Ερευνητές του MIT δημιούργησαν ελκτική ακτίνα τύπου... Star Wars

Οι ερευνητές του MIT ανέπτυξαν μια μικροσκοπική «ελκτική ακτίνα» όπως αυτή που αιχμαλωτίζει το Millennium Falcon στην ταινία Star Wars, η οποία θα μπορούσε κάποια μέρα να βοηθήσει τους βιολόγους και τους κλινικούς γιατρούς να μελετήσουν το DNA, να ταξινομήσουν τα κύτταρα και να διερευνήσουν τους μηχανισμούς των ασθενειών.

Αρκετά μικρή ώστε να χωράει στην παλάμη του χεριού σας, η συσκευή χρησιμοποιεί μια δέσμη φωτός που εκπέμπεται από ένα φωτονικό chip πυριτίου για να χειρίζεται σωματίδια χιλιοστά μακριά από την επιφάνεια του chip. Το φως μπορεί να διαπεράσει τα γυάλινα καλύμματα που προστατεύουν τα δείγματα που χρησιμοποιούνται σε βιολογικά πειράματα, επιτρέποντας στα κύτταρα να παραμείνουν σε αποστειρωμένο περιβάλλον.

Οι παραδοσιακές οπτικές λαβίδες, οι οποίες παγιδεύουν και χειρίζονται σωματίδια με τη χρήση φωτός, απαιτούν συνήθως ογκώδεις μικροσκοπικές διατάξεις, αλλά οι οπτικές λαβίδες που βασίζονται σε chips θα μπορούσαν να προσφέρουν μια πιο συμπαγή, μαζικά κατασκευάσιμη, ευρέως προσβάσιμη και υψηλής απόδοσης λύση για τον οπτικό χειρισμό σε βιολογικά πειράματα.

Ωστόσο, άλλες παρόμοιες ολοκληρωμένες οπτικές τσιμπίδες μπορούν να συλλάβουν και να χειριστούν μόνο κύτταρα που βρίσκονται πολύ κοντά ή απευθείας στην επιφάνεια του chip. Αυτό μολύνει το chip και μπορεί να καταπονήσει τα κύτταρα, περιορίζοντας τη συμβατότητα με τα συνήθη βιολογικά πειράματα.

Χρησιμοποιώντας ένα σύστημα που ονομάζεται ολοκληρωμένη οπτική φασική συστοιχία, οι ερευνητές του ΜΙΤ ανέπτυξαν έναν νέο τρόπο λειτουργίας για ολοκληρωμένες οπτικές λαβίδες που επιτρέπει την παγίδευση και το τσιμπήματα κυττάρων πάνω από εκατό φορές μακρύτερα από την επιφάνεια του chip.

«Αυτή η εργασία ανοίγει νέες δυνατότητες για οπτικές τσιμπίδες που βασίζονται σε chip, επιτρέποντας την παγίδευση και τσιμπήματα κυττάρων σε πολύ μεγαλύτερες αποστάσεις από ό,τι είχε αποδειχθεί προηγουμένως. Είναι συναρπαστικό να σκέφτεται κανείς τις διαφορετικές εφαρμογές που θα μπορούσαν να υλοποιηθούν με αυτή την τεχνολογία», αναφέρει η Jelena Notaros, καθηγήτρια στην Ηλεκτρολογική Μηχανική και Επιστήμη των Υπολογιστών (EECS) και μέλος του Ερευνητικού Εργαστηρίου Ηλεκτρονικής.

Οι οπτικές παγίδες και τσιμπίδες χρησιμοποιούν μια εστιασμένη δέσμη φωτός για τη σύλληψη και το χειρισμό μικροσκοπικών σωματιδίων. Οι δυνάμεις που ασκούνται από τη δέσμη τραβούν τα μικροσωματίδια προς το έντονα εστιασμένο φως στο κέντρο, συλλαμβάνοντάς τα. Κατευθύνοντας τη δέσμη φωτός, οι ερευνητές μπορούν να τραβήξουν τα μικροσωματίδια μαζί της, επιτρέποντάς τους να χειρίζονται μικροσκοπικά αντικείμενα χρησιμοποιώντας δυνάμεις χωρίς επαφή.

Ωστόσο, οι οπτικές λαβίδες παραδοσιακά απαιτούν μια μεγάλη εγκατάσταση μικροσκοπίου σε ένα εργαστήριο, καθώς και πολλαπλές συσκευές για τον σχηματισμό και τον έλεγχο του φωτός, γεγονός που περιορίζει το πού και πώς μπορούν να αξιοποιηθούν.

«Με τη φωτονική πυριτίου, μπορούμε να πάρουμε αυτό το μεγάλο, συνήθως εργαστηριακής κλίμακας σύστημα και να το ενσωματώσουμε σε ένα chip. Αυτό αποτελεί μια εξαιρετική λύση για τους βιολόγους, καθώς τους παρέχει οπτική παγίδευση και λειτουργικότητα τσιμπήματος χωρίς τα γενικά έξοδα μιας περίπλοκης οπτικής διάταξης μεγάλου όγκου», σημειώνει η Notaros.

