悬浮的微通道谐振器在流动时测量纳米颗粒

悬浮的微通道谐振器（SMR）在流过窄通道时测量颗粒质量。原始质量传感器由熔化的微通道组成，蚀刻在振动真空腔内的微小硅悬臂中。随着电池或颗粒流过通道，一次一个，它们的质量略微改变悬臂的振动频率。该图示描绘了在其前四种共振模式下振动的悬臂的快照。

使用暂停的微通道谐振器，研究人员可以测量微小颗粒的相对位置，因为它们流过流体通道，可能提供监测纳米颗粒的组装的简便方法，或者研究如何分配在细胞内的质量。

研究人员说，通过进一步的进步，该技术有可能将物体的形状分解为小于病毒的流量。

新技术在5月12日的自然通信问题中描述，使用了2007年MIT斯科特马纳利亚和同事开发的设备。该装置称为悬浮的微通道谐振器（SMR），在流过窄通道时测量颗粒质量。

原始质量传感器由熔化的微通道组成，蚀刻在振动真空腔内的微小硅悬臂中。随着电池或颗粒流过通道，一次一个，它们的质量略微改变悬臂的振动频率。可以从频率变化计算的粒子的质量。

在这项研究中，研究人员希望了解它们是否可以获得有关粒子集合的更多信息，例如它们的近尺寸和相对位置。

“与先前的系统一起，当单个粒子流过来，我们可以测量其浮力质量，但我们没有得到关于它是否是一个非常小，致密的颗粒的信息，或者是一个大的，不是所致密的颗粒。这可能是一个长丝或球形，“纸张的引导作者之一Grad学生Nathan Cermak说。

Postdoc Selim Olcum也是该论文的领先作者; Manalis，Andrew和Erna Viterbi MIT的生物工程和机械工程部门教授，以及麻省理工学院梭科学综合癌症研究所的成员，是纸张的高级作者。

此动画图像演示了多种振动模式。顶板描绘了在前四种振动模式下同时振荡的悬臂。底部左面板显示流过微流体通道的颗粒，微流体通道集成到悬臂中。旁边是四种振动模式形状的动画。右下面板展示了这些模式的谐振频率的偏差。

许多频率

为了获取有关批量分布的信息，研究人员利用了每个悬臂，就像小提琴串一样，它具有许多振动的共振频率。这些频率称为模式。

麻省理工学院团队提出了一种方式同时以多种不同模式振动悬臂，并测量每个粒子如何影响沿谐振器的每个点处的每个模式的振动频率。这些效应的累积总和允许研究人员不仅可以确定质量，也可以确定每个颗粒的位置。

“所有这些不同的模式都与质量分布不同，因此我们可以提取模式频率的变化，并使用它来计算质量集中在通道内的位置，”Olcum说。

颗粒在大约100毫秒内沿整个悬臂流动，因此允许研究人员在沿着通道的每个点处采取快速测量的关键前进是掺入称为锁相环（PLL）的控制系统。这具有一个内部振荡器，可调节其自身频率以对应于谐振器模式的频率，随着粒子流过而变化。

每个振动模式都有自己的PLL，它响应频率的任何变化。这允许研究人员快速测量由流过通道的粒子引起的任何变化。

在本文中，研究人员随着它们的流过通道而跟踪了两个颗粒，并且显示它们可以将每个粒子的质量和位置区分开。使用四种振动模式，该装置可以获得约150纳米的分辨率。研究人员还计算出，如果他们可以包含八种模式，它们可以将分辨率提高到大约4纳米。

高分辨率大规模成像

该前进可以帮助促进被称为惯性成像的技术的开发，这使得使用几种振动模式以将物体坐在纳米机械谐振器上。

惯性成像可以允许科学家可视化非常小的颗粒，例如病毒或单分子。“多模体质量传感先前已被限制在空气或真空环境中，其中物体必须连接到谐振器。Manalis说，动态地在流动中实现这种动态实现的能力开辟了令人兴奋的可能性。

新的MIT技术可以使非常高速的惯性成像作为细胞流过通道。

“由Manalis Group开创的暂停纳米通道技术是显着的，”Caltech的物理学，应用物理学教授和生物工程教授Michael Roukes说，他们正在开创惯性成像但不是本研究的一部分。

“他们对我们同时监测位置和流体分析物的质量的应用开辟了许多新的可能性，”Roukes说。“延长他们充分利用的努力我们最近开发的惯性成像方法也将允许表征分析物的形状，除了质量和位置之外，它们流过纳米纳米。”

Manalis'实验室还使用新技术来研究细胞的密度如何变化，因为它们通过收缩。这可以帮助他们更好地了解癌细胞在转移时如何机械地表现，这需要通过小空间挤压。它们还使用PLL方法来通过在单个芯片上运行许多悬臂来提高吞吐量。

该研究由美国陆军研究办公室提供资金，该研究办公室融合医学和创新技术和国家科学基金会。

出版物：Selim Olcum等，“高速多模式质量传感解析动态纳米级质量分布，”自然通信6，物品编号：7070; DOI：10.1038 / ncomms8070

图像：塞里姆奥鲁姆