blå ljuset och avger omedelbart grönt ljus (520 nm). Denna strålning går ner i en vågledare till en optisk effektmätare som kontinuerligt mäter förändringar i det utsända ljusets intensitet med en hastighet av 250, 000 gånger per sekund.

Emissionssignalerna jämförs med tidpunkten för de initiala aktiveringspulserna för att bestämma det förflutna intervallet. Ju snabbare flöde, desto kortare tid mellan aktivering och utsläpp.

Flödeshastigheten härleds från noggranna mätningar av tiden mellan laserpulser och kanaldimensioner, och dessa mätningar förfinas med beräkningar av flödesmönster mellan aktiverings- och utsläppsmätningar. Därför, flödesmätaren kräver ingen kalibrering med en oberoende flödesstandard. Dessutom, det är mer känsligt än de flesta konventionella tekniker, och ger kontinuerlig realtidsdata med upplösning i storleksordningen 1 millisekund.

Uppfinningen kan också fungera som en flödescytometer - en anordning som räknar, eller på annat sätt mäter, egenskaper hos biologiska celler i en vätskeström. Det finns många sätt att konstruera celler så att de innehåller fluorescerande "biomarkörer" av olika slag, som kan mätas när de flyter förbi detektorerna i NIST -enheten.

"Det är det vi försöker bygga utöver precisionsflödesmätning-en plattform för nästa generations biologiska mätningar, "Sa Cooksey." Till exempel, på grund av den exakta tidpunkten som är inbyggd i systemet, vi kan genomföra "time-lapse" -studier av cellmetabolism, där celler laddas med fluorescerande material vars utsläpp förändras i proportion till deras metabolism. "

Sådan information kommer att vara användbar för studier av cancer, eftersom cancerceller är kända för att ha förhöjda ämnesomsättningar. "Vi kan göra så många mätningar som vi vill nedströms, "Cooksey sa." Vi kan använda 10 av dessa optiska förhörspunkter, var och en separerad av, säga, 100 millisekunder, och spåra minskningen av ljusutgången i varje cell genom tiden. "

Alternativt, Cooksey sa, de kunde också undersöka kalciuminflödet. "Många typer av celler använder kalcium för signalering, så om vi laddar cellen med ett kalciumkänsligt färgämne, färgämnet reagerar när kalciumkoncentrationen förändras.

Det skulle göra det möjligt för oss att se förändringar i realtid i funktioner som neuralkommunikation eller utlösning av programmerad celldöd. "

En provisorisk patentansökan, markerar början på patentprocessen, har lagts in.

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av NIST. Läs den ursprungliga historien här.