O Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) entrou com um pedido provisório de patente para um sistema de medição de microfluxo, mais ou menos do tamanho de um níquel, que pode rastrear o movimento de quantidades extremamente pequenas de líquidos - tão pequenas quanto nanolitros (nL, bilionésimo de litro) por minuto. Se a água estivesse fluindo a essa taxa de uma garrafa de 1 litro de água, levaria cerca de 200 anos para drenar.

A invenção é projetada para preencher uma necessidade urgente no campo de rápida expansão da microfluídica, em que a medição precisa de taxas de fluxo minúsculas é crítica. Por exemplo, algumas bombas de entrega de drogas médicas dispensam tão pouco quanto dezenas de nL por minuto na corrente sanguínea. Para comparação, uma única gota de água contém 50, 000 nL. Diagnóstico clínico, pesquisa química, classificação e contagem de células, e a microfabricação de fluxo contínuo - fábricas essencialmente minúsculas que trabalham sem parar para fazer pequenas quantidades de líquidos - também exigem medições cada vez mais precisas de volumes igualmente minúsculos.

Mas os dispositivos atuais de última geração usados ​​para medir o fluxo nessa escala têm uma ou mais limitações operacionais. "Alguns requerem calibração, outros usam sistemas de imagem complexos e microscópios; alguns levam os dados ao longo de muitos minutos, e portanto, não pode rastrear mudanças dinâmicas, e alguns não são rastreáveis ​​ao Sistema Internacional de Unidades, "disse o inventor Greg Cooksey, um engenheiro biomédico no Laboratório de Medição Física do NIST.

Seu sistema de medição de microfluxo óptico, fabricado no NIST's Center for Nanoscale Science and Technology, evita essas complicações. Ele monitora a velocidade das moléculas fluorescentes no líquido enquanto elas viajam por um canal da largura de um fio de cabelo humano, medir o intervalo de tempo entre as respostas das moléculas a dois pulsos de laser separados.

Fluindo por um microcanal está um fluido cheio de moléculas fluorescentes que emitem luz verde quando expostas a um comprimento de onda específico de luz azul. Contudo, essas moléculas foram modificadas quimicamente para evitar a fluorescência. Em um ponto do canal, um laser ultravioleta destrói a modificação química de algumas das moléculas. Em outro ponto do canal, um laser azul faz com que essas moléculas vazias fiquem fluorescentes. Os pesquisadores determinam a taxa de fluxo medindo o tempo decorrido entre a remoção da modificação química e a fluorescência.

Para marcar exatamente um ponto de referência de tempo de início, um pulso de laser ultravioleta (com comprimento de onda de 375 nm) é disparado ao longo de um guia de onda óptico e para dentro do canal. Lá, o pulso atinge uma molécula fluorescente quimicamente protegida ("enjaulada") que se move na corrente. "A molécula não pode ficar fluorescente até que a ativemos com o pulso UV, "Cooksey disse." Isso, na verdade, liga a molécula quando sua gaiola é destruída pelo laser. Nesse ponto, a molécula se torna responsiva à excitação da luz. "

Depois que a molécula ativada percorreu 250 micrômetros - mais ou menos a espessura de uma carta de baralho - rio abaixo no canal, ele cruza o caminho de um laser azul (488 nm).

A molécula absorve a luz azul e emite imediatamente luz verde (520 nm). Essa emissão viaja por um guia de onda para um medidor de potência óptica que mede continuamente as mudanças na intensidade da luz emitida a uma taxa de 250, 000 vezes por segundo.

Os sinais de emissão são comparados com o tempo dos pulsos de ativação iniciais para determinar o intervalo decorrido. Quanto mais rápido o fluxo, menos tempo entre a ativação e a emissão.

A taxa de fluxo é deduzida de medições cuidadosas do tempo entre os pulsos de laser e as dimensões do canal, e essas medições são refinadas com cálculos de padrão de fluxo entre as medições de ativação e emissão. Portanto, o medidor de fluxo não requer calibração usando um padrão de fluxo independente. Além disso, é mais sensível do que a maioria das tecnologias convencionais, e fornece dados contínuos em tempo real com resolução da ordem de 1 milissegundo.

A invenção também é capaz de servir como um citômetro de fluxo - um dispositivo que conta, ou outras medidas, propriedades de células biológicas em um fluxo de fluido. Existem muitas maneiras de células de engenharia para que contenham "biomarcadores" fluorescentes de vários tipos, que podem ser medidos à medida que passam pelos detectores no dispositivo NIST.

"Isso é o que estamos tentando construir além da medição de fluxo de precisão - uma plataforma para medições biológicas de próxima geração, "Cooksey disse." Por exemplo, por causa do tempo preciso embutido no sistema, podemos realizar estudos de 'lapso de tempo' do metabolismo celular, onde as células são carregadas com materiais fluorescentes cuja emissão muda em proporção ao seu metabolismo. "

Essas informações serão úteis para estudos de câncer, já que as células cancerosas são conhecidas por terem taxas de metabolismo elevadas. "Poderíamos fazer quantas medições quisermos downstream, "Cooksey disse." Poderíamos usar 10 desses pontos de interrogação ópticos, cada um separado por, dizer, 100 milissegundos, e acompanhar o declínio na emissão de luz em cada célula ao longo do tempo. "

Alternativamente, Cooksey disse, eles também poderiam investigar o influxo de cálcio. "Muitos tipos de células usam cálcio para sinalizar, então, se carregarmos a célula com um corante sensível ao cálcio, o corante responderá conforme a concentração de cálcio muda.

Isso nos permitiria observar as mudanças em tempo real em funções como a comunicação neural ou o desencadeamento da morte celular programada. "

Um pedido de patente provisório, marcando o início do processo de patente, foi arquivado.

Esta história foi republicada por cortesia do NIST. Leia a história original aqui.