Meccanismo di funzionamento della rotazione fuori piano guidata dalla luce di rotori in micro/nanoscala. (A) Uno schema semplificato che illustra la configurazione sperimentale e il funzionamento per OTER di micro/nanoparticelle. (B) Meccanismo di lavoro di OTER:(i) Nel campo della temperatura non uniforme, gli ioni Na+ e Cl− e le molecole PEG diffondono nella regione fredda. Le frecce gialle indicano le forze di esaurimento discrete (FDi) che agiscono sul rotore, che portano a una forza di esaurimento totale (FD) in (iv). (ii) Un campo TE è creato dalla separazione degli ioni Na+ e Cl− a causa dei loro diversi coefficienti di termodiffusione. Le frecce grigie indicano la direzione del campo TE. (iii) Il campo di temperatura influenza anche la dissociazione dei gruppi funzionali carbossilici, quindi le cariche superficiali sul substrato. (iv) Forze optotermiche e coppia sul rotore:allo stato stazionario, la distribuzione del gradiente delle molecole di PEG genera una forza di esaurimento attraente (FD) sulla particella. Dal campo TE viene generata una forza repulsiva (FTE). Una forza termoelettrocinetica (FEK) proviene dal substrato plasmonico rivestito di acido 11-mercaptoundecanoico con carica superficiale termoreattiva non uniforme (da -65 a -58 mV). La carica superficiale della maggior parte delle particelle varia anche con la temperatura a causa dei loro gruppi acidi ionizzati sulla superficie. Ad esempio, la carica superficiale locale di una particella di polistirene funzionalizzato carbossilico (PS) varia da -55 a -49 mV. I simboli "−" indicano le distribuzioni dipendenti dalla temperatura delle cariche negative sulla superficie della particella e del substrato. I regimi irradiati dalla luce con la temperatura più alta presentano la densità di carica inferiore. Una coppia netta, MEK, può essere generata sulla particella in una determinata posizione in cui si raggiunge un equilibrio tra FD, FTE e FEK. La potenza ottica è di 78,4 μW. Il punto rosso segna il baricentro della particella. Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abn8498
La rotazione fondamentale di micro e nano-oggetti è fondamentale per la funzionalità di micro e nanorobotica, nonché per i sistemi di imaging tridimensionale e lab-on-a-chip. Questi metodi di rotazione ottica possono funzionare senza carburante e in remoto e sono quindi più adatti per esperimenti, mentre i metodi attuali richiedono raggi laser con profili di intensità progettati o oggetti con forme sofisticate. Questi requisiti sono impegnativi per configurazioni ottiche più semplici con rotazione guidata dalla luce di una varietà di oggetti, comprese le cellule biologiche.
In un nuovo rapporto ora pubblicato in Science Advances , Hongru Ding e un gruppo di ricerca in ingegneria e scienze dei materiali presso l'Università del Texas ad Austin, negli Stati Uniti, hanno sviluppato un approccio universale per la rotazione fuori piano di vari oggetti basato su un raggio laser arbitrario a bassa potenza. Gli scienziati hanno posizionato la sorgente laser lontano dagli oggetti per ridurre il danno ottico dovuto all'illuminazione diretta e hanno combinato il meccanismo di rotazione tramite accoppiamento optotermico con esperimenti rigorosi, accoppiati a simulazioni multiscala. L'applicabilità generale e la biocompatibilità della piattaforma di rotazione azionata dalla luce universale è determinante per una vasta gamma di applicazioni ingegneristiche e scientifiche.
Rotazione opto-termoelettrica
Regolando la rotazione di oggetti su micro e nanoscala, i ricercatori hanno dimostrato funzionalità efficaci attraverso la nanochirurgia precisa, l'attrito del vuoto e il controllo del flusso microfluidico. I micro e nanorotori azionati dalla luce sono un'opzione promettente senza carburante, sebbene tali dispositivi siano rimasti difficili da costruire perché necessitano di un'ottica più semplice ea bassa potenza per ottenere una rotazione guidata dalla luce. Ding et al hanno proposto la rotazione opto-termoelettrica (OTER) in questo nuovo lavoro, per generare forza elettrocinetica, forza di esaurimento e forza elettrica basate su ottiche semplici ea bassa potenza.
