Достаточно маленькое, чтобы поместиться на ладони, устройство использует луч света, излучаемый кремниево-фотонным чипом, для манипулирования частицами на расстоянии миллиметров от его поверхности. Свет может проникать через стеклянные защитные стекла, которые защищают образцы, используемые в биологических экспериментах, позволяя клеткам оставаться в стерильной среде. Традиционные оптические пинцеты, которые улавливают и манипулируют частицами с помощью света, обычно требуют громоздких микроскопов, но оптические пинцеты на основе чипов могут предложить более компактное, массовое технологичное, широко доступное и высокопроизводительное решение для оптических манипуляций в биологических экспериментах. Однако другие подобные интегрированные оптические пинцеты могут захватывать и манипулировать только теми элементами, которые находятся очень близко к поверхности чипа или непосредственно на ней. Это загрязняет чип и может вызвать стресс у клеток, ограничивая совместимость со стандартными биологическими экспериментами.
Используя систему, называемую интегрированной оптической фазированной решеткой, исследователи из Массачусетского технологического института разработали новый метод интегрированного оптического пинцета, который позволяет захватывать и манипулировать клетками, находящимися более чем в сто раз дальше от поверхности чипа.
Описание метода
Оптические ловушки и пинцет используют сфокусированный луч света для захвата и манипулирования мельчайшими частицами. Микрочастицы будут притягиваться к интенсивно сфокусированному свету в центре, который будет захватывать их. Направляя луч света, исследователи могут притягивать микрочастицы за ним, что позволяет им бесконтактно манипулировать крошечными объектами. Тем не менее, оптический пинцет традиционно требует большого микроскопа в лаборатории, а также нескольких устройств для формирования и управления светом, что ограничивает место и способ их использования.
«С помощью кремниевой фотоники мы можем взять эту большую, как правило, лабораторную систему и интегрировать ее в чип. Это отличное решение для биологов, поскольку оно обеспечивает им функциональность оптического захвата и пинцета без накладных расходов, связанных со сложной объемно-оптической установкой», – говорит Нотарос.
Предыдущие устройства могли улавливать частицы только в нескольких микронах от поверхности чипа. Биологические образцы обычно хранятся в стерильной среде с использованием стеклянных защитных стекол толщиной около 150 микрон, поэтому единственный способ манипулировать ими с помощью такого чипа – извлечь клетки и разместить их на его поверхности.
Однако это приводит к загрязнению образцов и чипа. Каждый раз, когда проводится новый эксперимент, чип должен быть выброшен, а новые клетки должны быть помещены на новый чип.
Чтобы преодолеть эти проблемы, исследователи из Массачусетского технологического института разработали кремниевый фотонный чип, который излучает луч света, фокусирующийся на высоте около 5 миллиметров над его поверхностью. Таким образом, они могут захватывать и манипулировать биологическими частицами, которые остаются внутри стерильного защитного стекла, защищая как чип, так и частицы от загрязнения.
Манипулирование светом
Исследователи достигают этого с помощью системы, называемой интегрированной оптической фазированной решеткой. Эта технология включает в себя группу микромасштабных антенн, изготовленных на кристалле с использованием процессов производства полупроводников. Управляя электронным оптическим сигналом, излучаемым каждой антенной, исследователи могут формировать и направлять луч света, излучаемый чипом.
Большинство ранее интегрированных оптических фазированных решеток были разработаны для создания сильно сфокусированных лучей, необходимых для оптического захвата и манипулирования. Команда MIT обнаружила, что, создавая определенные фазовые диаграммы для каждой антенны, они могут формировать интенсивно сфокусированный луч света, который может быть использован для оптического захвата в миллиметрах от поверхности чипа.
«До этого никто не создавал оптический пинцет на основе кремниевой фотоники, способный захватывать микрочастицы на миллиметровом расстоянии. Это улучшение на несколько порядков выше по сравнению с предыдущими демонстрациями», – говорит Нотарос.
Изменяя длину волны оптического сигнала, который питает чип, исследователи могут направлять сфокусированный луч в диапазоне более миллиметра и с точностью до микромасштаба.
Чтобы протестировать свое устройство, исследователи начали с попытки захватить и манипулировать крошечными сферами из полистирола. Как только им это удалось, они перешли к улавливанию раковых клеток.
Источник: https://phys.org/news/2024-10-chip-based-tractor-biological-particles.html
