Universelle optotermiske mikro/nanoskala rotorer

Den grundlæggende rotation af mikro- og nanoobjekter er afgørende for funktionaliteten af ​​mikro- og nanorobotik, såvel som tredimensionel billeddannelse og lab-on-a-chip-systemer. Disse optiske rotationsmetoder kan fungere brændstoffrit og eksternt, og er derfor bedre egnet til eksperimenter, mens nuværende metoder kræver laserstråler med designet intensitetsprofiler eller objekter med sofistikerede former. Disse krav er udfordrende for enklere optiske opsætninger med lysdrevet rotation af en række objekter, herunder biologiske celler.

I en ny rapport, der nu er offentliggjort i Science Advances , Hongru Ding og et forskerhold i ingeniør- og materialevidenskab ved University of Texas i Austin, USA, udviklede en universel tilgang til ud-af-planet rotation af forskellige objekter baseret på en vilkårlig lav-effekt laserstråle. Forskerne placerede laserkilden væk fra objekterne for at reducere optisk skade fra direkte belysning og kombinerede rotationsmekanismen via optotermisk kobling med strenge eksperimenter, koblet til multiskala-simuleringer. Den generelle anvendelighed og biokompatibilitet af den universelle lysdrevne rotationsplatform er medvirkende til en række tekniske og videnskabelige anvendelser.

Opto-termoelektrisk rotation

Ved at regulere rotationen af ​​objekter i mikro- og nanoskala har forskere bevist effektive funktionaliteter på tværs af præcis nanokirurgi, vakuumfriktion og mikrofluidisk flowkontrol. Lysdrevne mikro- og nanorotorer er en lovende brændstoffri mulighed, selvom sådanne enheder er forblevet udfordrende at bygge på, fordi de har brug for enklere optik med lav effekt for at opnå lysdrevet rotation. Ding et al foreslog opto-termoelektrisk rotation (OTER) i dette nye arbejde for at generere elektrokinetisk kraft, udtømningskraft og elektrisk kraft baseret på enkel optik med lav effekt.

Forskerholdet opnåede rotationen af ​​sfærisk symmetriske og homogene mikro- og nanopartikler via en enkelt Gauss-laserstråle placeret væk fra rotorerne for at reducere skaden forårsaget af direkte lysbelysning. Ved at kombinere eksperimenterne med multiskala-simuleringer afslørede de optotermisk rotation via elektrokinetiske interaktioner mellem mikro- og nanopartikler og substratet med termo-responsiv overfladeladning. Som bevis på konceptet viste holdet, hvordan OTER-strategien kunne rotere objekter af forskellige størrelser, materialer og former for at regulere det indfaldende lys og overfladekemi.

Forskerne illustrerede den eksperimentelle opsætning og arbejdsmekanisme for OTER - hvor en laserstråle genererede optotermiske kræfter på partiklerne. Ding et al skræddersyede nettokraften og drejningsmomentet via laserkraften og laserpartikelafstanden til rotation ud af planet af mikro- og nanoobjekterne. De rettede derefter laserstrålen til et lysabsorberende substrat såsom en porøs guldfilm for at etablere et skræddersyet temperaturfelt i mikrosekunder.

For optotermisk at generere de kræfter og drejningsmoment, der kræves til stabil rotorrotation, tilføjede Ding et al. polyethylenglycol (PEG) molekyler og fosfatbufret saltvand til vand og funktionaliserede substratet med carboxylsyre-terminerede alkanthiol monolag. Efter laserbelysning opnåede holdet en temperaturstigning for at skabe et termoelektrisk felt i nærvær af ioner for at drive termoelektroforese af den ladede rotor. De udforskede overfladeladningsgradienten på substratet for derefter at give en optotermisk afstembar elektrokinetisk kraft kendt som den termoelektriske kraft.

Karakterisering og modellering af opto-termoelektrisk rotation

Ding et al undersøgte rotationsadfærden af ​​lysdrevne rotorer ved at bruge optisk mikroskopi. De opnåede bedre undersøgelse af rotationsadfærd ved at mærke en polystyrenmikropartikel med to fluorescerende nano-perler med streptavidin-biotinbinding til ud-af-planet rotation af partikel drevet af en laser. Den observerede rotation uden for aksen beskyttede de sarte rotorer, inklusive levende celler, mod skader forårsaget af optisk belysning med høj effekt. Holdet inkorporerede yderligere finite element-analyse, molekylær dynamik og finite difference-tidsdomænesimuleringer for at analysere arbejdskræfterne af opto-termoelektriske rotorer. Forskerne beregnede de optotermiske kræfter og drejningsmomenter, der virker på rotoren som en funktion af partikel-laserafstand og udførte en række eksperimenter og simuleringer for at forstå virkningen af ​​elektrokinetisk kraft, udtømningskraft og termoelektrisk kraft ved at indstille overfladeladningen af substrat og komponenter i opløsningen.

Anvendelser af OTER

Ding et al viste virkningen af ​​OTER på biologiske celler og syntetiske partikler af forskellige materialer, størrelser og former. De viste rotationen af ​​nanoskala rotorer såsom polystyren-guld Janus-partikler ved at bruge mørkfelts optisk mikroskopi. OTER-metoden er også anvendelig til levende celler, herunder levende stammer af svampe, bakterier og endda menneskelige celler i cellekulturmedier indeholdende ioner. Derudover er metoden velegnet til rotorer med komplekse arkitekturer, herunder ud af planet rotation af partikeldimerer, trimere og hexamerer. Ved hjælp af metoden forestiller Ding et al. nøjagtig regulering af rotoren og laserstrålen for at opnå 3D-profilering af biologiske celler og syntetiske partikler med høj opløsning.

Outlook

På denne måde udnyttede Hongru Ding og kolleger termodiffusion af ioner og molekyler i opløsninger for at udvikle en termoresponsiv ladning ved faststof-væske-grænseflader. Den opto-termoelektriske strategi tillod rotation af objekter i mikro- og nanoskala i et flydende miljø med enkel optik med lav effekt. Metoden er overlegen i forhold til eksisterende konventionelle teknikker med universel anvendelighed til billedregistrering og biomedicinske anvendelser. Holdet forventer, at den optotermiske tilgang vil spille en væsentlig rolle i in vitro biologiske undersøgelser for at rotere celler og syntetiske partikler i native biovæsker med ioner og biomolekyler. + Udforsk yderligere

Opto-termoelektriske mikrosvømmere

© 2022 Science X Network