W 1969 r. Arthur Ashkin zaobserwował, że że działając laserem na obiekty w skali mikroskopowej można nadawać im przyśpieszenie. W 1986 r. uczony zademonstrował optyczną pęsetę, czyli specjalne “szczypce”, które wykorzystują światło lasera do manipulowania cząstkami. Ponad 30 lat później – w 2018 roku – Ashkin został za to uhonorowany Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki.
Szczypce optyczne są dzisiaj jednym z najbardziej podstawowych instrumentów pozwalających na badanie układów biologicznych. Mają jednak swoje ograniczenia. Zbyt długa interakcja cząstki z wiązką lasera może ją uszkodzić. Naukowcy z University of Texas znaleźli sposób, jak to zmienić.
Zapobiec przegrzewaniu
Aby uniknąć przegrzania próbki, amerykańscy uczeni postanowili rozprawić się z dwoma kwestiami. W nowej generacji pęset optycznych zastosowali podłoże złożone z materiałów, które są chłodzone, gdy świeci na nie laser. Podstawą działania szczypiec optycznych jest zjawisko termoforezy, czyli ruch cząstek w kierunku środowiska o niższej temperaturze. Dzięki rozwiązaniu problemu przegrzania, pęsety mogą być szerzej wykorzystywane do badania układów biologicznych – komórek, DNA czy bakterii.
Pęsety optyczne mają wiele zalet, ale są ograniczone, ponieważ za każdym razem, gdy światło wychwytuje obiekty, materiał nagrzewają się. Nasze narzędzie rozwiązuje to krytyczne wyzwanie; zamiast podgrzewać uwięzione obiekty, mamy je kontrolowane w niższej temperaturze.profesor nadzwyczajny Yuebing Zheng z Walker Department of Mechanical Engineering
Trzeba pamiętać, że szczypce optyczne działają na podobnej zasadzie jak klasyczne pęsety. Ich zadaniem jest podnoszenie obiektów, ale operują w znacznie mniejszej skali. Jednym z najczęstszych zastosowań jest analiza DNA.
Za każdym razem, gdy musimy dodać kolejne kroki do procesu podnoszenia cząsteczek, zwiększamy niepewność pomiaru. Wprowadzenie czegoś do układu biologicznego może mieć na niego wpływ.Yuebing Zheng
Nowa wersja pęsety optycznej eliminuje te dodatkowe działania, które mogą zaburzać pomiar.
Pęseta do płynów biologicznych
Teraz naukowcy z University of Texas chcą opracować autonomiczne systemy sterowania, dzięki którym operowanie ich optyczną pęsetą będzie łatwiejsze. Być może w przyszłości będą mogły używać ich osoby bez specjalnych kwalifikacji – tylko po krótkim przeszkoleniu. Ambitnym celem jest zastosowanie szczypiec optycznych do pracy z płynami biologicznymi, jak krew i mocz. Naukowcy pracują nad komercjalizacją i opatentowaniem swojego rozwiązania.
W kolejnych latach pęsety optyczne będą jeszcze dokładniejsze, a prof. Zheng ma kilka pomysłów jak to osiągnąć. Jego zdaniem, kluczem jest wspomniany proces termoforezy.
