Fremskridt inden for optisk pincet for at øge biomedicinsk forskning

Ligesom Jedierne i Star Wars bruger Kraften til at kontrollere objekter på afstand, forskere kan bruge lys eller optisk kraft til at flytte meget små partikler. Opfinderne af denne banebrydende laserteknologi, kendt som "optisk pincet, " blev tildelt 2018 Nobelprisen i fysik.

Optisk pincet bruges i biologi, medicin og materialevidenskab til at samle og manipulere nanopartikler såsom guldatomer. Imidlertid, teknologien er afhængig af en forskel i brydningsegenskaberne for den fangede partikel og det omgivende miljø.

Nu har forskere opdaget en ny teknik, der giver dem mulighed for at manipulere partikler, der har de samme brydningsegenskaber som baggrundsmiljøet, overvinde en grundlæggende teknisk udfordring.

Studiet, "Optisk pincet ud over brydningsindeksmismatch ved hjælp af stærkt dopede opkonverteringsnanopartikler, " er netop blevet offentliggjort i Natur nanoteknologi .

"Dette gennembrud har et enormt potentiale, især inden for områder som medicin, " siger førende medforfatter Dr. Fan Wang fra University of Technology Sydney (UTS).

"Evnen til at skubbe, trække og måle kræfterne fra mikroskopiske genstande inde i celler, såsom DNA-strenge eller intracellulære enzymer, kan føre til fremskridt inden for forståelse og behandling af mange forskellige sygdomme som diabetes eller kræft.

"Traditionelle mekaniske mikroprober, der bruges til at manipulere celler, er invasive, og positioneringsopløsningen er lav. De kan kun måle ting som stivheden af ​​en cellemembran, ikke kraften af ​​molekylære motorproteiner inde i en celle, " han siger.

Forskerholdet udviklede en unik metode til at kontrollere brydningsegenskaberne og luminescensen af ​​nanopartikler ved at dope nanokrystaller med sjældne jordarters metalioner.

Efter at have overvundet denne første grundlæggende udfordring, holdet optimerede derefter dopingkoncentrationen af ​​ioner for at opnå fangst af nanopartikler på et meget lavere energiniveau, og med 30 gange øget effektivitet.

"Traditionelt du har brug for hundredvis af milliwatt laserkraft for at fange en 20 nanometer guldpartikel. Med vores nye teknologi, vi kan fange en 20 nanometer partikel ved at bruge titusvis af milliwatt strøm, " siger Xuchen Shan, første medforfatter og UTS Ph.D. kandidat i UTS School of Electrical and Data Engineering.

"Vores optiske pincet opnåede også en rekordhøj grad af følsomhed eller 'stivhed' for nanopartikler i en vandopløsning. Bemærkelsesværdigt, varmen genereret ved denne metode var ubetydelig sammenlignet med ældre metoder, så vores optiske pincet tilbyder en række fordele, " han siger.

Ledende medforfatter Dr. Peter Reece, fra University of New South Wales, siger, at denne proof-of-concept-forskning er et betydeligt fremskridt inden for et område, der bliver mere og mere sofistikeret for biologiske forskere.

"Udsigten til at udvikle en højeffektiv nanoskala kraftsonde er meget spændende. Håbet er, at kraftsonden kan mærkes til at målrette intracellulære strukturer og organeller, muliggør optisk manipulation af disse intracellulære strukturer, " han siger.

Den ærede professor Dayong Jin, Direktør for UTS Institute for Biomedical Materials and Devices (IBMD) og en førende medforfatter, siger, at dette arbejde åbner nye muligheder for super opløsning funktionel billeddannelse af intracellulær biomekanik.

"IBMD-forskning er fokuseret på oversættelse af fremskridt inden for fotonik og materialeteknologi til biomedicinske applikationer, og denne type teknologiudvikling er godt tilpasset denne vision, " siger professor Jin.

"Når vi har besvaret de grundlæggende videnskabelige spørgsmål og opdaget nye mekanismer inden for fotonik og materialevidenskab, så går vi for at anvende dem. Dette nye fremskridt vil give os mulighed for at bruge mindre kraftfulde og mindre invasive måder til at fange nanoskopiske objekter, såsom levende celler og intracellulære rum, til højpræcisionsmanipulation og biomekanikmåling på nanoskala."