El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) ha presentado una solicitud de patente provisional para un sistema de medición de microflujos, aproximadamente del tamaño de una moneda de cinco centavos, que pueden rastrear el movimiento de cantidades extremadamente pequeñas de líquidos, tan pequeñas como nanolitros (nL, mil millonésima parte de un litro) por minuto. Si el agua fluyera a esa velocidad de una botella de agua de 1 litro, tardaría unos 200 años en drenar.

La invención está diseñada para satisfacer una necesidad urgente en el campo de la microfluídica en rápida expansión, en el que medir con precisión pequeños caudales es fundamental. Por ejemplo, Algunas bombas de administración de medicamentos dispensan tan solo decenas de nL por minuto en el torrente sanguíneo. Para comparacion, una sola gota de agua contiene 50, 000 nL. Diagnóstico clínico, investigación química, clasificación y recuento de células, y la microfabricación de flujo continuo, esencialmente pequeñas fábricas que trabajan sin parar para producir pequeñas cantidades de líquidos, también requieren cada vez más mediciones precisas de volúmenes igualmente minúsculos.

Pero los dispositivos de última generación que se utilizan actualmente para medir el flujo en esa escala tienen una o más limitaciones operativas. "Algunos requieren calibración, otros utilizan microscopios y sistemas de imágenes complejos; algunos toman datos durante muchos minutos, y por lo tanto, no puede rastrear cambios dinámicos, y algunos no son trazables al Sistema Internacional de Unidades, "dijo el inventor Greg Cooksey, ingeniero biomédico en el Laboratorio de Medición Física del NIST.

Su sistema óptico de medición de microflujos, fabricado en el Centro de Ciencia y Tecnología a Nanoescala del NIST, evita esas complicaciones. Controla la velocidad de las moléculas fluorescentes en líquido a medida que viajan por un canal del ancho de un cabello humano. medir el intervalo de tiempo entre las respuestas de las moléculas a dos pulsos de láser separados.

Fluyendo por un microcanal hay un fluido lleno de moléculas fluorescentes que emiten luz verde cuando se exponen a una longitud de onda específica de luz azul. Sin embargo, estas moléculas se han modificado químicamente para evitar la fluorescencia. En un punto del canal, un láser ultravioleta destruye la modificación química de algunas de las moléculas. En otro punto del canal, un láser azul hace que estas moléculas desnudas emitan fluorescencia. Los investigadores determinan la tasa de flujo midiendo el tiempo transcurrido entre la eliminación de la modificación química y la fluorescencia.

Para marcar exactamente un punto de referencia de hora de inicio, se dispara un pulso de láser ultravioleta (con una longitud de onda de 375 nm) a lo largo de una guía de ondas óptica y dentro del canal. Allí, el pulso golpea una molécula fluorescente químicamente protegida ("enjaulada") que se mueve en la corriente. "La molécula no puede emitir fluorescencia hasta que la activamos con el pulso UV, "Cooksey dijo." Eso, en efecto, enciende la molécula cuando el láser destruye su jaula. En ese punto, la molécula responde a la excitación de la luz ".

Una vez que la molécula activada ha viajado 250 micrómetros, aproximadamente el grosor de un naipe, corriente abajo en el canal, cruza el camino de un láser azul (488 nm).

La molécula absorbe la luz azul e inmediatamente emite luz verde (520 nm). Esa emisión viaja por una guía de ondas hasta un medidor de potencia óptica que mide continuamente los cambios en la intensidad de la luz emitida a una velocidad de 250, 000 veces por segundo.

Las señales de emisión se comparan con la sincronización de los pulsos de activación iniciales para determinar el intervalo transcurrido. Cuanto más rápido sea el flujo, el menor tiempo entre la activación y la emisión.

El caudal se deduce de mediciones cuidadosas del tiempo entre los pulsos de láser y las dimensiones del canal. y esas mediciones se refinan con cálculos del patrón de flujo entre las mediciones de activación y emisión. Por lo tanto, el medidor de flujo no requiere calibración usando un estándar de flujo independiente. Además, es más sensible que la mayoría de las tecnologías convencionales, y proporciona datos continuos en tiempo real con una resolución del orden de 1 milisegundo.

La invención también puede servir como citómetro de flujo, un dispositivo que cuenta, o medidas de otra manera, propiedades de las células biológicas en una corriente fluida. Hay muchas formas de modificar las células para que contengan "biomarcadores" fluorescentes de varios tipos, que se pueden medir a medida que pasan por los detectores en el dispositivo NIST.

"Eso es lo que estamos tratando de construir además de la medición de flujo de precisión:una plataforma para mediciones biológicas de próxima generación, Cooksey dijo. Por ejemplo, debido a la sincronización precisa incorporada en el sistema, podemos realizar estudios de 'lapso de tiempo' del metabolismo celular, donde las células se cargan con materiales fluorescentes cuya emisión cambia en proporción a su metabolismo ".

Dicha información será útil para estudios de cáncer, ya que se sabe que las células cancerosas tienen tasas elevadas de metabolismo. "Podríamos realizar tantas mediciones como queramos aguas abajo, ", Dijo Cooksey." Podríamos usar 10 de estos puntos de interrogación ópticos, cada uno separado por, decir, 100 milisegundos, y realizar un seguimiento de la disminución de la producción de luz en cada celda a lo largo del tiempo ".

Alternativamente, Cooksey dijo:también podrían investigar la entrada de calcio. "Muchos tipos de células usan calcio para señalizar, así que si cargamos la celda con un tinte sensible al calcio, el tinte responderá a medida que cambie la concentración de calcio.

Eso nos permitiría observar los cambios en tiempo real en funciones como la comunicación neuronal o la activación de la muerte celular programada ".

Una solicitud de patente provisional, marcar el inicio del proceso de patente, ha sido archivado.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de NIST. Lea la historia original aquí.