Una nueva técnica inventada en el MIT puede medir las posiciones relativas de partículas diminutas a medida que fluyen a través de un canal fluídico, potencialmente ofreciendo una manera fácil de monitorear el ensamblaje de nanopartículas, o estudiar cómo se distribuye la masa dentro de una célula.

Con más avances, esta tecnología tiene el potencial de resolver la forma de objetos en flujo tan pequeños como virus, dicen los investigadores.

La nueva técnica, descrito en la edición del 12 de mayo de Comunicaciones de la naturaleza , utiliza un dispositivo desarrollado por primera vez por Scott Manalis y sus colegas del MIT en 2007. Ese dispositivo, conocido como resonador de microcanal suspendido (SMR), mide las masas de las partículas a medida que fluyen a través de un canal estrecho.

El sensor de masa original consiste en un microcanal lleno de fluido grabado en un diminuto voladizo de silicio que vibra dentro de una cavidad de vacío. A medida que las células o partículas fluyen a través del canal, uno a la vez, su masa altera ligeramente la frecuencia de vibración del voladizo. Las masas de las partículas se pueden calcular a partir de ese cambio de frecuencia.

En este estudio, los investigadores querían ver si podían obtener más información sobre una colección de partículas, como sus tamaños individuales y posiciones relativas.

"Con el sistema anterior, cuando una sola partícula fluye a través, podemos medir su masa flotante, pero no obtenemos información sobre si es muy pequeño, partícula densa, o tal vez un gran partícula no tan densa. Podría ser un filamento largo, o esférico, "dice el estudiante de posgrado Nathan Cermak, uno de los autores principales del artículo.

El postdoctorado Selim Olcum es también autor principal del artículo; Manalis, el profesor Andrew y Erna Viterbi en los departamentos de Ingeniería Biológica e Ingeniería Mecánica del MIT, y miembro del Instituto Koch para la Investigación Integrativa del Cáncer del MIT, es el autor principal del artículo.

Muchas frecuencias

Para obtener información sobre la distribución masiva, los investigadores aprovecharon el hecho de que cada voladizo, como una cuerda de violín, tiene muchas frecuencias de resonancia en las que puede vibrar. Estas frecuencias se conocen como modos.

El equipo del MIT ideó una forma de hacer vibrar el voladizo en muchos modos diferentes simultáneamente, y medir cómo cada partícula afecta la frecuencia de vibración de cada modo en cada punto a lo largo del resonador. La suma acumulativa de estos efectos permite a los investigadores determinar no solo la masa, sino también la posición de cada partícula.

"Todos estos modos diferentes reaccionan de manera diferente a la distribución de masa, para que podamos extraer los cambios en las frecuencias de modo y usarlo para calcular dónde se concentra la masa dentro del canal, "Dice Olcum.

Las partículas fluyen a lo largo de todo el voladizo en aproximadamente 100 milisegundos, por lo que un avance clave que permitió a los investigadores tomar medidas rápidas en cada punto a lo largo del canal fue la incorporación de un sistema de control conocido como bucle de bloqueo de fase (PLL). Este tiene un oscilador interno que ajusta su propia frecuencia para corresponder a la frecuencia de un modo de resonador, que cambia a medida que fluyen las partículas.

Cada modo de vibración tiene su propio PLL, que responde a cualquier cambio en la frecuencia. Esto permite a los investigadores medir rápidamente cualquier cambio causado por las partículas que fluyen a través del canal.

En este papel, los investigadores rastrearon dos partículas mientras fluían juntas a través de un canal, y demostró que podían distinguir las masas y posiciones de cada partícula a medida que fluía. Usando cuatro modos vibratorios, el dispositivo puede alcanzar una resolución de unos 150 nanómetros. Los investigadores también calcularon que si pudieran incorporar ocho modos, podrían mejorar la resolución a unos 4 nanómetros.

Imágenes masivas de alta resolución

Este avance podría ayudar a impulsar el desarrollo de una técnica conocida como imagen inercial, que hace uso de varios modos de vibración para obtener imágenes de un objeto que se encuentra en un resonador nanomecánico.

Las imágenes inerciales podrían permitir a los científicos visualizar partículas muy pequeñas, como virus o moléculas individuales. "La detección de masas multimodo se ha limitado anteriormente a entornos de aire o vacío, donde los objetos deben estar conectados al resonador. La capacidad de lograr esto dinámicamente en el flujo abre posibilidades emocionantes, "Dice Manalis.

La nueva tecnología MIT podría permitir la obtención de imágenes inerciales de muy alta velocidad a medida que las células fluyen a través de un canal.

"La tecnología de nanocanales suspendidos iniciada por el grupo Manalis es notable, "dice Michael Roukes, un profesor de física, física Aplicada, y bioingeniería en Caltech, quien es pionero en el desarrollo de imágenes inerciales pero no formó parte de este estudio.

"Su aplicación de nuestro enfoque para el control simultáneo de la posición y la masa de los analitos fluídicos abre muchas posibilidades nuevas, Roukes dice. La ampliación de sus esfuerzos para emplear plenamente nuestro método recientemente desarrollado de imágenes inerciales también permitirá caracterizar la forma de los analitos, además de su masa y posición, a medida que fluyen a través de los nanocanales ".

El laboratorio de Manalis también está utilizando la nueva técnica para estudiar cómo cambian las densidades de las células a medida que atraviesan las constricciones. Esto podría ayudarlos a comprender mejor cómo se comportan mecánicamente las células cancerosas cuando hacen metástasis. que requiere exprimirse a través de espacios pequeños. También están utilizando el enfoque PLL para aumentar el rendimiento al operar muchos voladizos en un solo chip.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.