Un résonateur à microcanaux suspendu (SMR) mesure la masse des particules lorsqu'elles circulent dans un canal étroit. Le capteur de masse d'origine se compose d'un microcanal rempli de fluide gravé dans un minuscule cantilever en silicium qui vibre à l'intérieur d'une cavité sous vide. Au fur et à mesure que les cellules ou les particules s'écoulent dans le canal, un à la fois, leur masse modifie légèrement la fréquence de vibration du cantilever. Cette illustration représente un instantané d'un porte-à-faux vibrant à ses quatre premiers modes de résonance. Crédit :Selim Olcum
Une nouvelle technique inventée au MIT peut mesurer les positions relatives de minuscules particules lorsqu'elles circulent dans un canal fluidique, offrant potentiellement un moyen simple de surveiller l'assemblage de nanoparticules, ou pour étudier comment la masse est distribuée dans une cellule.
Avec d'autres avancées, cette technologie a le potentiel de résoudre la forme d'objets en flux aussi petits que des virus, disent les chercheurs.
La nouvelle technique, décrit dans le numéro du 12 mai de Communication Nature , utilise un appareil développé pour la première fois par Scott Manalis et ses collègues du MIT en 2007. Cet appareil, connu sous le nom de résonateur à microcanaux suspendu (SMR), mesure la masse des particules lorsqu'elles s'écoulent dans un canal étroit.
Le capteur de masse d'origine se compose d'un microcanal rempli de fluide gravé dans un minuscule cantilever en silicium qui vibre à l'intérieur d'une cavité sous vide. Au fur et à mesure que les cellules ou les particules s'écoulent dans le canal, un à la fois, leur masse modifie légèrement la fréquence de vibration du cantilever. Les masses des particules peuvent être calculées à partir de ce changement de fréquence.
Dans cette étude, les chercheurs voulaient voir s'ils pouvaient obtenir plus d'informations sur une collection de particules, telles que leurs tailles individuelles et leurs positions relatives.
"Avec le système précédent, quand une seule particule traverse, nous pouvons mesurer sa masse flottante, mais nous n'obtenons aucune information quant à savoir s'il s'agit d'un très petit, particule dense, ou peut-être un grand, particule pas si dense. Ce pourrait être un long filament, ou sphérique, " dit Nathan Cermak, étudiant diplômé, l'un des principaux auteurs de l'article.
Le postdoctorant Selim Olcum est également l'un des principaux auteurs de l'article ; Manalis, le professeur Andrew et Erna Viterbi dans les départements de génie biologique et de génie mécanique du MIT, et membre du Koch Institute for Integrative Cancer Research du MIT, est l'auteur principal de l'article.
De nombreuses fréquences
Cette image animée montre plusieurs modes de vibration. Le panneau supérieur représente un cantilever oscillant simultanément dans ses quatre premiers modes de vibration. Le panneau inférieur gauche montre une particule circulant à travers le canal microfluidique intégré dans le cantilever. À côté de cela se trouve une animation des quatre formes de mode vibrationnel. Le panneau en bas à droite montre les déviations des fréquences de résonance de ces modes. Crédit :Selim Olcum
Pour obtenir des informations sur la distribution de masse, les chercheurs ont profité du fait que chaque porte-à-faux, un peu comme une corde de violon, a de nombreuses fréquences de résonance auxquelles il peut vibrer. Ces fréquences sont appelées modes.
L'équipe du MIT a trouvé un moyen de faire vibrer le porte-à-faux dans de nombreux modes différents simultanément, et mesurer comment chaque particule affecte la fréquence de vibration de chaque mode à chaque point le long du résonateur. La somme cumulée de ces effets permet aux chercheurs de déterminer non seulement la masse, mais aussi la position de chaque particule.
"Tous ces différents modes réagissent différemment à la répartition de la masse, afin que nous puissions extraire les changements de fréquences de mode et l'utiliser pour calculer où la masse est concentrée dans le canal, " dit Olcum.
Les particules s'écoulent le long de tout le cantilever en environ 100 millisecondes, ainsi, une avancée clé qui a permis aux chercheurs de prendre des mesures rapides à chaque point le long du canal a été l'incorporation d'un système de contrôle connu sous le nom de boucle à verrouillage de phase (PLL). Cela a un oscillateur interne qui ajuste sa propre fréquence pour correspondre à la fréquence d'un mode de résonateur, qui change au fur et à mesure que les particules circulent.
Chaque mode de vibration a sa propre PLL, qui répond à tout changement de fréquence. Cela permet aux chercheurs de mesurer rapidement tout changement causé par les particules circulant dans le canal.
Dans ce document, les chercheurs ont suivi deux particules alors qu'elles traversaient un canal ensemble, et ont montré qu'ils pouvaient distinguer les masses et les positions de chaque particule lors de son écoulement. En utilisant quatre modes de vibration, l'appareil peut atteindre une résolution d'environ 150 nanomètres. Les chercheurs ont également calculé que s'ils pouvaient incorporer huit modes, ils pourraient améliorer la résolution à environ 4 nanomètres.
Imagerie de masse haute résolution
Cette avancée pourrait contribuer à stimuler le développement d'une technique connue sous le nom d'imagerie inertielle, qui utilise plusieurs modes de vibration pour imager un objet alors qu'il repose sur un résonateur nanomécanique.
L'imagerie inertielle pourrait permettre aux scientifiques de visualiser de très petites particules, tels que des virus ou des molécules uniques. "La détection de masse multimode était auparavant limitée aux environnements d'air ou de vide, où les objets doivent être attachés au résonateur. La capacité d'y parvenir de manière dynamique dans le flux ouvre des possibilités passionnantes, " dit Manalis.
La nouvelle technologie MIT pourrait permettre une imagerie inertielle à très grande vitesse lorsque les cellules circulent dans un canal.
« La technologie des nanocanaux suspendus mise au point par le groupe Manalis est remarquable, " dit Michael Roukes, professeur de physique, Physique appliquée, et bio-ingénierie à Caltech, qui est pionnier dans le développement de l'imagerie inertielle mais ne faisait pas partie de cette étude.
« Leur application de notre approche pour la surveillance simultanée de la position et de la masse des analytes fluidiques ouvre de nombreuses nouvelles possibilités, " dit Roukes. " L'extension de leurs efforts pour utiliser pleinement notre méthode d'imagerie inertielle récemment développée permettra également de caractériser la forme des analytes, en plus de leur masse et de leur position, à mesure qu'ils traversent les nanocanaux."
Le laboratoire de Manalis utilise également la nouvelle technique pour étudier comment les densités des cellules changent lorsqu'elles traversent des étranglements. Cela pourrait les aider à mieux comprendre comment les cellules cancéreuses se comportent mécaniquement lorsqu'elles se métastasent, ce qui nécessite de se faufiler dans de petits espaces. Ils utilisent également l'approche PLL pour augmenter le débit en utilisant de nombreux cantilevers sur une seule puce.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
