Maleńkie urządzenie wykorzystuje ściśle skupioną wiązkę światła do przechwytywania komórek i manipulowania nimi.
MIT badacze opracowali miniaturową „wiązkę przyciągającą” opartą na chipach, taką jak ta, która uchwyciła Sokoła Millennium w filmie „Gwiezdne wojny”, która pewnego dnia może pomóc biologom i klinicystom w badaniach DNAklasyfikować komórki i badać mechanizmy chorób.
Wystarczająco małe, aby zmieścić się w dłoni, urządzenie wykorzystuje wiązkę światła emitowaną przez chip krzemowo-fotoniczny do manipulowania cząsteczkami oddalonymi o milimetry od powierzchni chipa. Światło może przenikać przez szklane szkiełka nakrywkowe chroniące próbki używane w eksperymentach biologicznych, umożliwiając komórkom pozostanie w sterylnym środowisku.
Tradycyjne pęsety optyczne, które wyłapują cząstki i manipulują nimi za pomocą światła, zwykle wymagają nieporęcznych zestawów mikroskopów, ale pęsety optyczne oparte na chipach mogą stanowić bardziej kompaktowe, produkowane masowo, szeroko dostępne i wysokowydajne rozwiązanie do manipulacji optycznych w eksperymentach biologicznych.
Jednak inne podobne zintegrowane pęsety optyczne mogą wychwytywać i manipulować tylko komórkami, które znajdują się bardzo blisko lub bezpośrednio na powierzchni chipa. Zanieczyszcza to chip i może obciążać komórki, ograniczając zgodność ze standardowymi eksperymentami biologicznymi.
Korzystając z systemu zwanego zintegrowanym optycznym układem fazowym, badacze z MIT opracowali nową metodę zintegrowanych pęset optycznych, która umożliwia wychwytywanie i pęsety komórek znajdujących się ponad sto razy dalej od powierzchni chipa.
„Ta praca otwiera nowe możliwości dla pęset optycznych opartych na chipach, umożliwiając chwytanie i pęsety komórek na znacznie większe odległości niż wcześniej wykazano. Myślenie o różnych zastosowaniach, które mogłaby umożliwić ta technologia, jest ekscytujące” – mówi Jelena Notaros, profesor rozwoju kariery Roberta J. Shillmana w dziedzinie elektrotechniki i informatyki (EECS) oraz członek Laboratorium Badawczego Elektroniki.
Do Notarosa w artykule dołączyli główny autor i absolwent EECS, Tal Sneh; Sabrina Corsetti, absolwentka EECS; Doktor Milica Notaros ’23; Doktor Kruthika Kikkeri ’24; oraz Joel Voldman, profesor EECS Williama R. Brody’ego. Wyniki badań opublikowano niedawno w Komunikacja przyrodnicza.
Nowy sposób łapania
Pułapki optyczne i pęsety wykorzystują skupioną wiązkę światła do wychwytywania i manipulowania drobnymi cząsteczkami. Siły wywierane przez wiązkę będą przyciągać mikrocząstki w stronę intensywnie skupionego światła w środku i wychwytywać je. Sterując wiązką światła, badacze mogą ciągnąć za sobą mikrocząstki, umożliwiając im manipulowanie małymi obiektami przy użyciu sił bezkontaktowych.
Jednak pęsety optyczne tradycyjnie wymagają dużego mikroskopu w laboratorium, a także wielu urządzeń do formowania i kontrolowania światła, co ogranicza miejsce i sposób ich wykorzystania.
„Dzięki fotonice krzemowej możemy zintegrować ten duży, typowo laboratoryjny system z chipem. Stanowi to doskonałe rozwiązanie dla biologów, ponieważ zapewnia im funkcję pułapkowania optycznego i pęsety bez konieczności obciążania skomplikowaną konfiguracją optyczną masową” – mówi Notaros.
