Kolloide nanotweezere er et nyt værktøj til avanceret partikelmanipulation

Værktøjer til manipulation af små suspenderede partikler såsom celler, mikropartikler og nanopartikler spiller en væsentlig rolle i udviklingen af ​​fundamental videnskab og opdagelse af nye teknologier. Især, manipulation af materialer med lys har ført til betydelige gennembrud inden for forskellige områder fra atomfysik til mikrobiologi og molekylær medicin. For mere end 30 år siden, Arthur Ashkin fra Bell labs foreslog først en enhed, der brugte fokuseret laserlys til at fange objekter, der delte Nobelprisen i fysik i 2018. Disse enheder er kendt som optisk pincet og nu et vigtigt instrument i biologi, blød stof fysik og kvanteoptik forskning.

Et stort problem med optisk pincet og andre konventionelle fangstteknikker er deres manglende evne til at holde objekter af ekstremt lille størrelse, også kaldet fragt. Forestil dig at samle saltkorn op med kun et par nåle! Det, der gør det hårdt, er, at den krævede kraft for at fange en partikel reduceres, når dens størrelse falder. Det vigtigste teknologiske gennembrud for at gøre det muligt for disse optiske pincetter at nå dybere ind i nanoskalaen og blive såkaldte "nanotweezere" har været plasmonik. Når det belyses af lys, ædle metalliske nanostrukturer skaber et stærkt elektromagnetisk felt omkring sig selv, der kan tiltrække og fange nanopartikler, der er tæt på.

Imidlertid, plasmoniske pincetter har også begrænsninger. Med et begrænset omfang af indflydelse og fastgørelse i rummet, disse pincetter kan kun fange nanopartikler i deres nærhed. Dette gør hele fangstprocessen i sagens natur langsom og ineffektiv til transport. Så, det er vigtigt at designe en teknik, der har effektiviteten af ​​en traditionel plasmonisk pincet, men, på samme tid, er manøvrerbar som konventionelle optiske pincetter.

I tidligere værker (udgivet i Science Robotics ), forskerne viste manøvredygtighed af plasmoniske pincetter for første gang ved kombineret effekt af magnetisk og optisk kraft. Imidlertid, på grund af denne hybrid tilgang, disse pincetter er ikke anvendelige til visse typer kolloider, såsom magnetisk nanopartikel. Det var heller ikke muligt uafhængigt at kontrollere dem til parallelle manipulationsøvelser.

I dette arbejde, offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation , forskerne demonstrerer en avanceret nanomanipulationsteknik, der arbejder på optiske kræfter alene og derfor alsidig. I forsøget, de har integreret en plasmonisk nanodisk (lavet af sølv) til en dielektrisk mikrorod (lavet af glas) og manøvreret hybridstrukturen med en fokuseret laserstråle. Dette er en unik manifestation af "pincet i en pincet" koncept, hvor fangst og manøvrering opnås med en enkelt laserstråle. Disse helt optiske nanotweezere kan køres til ethvert målobjekt i ethvert fluidisk miljø med præcis kontrol for at fange, transport og frigivelse af nanoskala ladninger så små som 40 nm (typisk længdeskala af virus, DNA og forskellige makromolekyler) med høj hastighed og effektivitet. Forskerne viste også parallel og uafhængig kontrol ved manipulation med forskellige nanoobjekter, herunder fluorescerende nanodiamanter, magnetiske nanopartikler med ultralav lasereffekt, som er lavere end den typiske skadesgrænse for bløde biologiske objekter.

Denne demonstrerede teknologi kan muliggøre isolation, manipulation og chip-niveau samling af nanomaterialer såsom nanokrystaller, fluorescerende nanodiamanter og kvantepunkter, og tillade ikke-invasiv manipulation af skrøbelige bioprøver, såsom bakterier, virus og forskellige makromolekyler. Bortset fra at bære små genstande til forskellige steder i en mikrofluidisk enhed, forskerne kan også lokalisere dem med høj rumlig opløsning og derefter tage dem væk om nødvendigt. Denne evne kan åbne nye veje inden for nanoskala -samling og -føling.