Новые оптические пинцеты захватывают образцы размером всего в несколько нанометров
Микромасштабная техника, известная как оптическое улавливание, использует лучи света в качестве пинцета для удержания и манипулирования крошечными частицами. Стэнфордские исследователи нашли новый способ улавливать частицы размером менее 10 нанометров — и, возможно, размером до нескольких атомов — которые до сих пор не попадали в свет.
Чтобы схватить и перемещать микроскопические объекты, такие как бактерии и компоненты живых клеток, ученые могут использовать силу концентрированного света, чтобы манипулировать ими, даже не касаясь их физически.
Теперь аспирант Амр Салех и доцент Дженнифер Дионн, исследователи из Стэнфордской инженерной школы, разработали инновационную световую апертуру, которая позволяет им оптически захватывать объекты меньшего размера, чем когда-либо прежде — потенциально всего несколько атомов размером.
Процесс оптического улавливания — или оптического выщипывания, как это часто известно, — включает в себя формирование луча света в узкой точке, которая создает сильное электромагнитное поле . Луч притягивает крошечные предметы и удерживает их на месте, как пинцет.
К сожалению, у этой техники есть естественные ограничения. Процесс нарушается для объектов, значительно меньших длины волны света . Поэтому оптический пинцет не может захватывать сверхмалые объекты, такие как отдельные белки, диаметр которых составляет всего пару нанометров.
Салех и Дионн теоретически показали, что свет, прошедший через их новую апертуру, будет стабильно удерживать объекты размером до 2 нанометров. Дизайн был опубликован в журнале Nano Letters , и в настоящее время Салех создает рабочий прототип микроскопического устройства.
Агонии масштаба
Как материаловед, Дженнифер Дионн вообразила оптический инструмент, который поможет ей точно перенести молекулярные строительные блоки в новые конфигурации. «Оптический пинцет казался по-настоящему классным способом сборки новых материалов », — сказала она. Дионна — старший автор статьи.
К сожалению, существующие оптические пинцеты не умеют обращаться с этими крошечными строительными блоками. «Уже несколько десятилетий известно, что захват объектов наноразмера светом будет непростой задачей», — говорит Дионн.
Проблема присуща самому лучу света. Оптическое улавливание обычно использует свет в видимом спектре (с длинами волн от 400 до 700 нанометров), так что ученый может реально увидеть образец, когда он манипулирует им.
Из-за физического ограничения, называемого дифракционным пределом света, наименьшее пространство, в котором оптический пинцет может захватывать частицу, составляет приблизительно половину длины волны светового луча. В видимом спектре это будет около 200 нанометров — половина самой короткой видимой длины волны 400 нанометров.
Таким образом, если рассматриваемый образец имеет ширину всего 2 нанометра — размер типичного белка — захват его в пространство 200 нанометров позволяет в лучшем случае обеспечить лишь очень слабый контроль. По масштабу это похоже на ведение гольяна с 20-метровой рыболовной сетью.
Кроме того, оптическая сила, которую свет может оказывать на объект, уменьшается по мере того, как объекты становятся меньше. «Если вы хотите поймать что-то очень маленькое, вам понадобится огромное количество энергии, которая сожжет ваш образец, прежде чем вы сможете его поймать», — сказал Салех.
Некоторые исследователи решают эту проблему, прикрепляя образец к гораздо большему объекту, который можно тащить со светом. Дионн отметил, однако, что важные молекулы, такие как инсулин или глюкоза, могут вести себя совершенно иначе, когда прикреплены к гигантским якорям, чем они сами по себе. Чтобы изолировать и перемещать крошечный объект без его обжаривания, исследователям был необходим способ обойти ограничения обычной оптической ловушки.
Обещание плазмоники
Дионн говорит, что наиболее многообещающий метод перемещения крошечных частиц светом основан на плазмонике, технологии, которая использует оптические и электронные свойства металлов. Сильный проводник, такой как серебро или золото, слабо удерживает свои электроны, давая им свободу передвижения вблизи поверхности металла.
Когда световые волны взаимодействуют с этими подвижными электронами, они движутся в том, что Дионн описывает как «очень четко определенный, запутанный танец», рассеивая и ваяя свет в электромагнитные волны, называемые плазмон-поляритонами. Эти колебания имеют очень короткую длину волны по сравнению с видимым светом, что позволяет им захватывать мелкие образцы более плотно.
Дионн и Салех применили плазмонные принципы для создания новой апертуры, которая более эффективно фокусирует свет. По словам Салеха, апертура структурирована во многом как коаксиальные кабели, которые передают телевизионные сигналы. Наноразмерная трубка серебра покрыта тонким слоем диоксида кремния, и эти два слоя обернуты вторым внешним слоем серебра. Когда свет проходит через кольцо диоксида кремния, он создает плазмоны на границе раздела, где встречаются серебро и диоксид кремния. Плазмоны движутся вдоль апертуры и появляются на другом конце в виде мощного концентрированного луча света.
Стэнфордское устройство — не первая плазмонная ловушка, но оно обещает поймать самые маленькие образцы, зарегистрированные на сегодняшний день. Салех и Дионн теоретически показали, что их конструкция может улавливать частицы размером до 2 нанометров . С дальнейшими усовершенствованиями их конструкция может даже использоваться для оптического захвата молекул еще меньшего размера.
Оптический мультиинструмент
Поскольку инструменты наноразмерного масштаба идут, эта новая оптическая ловушка была бы весьма универсальным устройством. Хотя исследователи впервые представили его в контексте материаловедения, его потенциальное применение охватывает многие другие области, включая биологию, фармакологию и геномику.
Дионн сказала, что сначала хотела бы уловить один белок и попытаться распутать его скрученную структуру, используя только видимый свет. Дионн указывает, что луч света также может быть использован для создания сильной силы тяги на стволовых клетках, которая, как было показано, меняет то, как эти важные строительные блоки дифференцируются в различные виды клеток. Салех, с другой стороны, особенно заинтересован в перемещении и укладке крошечных частиц, чтобы исследовать их силы притяжения и создавать новые «восходящие» материалы и устройства.
Однако все это в будущем. Тем временем Салех работает над тем, чтобы превратить дизайн в реальность.