Αλλά μέχρι στιγμής, οι οπτικές λαβίδες που βασίζονται σε chip ήταν ικανές να εκπέμπουν φως μόνο πολύ κοντά στην επιφάνεια του chip, οπότε αυτές οι προηγούμενες συσκευές μπορούσαν να συλλάβουν σωματίδια μόνο μερικά μικρόμετρα μακριά. Τα βιολογικά δείγματα συνήθως διατηρούνται σε αποστειρωμένα περιβάλλοντα χρησιμοποιώντας γυάλινα καλύμματα πάχους περίπου 150 μικρομέτρων, οπότε ο μόνος τρόπος να τα χειριστούμε με ένα τέτοιο chip είναι να βγάλουμε τα κύτταρα και να τα τοποθετήσουμε στην επιφάνειά του. Κάτι τέτοιο, όμως, οδηγεί σε μόλυνση του chip. Κάθε φορά που γίνεται ένα νέο πείραμα, το chip πρέπει να πετιέται και τα κύτταρα πρέπει να τοποθετούνται σε ένα νέο.

Για να ξεπεράσουν αυτές τις προκλήσεις, οι ερευνητές του ΜΙΤ ανέπτυξαν ένα φωτονικό chip πυριτίου που εκπέμπει μια δέσμη φωτός που εστιάζει περίπου 5 χιλιοστά πάνω από την επιφάνειά του. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούν να συλλάβουν και να χειριστούν βιολογικά σωματίδια που παραμένουν μέσα σε ένα αποστειρωμένο κάλυμμα, προστατεύοντας τόσο το chip όσο και τα σωματίδια από τη μόλυνση.

Οι ερευνητές το επιτυγχάνουν αυτό χρησιμοποιώντας ένα σύστημα που ονομάζεται ολοκληρωμένη οπτική διάταξη φάσης. Αυτή η τεχνολογία περιλαμβάνει μια σειρά από μικροσκοπικές κεραίες που κατασκευάζονται σε ένα chip χρησιμοποιώντας διαδικασίες κατασκευής ημιαγωγών. Ελέγχοντας ηλεκτρονικά το οπτικό σήμα που εκπέμπεται από κάθε κεραία, οι ερευνητές μπορούν να διαμορφώνουν και να κατευθύνουν τη δέσμη φωτός που εκπέμπεται από το chip.

Αντλώντας έμπνευση από εφαρμογές μεγάλης εμβέλειας όπως το LiDAR, οι περισσότερες προηγούμενες ολοκληρωμένες οπτικές φασικές συστοιχίες δεν είχαν σχεδιαστεί για να παράγουν τις στενά εστιασμένες δέσμες που απαιτούνται για την οπτική τσιμπίδα. Η ομάδα του ΜΙΤ ανακάλυψε ότι, δημιουργώντας συγκεκριμένα μοτίβα φάσης για κάθε κεραία, μπορούσαν να σχηματίσουν μια έντονα εστιασμένη δέσμη φωτός, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οπτική παγίδευση και τσιμπήματα χιλιοστά από την επιφάνεια του chip.

«Κανείς δεν είχε δημιουργήσει στο παρελθόν οπτικές λαβίδες με βάση τη φωτονική πυριτίου ικανές να παγιδεύουν μικροσωματίδια σε απόσταση χιλιοστών. Πρόκειται για μια βελτίωση πολλών τάξεων μεγέθους μεγαλύτερη σε σύγκριση με προηγούμενες επιδείξεις», αναφέρει η Notaros.

Μεταβάλλοντας το μήκος κύματος του οπτικού σήματος που τροφοδοτεί το chip, οι ερευνητές μπόρεσαν να κατευθύνουν την εστιασμένη δέσμη σε ένα εύρος μεγαλύτερο του χιλιοστού και με ακρίβεια μικροκλίμακας.

Για να δοκιμάσουν τη συσκευή τους, οι ερευνητές ξεκίνησαν προσπαθώντας να συλλάβουν και να χειριστούν μικροσκοπικές σφαίρες πολυστυρενίου. Μόλις τα κατάφεραν, προχώρησαν στην παγίδευση και το τσίμπημα καρκινικών κυττάρων.

Υπήρχαν πολλές μοναδικές προκλήσεις που προέκυψαν κατά τη διαδικασία εφαρμογής της φωτονικής πυριτίου στη Βιοφυσική. Για παράδειγμα, οι ερευνητές έπρεπε να καθορίσουν πώς να παρακολουθούν την κίνηση των σωματιδίων του δείγματος με ημιαυτόματο τρόπο, να εξακριβώσουν την κατάλληλη ισχύ της παγίδας για τη συγκράτηση των σωματιδίων στη θέση τους και να κάνουν αποτελεσματική μετεπεξεργασία των δεδομένων. Στο τέλος, κατάφεραν να παρουσιάσουν τα πρώτα πειράματα με κύτταρα με οπτική λαβίδα μονής δέσμης.

Βασιζόμενη σε αυτά τα αποτελέσματα, η ομάδα ελπίζει να βελτιώσει το σύστημα ώστε να καταστεί δυνατή η ρύθμιση του εστιακού ύψους της δέσμης φωτός. Θέλουν επίσης να εφαρμόσουν τη συσκευή σε διαφορετικά βιολογικά συστήματα και να χρησιμοποιήσουν ταυτόχρονα πολλαπλά σημεία παγίδευσης για να χειρίζονται βιολογικά σωματίδια με πιο σύνθετους τρόπους.

[via]