Nanodeeltjes vangen met een optisch pincet

Fluorescerende deeltjes vangen met Arago-vlekken. Credit: European Physical Journal E

Door gebruik te maken van een bepaalde eigenschap van lichtdiffractie op het grensvlak tussen een glas en een vloeistof, hebben onderzoekers de eerste optische pincet aangetoond die deeltjes op nanoschaal kan vangen.

Optische pincetten zijn een snelgroeiende technologie en hebben de afgelopen jaren een breed scala aan onderzoekstoepassingen geopend. De apparaten werken door deeltjes op de brandpunten van strak gefocusseerde laserstralen te vangen, waardoor onderzoekers de objecten kunnen manipuleren zonder enig fysiek contact. Tot nu toe werden optische pincetten gebruikt om objecten op slechts micrometers te begrenzen, maar er is nu een groeiende wens onder onderzoekers om de technologie uit te breiden tot deeltjes op nanometerschaal. In nieuw onderzoek gepubliceerd in EPJ E, Janine Emile en Olivier Emile van de Universiteit van Rennes, Frankrijk, demonstreren een nieuw pincetontwerp, waarmee ze voor het eerst fluorescerende deeltjes met een doorsnede van slechts 200 nanometer konden vangen.

Indien beschikbaar gesteld voor wijdverbreid gebruik, zouden optische vallen op nanoschaal kunnen worden gebruikt voor experimentele procedures die een extreme mate van precisie vereisen – inclusief directe metingen van krachten op nanoschaal, veranderingen van celmembranen en manipulaties van virussen en DNA-strengen. Het ontwerp van Emile en Emile was gebaseerd op ‘Arago-spots’: heldere lichtpunten die zich vormen in het midden van cirkelvormige schaduwen, terwijl het licht afbuigt rond de objecten die ze creëren. Bovendien vertrouwden ze op het principe van ’totale interne reflectie’ – waarbij lichtstralen die in de juiste hoek een glas-vloeistofinterface raken, worden perfect gereflecteerd.

In het experiment vuurde het duo een perfect uitgelijnde laserstraal af op het grensvlak tussen een glasplaat en een vloeistof met gesuspendeerde fluorescerende nanodeeltjes; met een ondoorzichtige ronde schijf die zijn pad gedeeltelijk blokkeert. De resulterende Arago-spot werd vervolgens volledig gereflecteerd op het grensvlak, waardoor een exponentieel vervagende golf ontstond die vanaf de plek in alle richtingen uitliep. Ten slotte zouden gesuspendeerde nanodeeltjes in deze donutvormige golf kunnen worden gepositioneerd en door een afzonderlijke laser kunnen worden aangeslagen om zelf licht uit te stralen. De resulterende krachten die door deze lichtgolven werden uitgeoefend, zorgden ervoor dat de deeltjes strak opgesloten raakten op de Arago-plek. Met verdere verbeteringen aan deze opstelling zouden optische pincetten op nanoschaal binnenkort nieuwe kansen voor onderzoek kunnen openen, op gebieden variërend van geneeskunde tot kwantumcomputers.