Ny optisk pincet fanger prøver på blot et par nanometer på tværs

(Phys.org) – En mikroskalateknik kendt som optisk fangst bruger lysstråler som pincet til at holde og manipulere små partikler. Stanford-forskere har fundet en ny måde at fange partikler mindre end 10 nanometer - og potentielt ned til blot nogle få atomer i størrelse - som indtil nu har undsluppet lysets greb.

For at gribe og flytte mikroskopiske genstande, såsom bakterier og komponenterne i levende celler, videnskabsmænd kan udnytte kraften fra koncentreret lys til at manipulere dem uden nogensinde at røre dem fysisk.

Nu, ph.d.-studerende Amr Saleh og adjunkt Jennifer Dionne, forskere ved Stanford School of Engineering, har designet en innovativ lysåbning, der giver dem mulighed for optisk at fange mindre genstande end nogensinde før - potentielt kun få atomer i størrelse.

Processen med optisk indfangning – eller optisk pincet, som det ofte er kendt – involverer at forme en lysstråle ind i et smalt punkt, der frembringer et stærkt elektromagnetisk felt. Strålen tiltrækker små genstande og fanger dem på plads, ligesom en pincet.

Desværre, der er naturlige grænser for teknikken. Processen nedbrydes for objekter, der er væsentligt mindre end lysets bølgelængde. Derfor, en optisk pincet kan ikke fatte supersmå genstande som individuelle proteiner, som kun er et par nanometer i diameter.

Saleh og Dionne har teoretisk vist, at lys, der passerer gennem deres nye blænde, stabilt ville fange objekter så små som 2 nanometer. Designet blev offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver , og Saleh bygger nu en fungerende prototype af den mikroskopiske enhed.

Skalasmerter

Som materialeforsker, Jennifer Dionne forestillede sig et optisk værktøj, der ville hjælpe hende med præcist at flytte molekylære byggesten til nye konfigurationer. "Optisk pincet virkede som en rigtig fed måde at samle nye materialer på, " sagde hun. Dionne er avisens seniorforfatter.

Desværre, eksisterende optiske pincet er ikke dygtige til at håndtere disse små byggeklodser. "Det har været kendt i flere årtier, at det ville være en udfordring at fange objekter i nanostørrelse med lys, " sagde Dionne.

Problemet ligger i selve lysstrålen. Optisk fældefangning bruger typisk lys i det synlige spektrum (med bølgelængder mellem 400 og 700 nanometer), så forskeren faktisk kan se prøven, mens de manipulerer den.

På grund af en fysisk begrænsning kaldet lysets diffraktionsgrænse, det mindste rum, hvor optisk pincet kan fange en partikel, er cirka halvdelen af ​​lysstrålens bølgelængde. I det synlige spektrum vil dette være omkring 200 nanometer - halvdelen af ​​den korteste synlige bølgelængde på 400 nanometer.

Dermed, hvis den pågældende prøve kun er 2 nanometer bred - på størrelse med et typisk protein - giver det i bedste fald kun meget løs kontrol ved at fange det i et rum på 200 nanometer. Skalamæssigt, det svarer til at lede en minnow med et 20 meter bredt fiskenet.

Derudover den optiske kraft, som lys kan udøve på en genstand, aftager, efterhånden som genstandene bliver mindre. "Hvis du vil fange noget meget lille, du har brug for en enorm mængde kraft, som vil brænde din prøve, før du kan fange den, " sagde Saleh.

Nogle forskere kommer uden om dette problem ved at fastgøre prøven til en meget større genstand, som kan trækkes rundt med lys. Dionne bemærkede, imidlertid, at vigtige molekyler som insulin eller glukose kan opføre sig helt anderledes, når de er fastgjort til gigantiske ankre, end de ville gøre alene. For at isolere og flytte en lille genstand uden at stege den, forskerne havde brug for en vej uden om begrænsningerne ved konventionel optisk fældefangst.

Løftet om plasmonics

Dionne siger, at den mest lovende metode til at flytte små partikler med lys er afhængig af plasmonics, en teknologi, der udnytter metallers optiske og elektroniske egenskaber. En stærk leder som sølv eller guld holder sine elektroner svagt, giver dem frihed til at bevæge sig rundt i nærheden af ​​metallets overflade.

Når lysbølger interagerer med disse mobile elektroner, de bevæger sig i, hvad Dionne beskriver som "en meget veldefineret, indviklet dans, " spredning og skulptur af lyset til elektromagnetiske bølger kaldet plasmon-polaritoner. Disse svingninger har en meget kort bølgelængde sammenlignet med synligt lys, gør det muligt for dem at fange små prøver tættere.

Dionne og Saleh anvendte plasmoniske principper til at designe en ny blænde, der fokuserer lys mere effektivt. Blænden er struktureret meget som koaksialkabler, der transmitterer tv-signaler, sagde Saleh. Et nanoskala rør af sølv er belagt med et tyndt lag siliciumdioxid, og de to lag er pakket ind i et andet ydre lag af sølv. Når lyset skinner gennem siliciumdioxidringen, det skaber plasmoner ved grænsefladen, hvor sølv og siliciumdioxid mødes. Plasmonerne rejser langs åbningen og kommer frem i den anden ende som en kraftfuld, koncentreret lysstråle.

Stanford-enheden er ikke den første plasmoniske fælde, men det lover at fange de mindste eksemplarer, der er registreret til dato. Saleh og Dionne har teoretisk vist, at deres design kan fange partikler så små som 2 nanometer. Med yderligere forbedringer, deres design kunne endda bruges til optisk at fange molekyler endnu mindre.

Et optisk multiværktøj

Når værktøjer i nanoskala går, denne nye optiske fælde ville være en ganske alsidig gadget. Mens forskerne først forestillede sig det i forbindelse med materialevidenskab, dets potentielle anvendelser spænder over mange andre områder, herunder biologi, farmakologi, og genomik.

Dionne sagde, at hun først ville gerne fange et enkelt protein, og prøv at optrevle dens snoede struktur ved hjælp af synligt lys alene. Dionne påpeger, at lysstrålen også kunne bruges til at udøve en stærk trækkraft på stamceller, hvilket har vist sig at ændre, hvordan disse vigtige byggesten differentieres til forskellige slags celler. Saleh, på den anden side, er særligt begejstret for at flytte og stable små partikler for at udforske deres tiltrækkende kræfter og skabe nye, "bottom-up" materialer og enheder.

Alt dette er nede ad vejen, imidlertid. I mellemtiden, Saleh arbejder på at gøre designet til virkelighed. Han håber at have en prototype i begyndelsen af ​​2013.