Dual-beam scrolling interference pattern flow cytometry for high-throughput characterization of submicron sized particles Main article
Diese Arbeit stellt eine hochdurchsatzfähige Durchflusszytometrie-Plattform unter Verwendung eines Dual-Beam-Scrolling-Interferenzmusters vor, um Sensitivitätsbeschränkungen zu überwinden, was die Detektion und Unterscheidung von Submikron-Partikeln, einschließlich Gold-Nanopartikeln von nur 15 nm Größe, bei Raten von bis zu 750 Partikeln pro Sekunde ermöglicht.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
In der unsichtbaren Welt der Nanotechnologie, in der Teilchen zu klein sind, um mit gewöhnlichen Mikroskopen gesehen zu werden, stehen Wissenschaftler vor einer hartnäckigen Herausforderung: Wie man sie schnell und genau zählt und misst. Diese winzigen Gebilde, die von synthetischen Kügelchen bis hin zu biologischen Vesikeln reichen, die Botschaften zwischen Zellen transportieren, sind entscheidend für die Entwicklung neuer Medikamente und das Verständnis lebenswichtiger Prozesse. Traditionelle Methoden zwingen oft zu einer schwierigen Wahl. Einige Techniken können sehr kleine Partikel sehen, sind aber langsam und können nur wenige gleichzeitig analysieren. Andere können Tausende von Partikeln pro Sekunde zählen, lassen aber die Sensitivität vermissen, um etwas zu detektieren, das kleiner als ein Sandkorn ist. Diese Lücke hat Forscher bei der Charakterisierung der überwiegenden Mehrheit der Partikel im Submikrometerbereich behindert und damit den Fortschritt in Bereichen von der Arzneimittelverabreichung bis hin zur Umweltüberwachung begrenzt.
Ein Team von Forschern der Technischen Universität Dänemark hat nun ein neues Instrument gebaut, das diese Lücke schließt und eine Möglichkeit bietet, diese winzigen Objekte mit hoher Geschwindigkeit zu sehen und zu zählen, ohne dabei an Sensitivität einzubüßen. Ihr Gerät, ein Durchflusszytometer, arbeitet, indem es zwei Laserstrahlen durch einen Flüssigkeitsstrom leitet, der die Partikel mitführt. Anstatt eines stetigen, unveränderlichen Lichts erschufen die Forscher ein bewegliches Muster aus Licht- und Dunkelstreifen, ähnlich einem scrollenden Vorhang aus Beleuchtung, der über den Pfad der Partikel gleitet. Wenn ein Partikel sich durch dieses Muster bewegt, flackert das von ihm gestreute Licht in einem präzisen, schnellen Rhythmus. Indem sie ihre Detektoren darauf abstimmten, nur auf diesen spezifischen Rhythmus zu „hören“, kann das System das konstante Hintergrundrauschen ignorieren, das solche schwachen Signale normalerweise übertönt. Dies ermöglicht es der Maschine, einzelne Partikel mit einem Durchmesser von nur 15 Nanometern zu unterscheiden – eine Größe, die für Standard-Hochgeschwindigkeitszähler fast unmöglich zu erfassen ist.
Die Forscher testeten ihr neues System unter Verwendung von Gold- und Polystyrolkügelchen verschiedener Größen, die von 15 Nanometern bis zu 500 Nanometern reichten. In einem direkten Vergleich zeigten sie, dass die Maschine, wenn sie einen einzelnen, statischen Lichtstrahl verwendete, keine zuverlässig kleineren Partikel als 70 Nanometer erkennen konnte. Als sie jedoch auf das duale, scrollende Muster umstellten, identifizierte das Instrument klar Partikel, die so klein wie 15 Nanometer waren. Das System erreichte dies bei einer Verarbeitungsrate von bis zu 750 Partikeln pro Sekunde, was eine fünfmal höhere Geschwindigkeit als bisherige hochauflösende Versuche zur Messung solch kleiner Objekte darstellt. Die aus diesen Experimenten gewonnenen Daten stimmten eng mit den theoretischen Vorhersagen darüber überein, wie Licht an Partikeln in dieser spezifischen Art von Lichtfeld gestreut werden sollte, was bestätigte, dass die physikalischen Prinzipien hinter dem Design genau wie beabsichtigt funktionierten.
Einer der bedeutendsten Vorteile dieses Ansatzes ist seine Fähigkeit, verschiedene Arten von Partikeln basierend auf ihren Materialeigenschaften zu unterscheiden, nicht nur nach ihrer Größe. Da das scrollende Lichtmuster eine einzigartige Signalcharakteristik für jedes Partikel erzeugt, kann das System zwischen Gold- und Kunststoffkügelchen differenzieren, selbst wenn diese dieselbe Größe haben. Dies ist eine wesentliche Verbesserung gegenüber bestehenden Methoden, die oft Schwierigkeiten haben, verschiedene Materialien in einer Mischprobe zu unterscheiden. Die Forscher demonstrierten auch, dass das System hohe Konzentrationen von Partikeln bewältigen kann, ohne dass diese verklumpen oder den Detektor verwirren – ein häufiges Problem, das andere Instrumente dazu zwingt, mit sehr verdünnten Proben zu arbeiten.
Obwohl der aktuelle Prototyp einen spezifischen Typ von Laser- und Linsenaufbau verwendet, geben die Autoren an, dass die Technologie weiter verfeinert werden könnte. Sie führten Simulationen durch, die zeigten, dass die Änderung der Farbe des Laserlichts und die Verwendung leistungsstärkerer Linsen das System potenziell noch sensibler machen könnte, was es vielleicht ermöglichen würde, biologische Partikel wie Liposomen oder extrazelluläre Vesikel zu detektieren, die nur sehr wenig Licht streuen. Für den Moment steht das Gerät als Proof of Concept und demonstriert, dass es möglich ist, die Hochgeschwindigkeits-Zählkraft der Durchflusszytometrie in den Nanobereich zu bringen. Indem sie ein einfaches Interferenzmuster in ein leistungsfähiges Detektionswerkzeug verwandeln, bietet diese Arbeit einen neuen, markierungsfreien Weg zur Analyse der submikronen Welt, der potenziell die Notwendigkeit für mehrere, langsamere und komplexere Messverfahren ersetzt.
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