Vooruitgang in ‘optische pincetten’ om biomedisch onderzoek te stimuleren

Net zoals de Jedi’s in Star Wars de Force gebruiken om objecten op afstand te besturen, kunnen wetenschappers licht of optische kracht gebruiken om zeer kleine deeltjes te verplaatsen. De uitvinders van deze baanbrekende lasertechnologie, bekend als “optische pincetten”, ontvingen de Nobelprijs voor natuurkunde 2018.

Optische pincetten worden gebruikt in de biologie, geneeskunde en materiaalkunde om nanodeeltjes zoals goudatomen te assembleren en te manipuleren. De technologie berust echter op een verschil in de brekende eigenschappen van het gevangen deeltje en de omgeving.

Nu hebben wetenschappers een nieuwe techniek ontdekt waarmee ze deeltjes kunnen manipuleren die dezelfde brekende eigenschappen hebben als de achtergrondomgeving, waardoor ze een fundamentele technische uitdaging overwinnen.

De studie, “Optische pincetten voorbij brekingsindex-mismatch met behulp van sterk gedoteerde upconversion-nanodeeltjes”, is zojuist gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie​

“Deze doorbraak heeft een enorm potentieel, vooral op het gebied van geneeskunde”, zegt de leidende coauteur Dr. Fan Wang van de University of Technology Sydney (UTS).

“Het vermogen om de krachten van microscopisch kleine objecten in cellen te duwen, te trekken en te meten, zoals DNA-strengen of intracellulaire enzymen, zou kunnen leiden tot vooruitgang bij het begrijpen en behandelen van veel verschillende ziekten, zoals diabetes of kanker.

“Traditionele mechanische microsondes die worden gebruikt om cellen te manipuleren, zijn invasief en de positioneringsresolutie is laag. Ze kunnen alleen dingen meten als de stijfheid van een celmembraan, niet de kracht van moleculaire motoreiwitten in een cel”, zegt hij.

Het onderzoeksteam ontwikkelde een unieke methode om de refractieve eigenschappen en luminescentie van nanodeeltjes te regelen door nanokristallen te doteren met zeldzame aardmetaalionen.

Na deze eerste fundamentele uitdaging te hebben overwonnen, optimaliseerde het team vervolgens de dopingconcentratie van ionen om het vangen van nanodeeltjes op een veel lager energieniveau en met 30 keer verhoogde efficiëntie te bereiken.

“Traditioneel heb je honderden milliwatt laservermogen nodig om een ​​gouddeeltje van 20 nanometer op te vangen. Met onze nieuwe technologie kunnen we een deeltje van 20 nanometer vangen met tientallen milliwatt stroom”, zegt Xuchen Shan, eerste co-auteur en UTS Ph .D. kandidaat in de UTS School of Electrical and Data Engineering.

“Onze optische pincetten bereikten ook een record hoge gevoeligheid of ‘stijfheid’ voor nanodeeltjes in een wateroplossing. Opmerkelijk was dat de warmte die door deze methode werd gegenereerd verwaarloosbaar was in vergelijking met oudere methoden, dus onze optische pincetten bieden een aantal voordelen,” hij zegt.

Mede-leidende co-auteur Dr. Peter Reece, van de Universiteit van New South Wales, zegt dat dit proof-of-concept-onderzoek een belangrijke vooruitgang is in een veld dat steeds geavanceerder wordt voor biologische onderzoekers.

“Het vooruitzicht van het ontwikkelen van een zeer efficiënte krachtsonde op nanoschaal is zeer opwindend. De hoop is dat de krachtsonde kan worden gelabeld om intracellulaire structuren en organellen te richten, waardoor de optische manipulatie van deze intracellulaire structuren mogelijk wordt”, zegt hij.

De vooraanstaande professor Dayong Jin, directeur van het UTS Institute for Biomedical Materials and Devices (IBMD) en een vooraanstaande co-auteur, zegt dat dit werk nieuwe mogelijkheden biedt voor superresolutie functionele beeldvorming van intracellulaire biomechanica.

“IBMD-onderzoek is gericht op de vertaling van vooruitgang in fotonica en materiaaltechnologie naar biomedische toepassingen, en dit soort technologische ontwikkeling sluit goed aan bij deze visie”, zegt professor Jin.

“Zodra we de fundamentele wetenschappelijke vragen hebben beantwoord en nieuwe mechanismen van fotonica en materiaalkunde hebben ontdekt, gaan we ze toepassen. Deze nieuwe vooruitgang zal ons in staat stellen om minder krachtige en minder invasieve manieren te gebruiken om nanoscopische objecten, zoals levende wezens, te vangen. cellen en intracellulaire compartimenten, voor manipulatie met hoge precisie en biomechanische metingen op nanoschaal. ”