Биофотоника в действии

Оптическая сила обратного действия, опосредованная фотонными наноструями, позволяет проводить параллельные манипуляции, что может помочь исследователям в разработке фотонных устройств с биологическими материалами.

Классификация клеток может быть достигнута с помощью оптического обнаружения и манипулирования многими клетками в течение короткого промежутка времени с высокой чувствительностью, но крупномасштабные манипуляции со светом представляют собой проблему. Клетки можно представить как сферические или эллиптические диэлектрические микрочастицы, и показатель преломления большинства клеток имеет тенденцию быть выше, чем у окружающей их среды. Таким образом, клетки могут фокусировать свет в узкие фотонные наноструи — световые лучи высокой интенсивности.

Группа исследователей из Китая, Сингапура и Гонконга использует способность микрочастиц концентрировать свет, поскольку сила электрического поля внутри фотонной наноструи может быть значительно увеличена. Молекулы жидкости поглощают энергию и приобретают кинетическую энергию, а часть этот импульс передается диэлектрическим микрочастицам. Это заставляет микрочастицы идти к источнику света.

«В отличие от кавитационного пузыря со сверхбыстрым лазером, наш метод использует гораздо более мягкую дозу света для создания обратного воздействия на диэлектрические частицы», — говорит Кеннет Кин-Ип Вонг, профессор электротехники и электроники в Университете Гонконга. «Сила радиационного давления толкает частицы вперед, в то время как притягивание частиц использует свет (силу обратного действия), которая играет до сих пор непредвиденную роль в манипулировании микрочастицами».

Вонг и его коллеги наблюдали нелинейный гистерезис — явление, при котором значение физического свойства отстает от изменений вызывающего его эффекта — силы противодействия. Это означает, что наноструя с усиленным электрическим полем повышает локальную температуру молекул растворителя внутри наноструи. Как только микросфера перемещается в следующую позицию, тепло внутри наноструи в конечном итоге рассеивается в окружающую среду и способствует глобальному изменению температуры внутри камеры.

«Разница откликов локальной и глобальной температуры приводит к нелинейному гистерезису», — говорит Ченг-Вей Цю, профессор электротехники и вычислительной техники в Национальном университете Сингапура. «Поведение гистерезиса было подтверждено как в диэлектрических полимерных сферах, так и в биологических раковых клетках. А силовой гистерезис можно использовать для изменения направления силы при наличии двух встречных лучей».

Ранее команда провела эксперимент с пикосекундным лазером с синхронизацией мод. Но на этот раз они продемонстрировали, что лазер с непрерывной волной также может притягивать диэлектрические частицы.

«Наша работа была проверена на разных длинах волн от 1 до 2 мкм, что предполагает высокое поглощение воды», — говорит Ю-Сюань Рен, доцент Института трансляционных исследований мозга Университета Фудань. «Это предполагает возможность использования двух встречных лучей с разными пространственно-временными профилями для балансировки силы противодействия».

Однолучевые оптические пинцеты воздействуют на микрочастицы и могут обнаруживать смещение с высокой точностью, но возникают проблемы с увеличением пропускной способности. «Распараллеливание с помощью голографии может создать массив ловушек с увеличенным бюджетом мощности, но этого все еще недостаточно для высокопроизводительных приложений классификации отдельных частиц из-за сложности управления лучом», — говорит Вонг.

Обычная отрицательная сила фотофореза основана на градиенте температуры, вызванном двумя сторонами частицы с разной реакцией на свет, также известной как частица Януса. Сила, опосредованная наноструями, возникает с однородными диэлектрическими частицами без сложного изготовления.

Фотоснимки команды (см. рисунок) показывают, что клетками можно манипулировать с помощью встречных лучей с реверсивным направлением. «Хотя мы отметили одну раковую клетку пунктирной окружностью, все клетки в поле зрения движутся параллельно к источнику света сильного луча», — говорит Рен. «Опосредованная фотонными наноструями оптическая сила противодействия обеспечивает это превосходство в параллельной манипуляции».

Они также сделали наблюдение о силе противодействия, зависящей от истории, которая может помочь им разработать фотонное устройство из биологических материалов. «Коллоидная гидродинамическая суспензия представляет собой новую платформу для изучения нелинейного явления», — объясняет Вонг. «А параллельное манипулирование позволяет создавать фотонные устройства с использованием массивных биологических клеток, и, что наиболее важно, параллельное манипулирование не имеет ограничений с точки зрения пространственной области».