(PhysOrg.com) - Forskare utvecklar ny teknik som kombinerar laser och elektriska fält för att manipulera vätskor och små partiklar som bakterier, virus och DNA för en rad potentiella tillämpningar, från läkemedelstillverkning till livsmedelssäkerhet.

Teknikerna kan ge innovativa sensorer och analytiska enheter för "lab-on-a-chip"-applikationer, eller miniatyrinstrument som utför mätningar som normalt kräver stor laboratorieutrustning, sa Steven T. Wereley, en Purdue University professor i maskinteknik.

Metoden, kallad "hybrid optoelektrisk manipulation i mikrofluidik, " är ett potentiellt nytt verktyg för applikationer inklusive medicinsk diagnostik, testa mat och vatten, kriminalteknik, och läkemedelstillverkning.

"Det här är en banbrytande teknik som har utvecklats under det senaste decenniet från forskning vid en handfull universitet, "sa Aloke Kumar, en Wigner Fellow och anställd vid Oak Ridge National Laboratory.

Han är huvudförfattare till en artikel om tekniken på omslaget till 7 juli-numret av Lab on a Chip tidskrift, publicerad av Royal Society of Chemistry. Artikeln har också flaggats av publikationen som en "HOT -artikel" och har gjorts fri att komma åt.

Artikeln är skriven av Wereley; Kumar; Stuart J. Williams, en biträdande professor i maskinteknik vid University of Louisville; Han-Sheng Chuang, en biträdande professor vid institutionen för biomedicinsk teknik vid National Cheng Kung University; och Nicolas G. Green, en forskare vid University of Southampton.

"En mycket viktig aspekt är att vi har uppnått en integrering av teknologier som möjliggör manipulation över ett mycket brett skalaspektrum, ", sade Kumar. "Detta gör det möjligt för oss att manipulera inte bara stora föremål som droppar utan också små DNA-molekyler inuti droppar genom att använda en kombinerad teknik. Detta kan avsevärt förbättra effektiviteten hos lab-on-a-chip-sensorer."

Kumar, Williams och Chuang är tidigare Purdue doktorander som arbetade med Wereley. Mycket av forskningen har baserats på Birck Nanotechnology Center i Purdues Discovery Park.

Teknikerna är redo för vissa tillämpningar, inklusive medicinsk diagnostik och miljöprover, sa Williams.

"Det finns två huvuddrag i applikationer, "sa han." Det första är mikro- och nanotillverkning och det andra är lab-on-a-chip-sensorer. Den senare har visat biologiskt relevanta tillämpningar under de senaste åren, och dess expansion inom detta område är omedelbar och pågående."

Tekniken fungerar genom att först använda en röd laser för att placera en droppe på en plattform speciellt tillverkad på Purdue. Nästa, en högfokuserad infraröd laser används för att värma upp dropparna, och sedan får elektriska fält den uppvärmda vätskan att cirkulera i en "mikrofluidisk virvel". Denna virvel används för att isolera specifika typer av partiklar i den cirkulerande vätskan, som en mikrocentrifug. Partikelkoncentrationer replikerar storleken, placering och form av det infraröda lasermönstret.

"Det här fungerar väldigt snabbt, "Wereley sa." Det tar mindre än en sekund för partiklar att reagera och dras ur lösningen. "

System som använder det hybridoptoelektriska tillvägagångssättet kan utformas för att exakt detektera, manipulera och screena vissa typer av bakterier, inklusive särskilda stammar som gör tungmetaller mindre giftiga.

"Vi skjuter för biologiska tillämpningar, såsom grundvattensanering, ", sa Wereley. "Även inom samma bakteriestam är vissa bra på uppgiften och andra inte, och denna teknik gör det möjligt att effektivt avlägsna dessa bakterier från andra. Bakterierna kan injiceras i den förorenade marken. Du sår marken med bakterierna, men först måste du hitta ett ekonomiskt sätt att separera det."

Purdue-forskare bedriver också teknologin för läkemedelstillverkning, han sa.

"Dessa typer av teknik är bra på att vara mycket dynamiska, vilket innebär att du i realtid kan bestämma dig för att ta alla partiklar av en storlek eller en typ och placera dem någonstans, " Sade Wereley. "Detta är viktigt för farmaciområdet eftersom ett antal läkemedel tillverkas av fasta partiklar suspenderade i vätska. Partiklarna måste samlas upp och separeras från vätskan."

Denna process görs nu med hjälp av filter och centrifuger.

"En centrifug gör samma sak men den är global, det skapar en kraft på varje partikel, Denna nya teknik kan specifikt isolera endast vissa partiklar, " sa Wereley. "Vi kan, säga, samla alla partiklar som är en mikron i diameter eller bli av med något större än två mikron, så att du dynamiskt kan välja vilka partiklar du vill behålla. "

Tekniken kan också användas som ett verktyg för nanotillverkning eftersom den visar lovande för montering av suspenderade partiklar, kallas kolloider. Möjligheten att konstruera objekt med kolloider gör det möjligt att skapa strukturer med speciella mekaniska och termiska egenskaper för att tillverka elektroniska enheter och små mekaniska delar. Tillämpningarna för nanotillverkning är minst fem år bort, han sa.

Tekniken kan också användas för att lära sig grundläggande elektrokinetiska krafter hos molekyler och biologiska strukturer, vilket är svårt att göra med befintlig teknik.

"Därför finns det mycket grundläggande vetenskapliga tillämpningar av dessa teknologier också, "Sa Kumar.