Optiske fælder på chip manipulerer mange molekyler på én gang

(Phys.org) — Optisk fældefangst, en teknik til at studere enkelte molekyler, er traditionelt delikat, kræver særligt udstyr og et lydisoleret rum, med data indsamlet ét molekyle ad gangen.

Cornell-fysikere har krympet teknologien i en optisk fælde, som bruger lys til at suspendere og manipulere molekyler som DNA og proteiner, på en enkelt chip. Og i stedet for kun ét molekyle ad gangen, den nye enhed kan potentielt fange hundredvis af molekyler på én gang, reducere månedlange eksperimenter til dage.

"Vi elsker enkeltmolekyleeksperimenter, fordi dataene er smukke og klare, og vi lærer så meget ved at manipulere og forstyrre molekyler og se, hvordan tingene ændrer sig, " sagde Michelle Wang, professor i fysik, der ledede undersøgelsen offentliggjort online i Natur nanoteknologi 28. april. Men selve den eksperimentelle teknik kunne bruge en vis forbedring, som motiverede Wang, der studerer DNA og dets tilhørende motorproteiner, at overveje løsninger.

Wang og kolleger udviklede en ny type optisk fælde, trækker på nanofotonik – i dette tilfælde, ved at bruge lys som nanoskala-controllere – såvel som on-chip elektronik og mikrofluidik til at lave en lav-effekt, stabil enhed, der kan monteres på konventionelle mikroskoper.

Deres nøgleinnovation er genereringen af ​​kontrollerbare optiske stående bølger i nanofotoniske bølgeledere, dannet af to mod-udbredende lysbølger, der fungerer som optiske fælde-arrays. Dette design genbruger det samme lys for at producere flere fælder, som hver kan indeholde et molekyle, for eksempel, et enkelt DNA-molekyle.

"Det, vi har her, er et stabilt og kontrollerbart tredimensionelt fælde-array, " sagde Wang. "Det er aldrig blevet gjort før." De kalder deres enhed en nanophotonic standing wave array trap, eller nSWAT.

For at teste enhedens stabilitet – et vigtigt gennembrud – bankede laboratoriemedlemmer fysisk på mikroskopet, hvor de havde monteret deres chip. På grund af enhedens kompakte karakter, som passer på en skilling, de opdagede lidt, hvis der er nogen forstyrrelse.

I deres papir, de beskrev også transport af molekyler over en relativt lang afstand ved hjælp af bølgelederne. Denne evne lader den nye optiske fælde integreres med eksisterende fluorescensmærkningsteknikker til tagging af molekyler af interesse.

Fremstilling af nSWAT blev udelukkende udført på Cornell NanoScale Science and Technology Facility (CNF).

Eksperimenter beskrevet i papiret, "Nanofotonisk fældefangst til præcis manipulation af biomolekylære arrays, " blev afsluttet primært af co-first forfattere Mohammad Soltani og Jun Lin, begge postdoc-medarbejdere i Wang-laboratoriet, med betydelig hjælp fra flere studerende og postdocs i laboratoriet. Tidlige faser af projektet involverede nyttige diskussioner med, og udlånt udstyr fra, medforfatter Michal Lipson, professor i elektro- og computerteknik, en nanofotonik-ekspert.