Il team di ricerca ha ottenuto la rotazione di micro e nanoparticelle sfericamente simmetriche e omogenee tramite un singolo raggio laser gaussiano posizionato lontano dai rotori, per ridurre i danni causati dall'illuminazione diretta della luce. Combinando gli esperimenti con simulazioni multiscala, hanno rivelato la rotazione optotermica tramite interazioni elettrocinetiche tra micro e nanoparticelle e il substrato con carica superficiale termoreattiva. Come prova del concetto, il team ha mostrato come la strategia OTER potrebbe ruotare oggetti di diverse dimensioni, materiali e forme per regolare la luce incidente e la chimica della superficie.
Caratterizzazione ottica in situ della rotazione fuori piano guidata dalla luce di una microparticella sferica. (A) (i) Illustrazione schematica della rotazione fuori piano di una particella sferica PS (cioè un rotore) attorno ad un asse parallelo al substrato. Il raggio laser, che si propaga perpendicolarmente al substrato, riscalda la regione del substrato vicino alla particella. La particella viene sospesa in una soluzione al 5% di PEG/5% di PBS che copre il substrato. Le due sfere rosse sono nanoparticelle fluorescenti per la visualizzazione del cambiamento di orientamento del rotore al microscopio a epifluorescenza. Il piano focale del microscopio ottico è di circa 1 μm sopra il substrato. (da ii a vi) Immagini successive di fluorescenza di una particella rotante di PS da 2,8 μm. Gli inserti sono illustrazioni schematiche degli orientamenti del rotore con due nanoparticelle fluorescenti come marcatori. Sperimentalmente, due nanoparticelle PS fluorescenti da 40 nm (di diametro) sono state attaccate al rotore attraverso il legame streptavidina-biotina. Il punto rosso sul lato destro del rotore indica la posizione del raggio laser di guida. Barra della scala, 2 μm. (B) Intensità di fluorescenza dipendente dal tempo misurata dal rotore e dai suoi dintorni come indicato in (iii) di (A). La rotazione fuori piano del rotore porta alla fluttuazione periodica dell'intensità della fluorescenza. I picchi di intensità compaiono quando la rotazione porta a entrambe le nanoparticelle fluorescenti nel piano focale del microscopio ottico. a.u., unità arbitrarie. Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abn8498
I ricercatori hanno illustrato l'impostazione sperimentale e il meccanismo di funzionamento di OTER, in cui un raggio laser generava forze optotermiche sulle particelle. Ding et al. hanno adattato la forza netta e la coppia tramite la potenza del laser e la distanza delle particelle laser per la rotazione fuori piano dei micro e nano-oggetti. Hanno quindi diretto il raggio laser su un substrato che assorbe la luce, come una pellicola d'oro porosa, per stabilire un campo di temperatura personalizzabile in microsecondi.
Al fine di generare optotermicamente le forze e la coppia richieste per una rotazione stabile del rotore, Ding et al. hanno aggiunto molecole di polietilenglicole (PEG) e soluzione salina tamponata con fosfato in acqua e hanno funzionalizzato il substrato con monostrati di alcanitiolo terminati con acido carbossilico. Dopo l'illuminazione laser, il team ha ottenuto un aumento della temperatura per creare un campo termoelettrico in presenza di ioni per guidare la termoelettroforesi del rotore carico. Hanno esplorato il gradiente di carica superficiale sul substrato per poi fornire una forza elettrocinetica optotermicamente sintonizzabile nota come forza termoelettrica.