Jednak jak dotąd pęsety optyczne oparte na chipach były w stanie emitować światło jedynie bardzo blisko powierzchni chipa, więc te wcześniejsze urządzenia mogły wychwytywać cząsteczki jedynie o kilka mikronów od powierzchni chipa. Próbki biologiczne są zazwyczaj trzymane w sterylnych warunkach przy użyciu szklanych szkiełek nakrywkowych o grubości około 150 mikronów, więc jedynym sposobem manipulowania nimi za pomocą takiego chipa jest wyjęcie komórek i umieszczenie ich na powierzchni.
Prowadzi to jednak do zanieczyszczenia wiórów. Za każdym razem, gdy przeprowadzany jest nowy eksperyment, chip należy wyrzucić, a komórki umieścić w nowym chipie.
Aby stawić czoła tym wyzwaniom, badacze z MIT opracowali krzemowy chip fotoniczny, który emituje wiązkę światła skupiającą około 5 milimetrów nad jego powierzchnią. W ten sposób mogą wychwytywać i manipulować cząsteczkami biologicznymi pozostałymi w sterylnym szkiełku nakrywkowym, chroniąc zarówno chip, jak i cząstki przed zanieczyszczeniem.
Manipulowanie światłem
Naukowcy osiągają to za pomocą systemu zwanego zintegrowanym optycznym układem fazowanym. Technologia ta obejmuje szereg anten w mikroskali wytwarzanych na chipie przy użyciu procesów produkcyjnych półprzewodników. Kontrolując elektronicznie sygnał optyczny emitowany przez każdą antenę, badacze mogą kształtować i sterować wiązką światła emitowaną przez chip.
Motywowany przez zastosowania dalekiego zasięgu, takie jak lidarwiększość wcześniejszych zintegrowanych optycznych układów fazowanych nie była projektowana do generowania ściśle skupionych wiązek potrzebnych do pęsety optycznej. Zespół z MIT odkrył, że tworząc specyficzne wzorce fazowe dla każdej anteny, mogą one utworzyć intensywnie skupioną wiązkę światła, którą można wykorzystać do wychwytywania optycznego i wycinania milimetrów od powierzchni chipa.
„Nikt wcześniej nie stworzył pęsety optycznej opartej na krzemie i fotonice, zdolnej do wychwytywania mikrocząstek na odległość w skali milimetrowej. Jest to postęp o kilka rzędów wielkości większy w porównaniu z wcześniejszymi demonstracjami” – mówi Notaros.
Zmieniając długość fali sygnału optycznego zasilającego chip, badacze mogli sterować skupioną wiązką w zakresie większym niż milimetr i w mikroskali dokładność.
Aby przetestować swoje urządzenie, badacze rozpoczęli od próby przechwycenia malutkiego obiektu i manipulowania nim polistyren kule. Kiedy im się to udało, zajęli się łapaniem i pęsetą komórek nowotworowych dostarczonych przez grupę Voldmana.
„W procesie stosowania fotoniki krzemowej w biofizyce pojawiło się wiele wyjątkowych wyzwań” – dodaje Sneh.
Naukowcy musieli na przykład określić, w jaki sposób śledzić ruch cząstek próbki w sposób półautomatyczny, ustalić odpowiednią siłę pułapki, aby utrzymać cząstki na miejscu, i na przykład skutecznie przetwarzać dane.
W końcu udało im się pokazać pierwsze eksperymenty z komórkami z pęsetą optyczną o pojedynczej wiązce.
Opierając się na tych wynikach, zespół ma nadzieję udoskonalić system, aby umożliwić regulowaną wysokość ogniskowej wiązki światła. Chcą także zastosować urządzenie w różnych układach biologicznych i wykorzystać wiele miejsc pułapek jednocześnie, aby manipulować cząstkami biologicznymi w bardziej złożony sposób.
Odniesienie: „Optyczne tweezowanie mikrocząstek i komórek przy użyciu optycznych układów fazowanych opartych na krzemie i fotonice” autorstwa Tal Sneh, Sabrina Corsetti, Milica Notaros, Kruthika Kikkeri, Joel Voldman i Jelena Notaros, 3 października 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-52273-x
Badania te są finansowane przez National Science Foundation (NSF), stypendium MIT Frederick and Barbara Cronin Fellowship oraz MIT Rolf G. Locher Endowed Fellowship.