Analisi quantitativa e modellazione di OTER di singoli rotori sferici. (A) Grandezze simulate della forza di esaurimento e della forza TE lungo l'asse x su una particella PS da 2,8 μm in funzione della distanza PL in una soluzione di PEG al 5% / PBS al 5%. Come indicato dalla linea tratteggiata, a una distanza critica PL di 2,1 μm viene raggiunto un equilibrio tra forza di esaurimento e forza TE (cioè forza netta zero). Riquadro:illustrazione schematica dell'analisi della forza per il rotore azionato dalla luce nel piano xz. I cerchi rossi e bianchi rappresentano rispettivamente il punto laser e il rotore. (B) Coppia simulata (MEK) agente sul rotore in funzione della distanza PL. La coppia alla distanza critica PL (2,1 μm) è di circa 1,6 pN·nm. Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abn8498
Caratterizzazione e modellazione della rotazione opto-termoelettrica
Ding et al hanno studiato il comportamento di rotazione dei rotori azionati dalla luce utilizzando la microscopia ottica. Hanno acquisito un migliore esame del comportamento di rotazione etichettando una microparticella di polistirene con due nano-perline fluorescenti con legame streptavidina-biotina per la rotazione fuori piano della particella guidata da un laser. La rotazione fuori asse osservata ha protetto i delicati rotori, comprese le celle vive, dai danni causati dall'illuminazione ottica ad alta potenza. Il team ha inoltre incorporato l'analisi degli elementi finiti, la dinamica molecolare e le simulazioni nel dominio del tempo alle differenze finite per analizzare le forze di lavoro dei rotori opto-termoelettrici. Gli scienziati hanno calcolato le forze optotermiche e le coppie che agiscono sul rotore in funzione della distanza particella-laser e hanno condotto una serie di esperimenti e simulazioni per comprendere l'impatto della forza elettrocinetica, della forza di impoverimento e della forza termoelettrica regolando la carica superficiale del substrato e componenti della soluzione.
Applicabilità generale di OTER a una varietà di rotori con diverse forme, dimensioni e materiali. (A) Immagini successive di fluorescenza di una particella rotante PS da 1 μm etichettata da nanoparticelle fluorescenti per la visualizzazione della rotazione. (B) Immagini ottiche successive di una particella rotante PS/Au Janus da 500 nm. (C) Successive immagini ottiche in campo scuro di una particella rotante PS/Au Janus da 300 nm. (D) Intensità RGB in tempo reale delle immagini ottiche in campo scuro della particella Janus. Il rettangolo tratteggio bianco in (C) contrassegna l'area selezionata da cui viene registrata l'intensità RGB. (E) Immagini ottiche successive di una cellula di lievito rotante. (F) Successive immagini ottiche di un B. subtilis rotante. (G) Immagini ottiche successive di un dimero rotante composto da due particelle di silice da 2 μm. “ON” e “OFF” indicano che il raggio laser è rispettivamente acceso e spento. (H) Immagini ottiche successive di un trimero rotante composto da tre particelle PS da 1 μm. Le linee tratteggiate e le frecce nere rappresentano rispettivamente gli assi e le direzioni di rotazione. Barre di scala, 1 μm (A, B, E, F e H), 500 nm (C) e 2 μm (G). Soluzioni, 15% PEG/5% PBS (da A a C, G e H) e 5% PEG/5% PBS (E e F). Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abn8498
Applicazioni di OTER
Ding et al hanno mostrato l'impatto di OTER sulle cellule biologiche e sulle particelle sintetiche di diversi materiali, dimensioni e forme. Hanno mostrato la rotazione di rotori su scala nanometrica come le particelle Janus di polistirene-oro utilizzando la microscopia ottica in campo scuro. Il metodo OTER è applicabile anche a cellule vive, inclusi ceppi vivi di funghi, batteri e persino cellule umane in terreni di coltura cellulare contenenti ioni. Inoltre, il metodo è adatto per rotori con architetture complesse, inclusa la rotazione fuori piano di dimeri di particelle, trimeri ed esameri. Utilizzando il metodo, Ding et al prevedono una regolazione accurata del rotore e del raggio laser per realizzare profili 3D di cellule biologiche e particelle sintetiche ad alta risoluzione.
Prospettiva
In questo modo, Hongru Ding e colleghi hanno sfruttato la termodiffusione di ioni e molecole in soluzioni per sviluppare una carica termoreattiva alle interfacce solido-liquido. La strategia opto-termoelettrica ha consentito la rotazione di oggetti in micro e nanoscala in un ambiente liquido con ottiche semplici ea bassa potenza. Il metodo è superiore alle tecniche convenzionali esistenti con applicabilità universale per il rilevamento di immagini e applicazioni biomediche. Il team prevede che l'approccio opttermico svolga un ruolo significativo negli studi biologici in vitro per ruotare le cellule e le particelle sintetiche nei biofluidi nativi con ioni e biomolecole. + Esplora ulteriormente
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