Proprio come i Jedi in Star Wars usano la Forza per controllare gli oggetti a distanza, gli scienziati possono usare la luce o la forza ottica per spostare particelle molto piccole. Gli inventori di questa rivoluzionaria tecnologia laser, note come "pinzette ottiche, " sono stati insigniti del Premio Nobel 2018 per la fisica.

Le pinzette ottiche sono utilizzate in biologia, medicina e scienza dei materiali per assemblare e manipolare nanoparticelle come gli atomi d'oro. Però, la tecnologia si basa su una differenza nelle proprietà rifrattive della particella intrappolata e dell'ambiente circostante.

Ora gli scienziati hanno scoperto una nuova tecnica che consente loro di manipolare particelle che hanno le stesse proprietà rifrattive dell'ambiente di fondo, superare una sfida tecnica fondamentale.

Lo studio, "Pinzette ottiche oltre la mancata corrispondenza dell'indice di rifrazione utilizzando nanoparticelle di conversione altamente drogate, " è appena stato pubblicato in Nanotecnologia della natura .

"Questa svolta ha un enorme potenziale, soprattutto in campi come la medicina, ", afferma il principale coautore Dr. Fan Wang della University of Technology Sydney (UTS).

"La capacità di spingere, tirare e misurare le forze di oggetti microscopici all'interno delle cellule, come filamenti di DNA o enzimi intracellulari, potrebbe portare a progressi nella comprensione e nel trattamento di molte malattie diverse come il diabete o il cancro.

"Le tradizionali microsonde meccaniche utilizzate per manipolare le cellule sono invasive, e la risoluzione di posizionamento è bassa. Possono solo misurare cose come la rigidità di una membrana cellulare, non la forza delle proteine ​​motrici molecolari all'interno di una cellula, " lui dice.

Il team di ricerca ha sviluppato un metodo unico per controllare le proprietà rifrattive e la luminescenza delle nanoparticelle drogando i nanocristalli con ioni di metalli delle terre rare.

Superata questa prima fondamentale sfida, il team ha quindi ottimizzato la concentrazione di ioni di drogaggio per ottenere l'intrappolamento di nanoparticelle a un livello di energia molto più basso, e a 30 volte maggiore efficienza.

"Tradizionalmente, hai bisogno di centinaia di milliwatt di potenza laser per intrappolare una particella d'oro di 20 nanometri. Con la nostra nuova tecnologia, possiamo intrappolare una particella di 20 nanometri usando decine di milliwatt di potenza, "dice Xuchen Shan, primo coautore e dottorato di ricerca UTS. candidato nella Scuola UTS di Ingegneria Elettrica e dei Dati.

"Le nostre pinzette ottiche hanno anche raggiunto un livello record di sensibilità o "rigidità" per le nanoparticelle in una soluzione acquosa. il calore generato da questo metodo era trascurabile rispetto ai metodi precedenti, quindi le nostre pinzette ottiche offrono una serie di vantaggi, " lui dice.

Il collega principale co-autore Dr. Peter Reece, dell'Università del New South Wales, afferma che questa ricerca proof-of-concept è un progresso significativo in un campo che sta diventando sempre più sofisticato per i ricercatori biologici.

"La prospettiva di sviluppare una sonda di forza su nanoscala altamente efficiente è molto eccitante. La speranza è che la sonda di forza possa essere etichettata per colpire strutture e organelli intracellulari, consentendo la manipolazione ottica di queste strutture intracellulari, " lui dice.

Illustre Professor Dayong Jin, Direttore dell'UTS Institute for Biomedical Materials and Devices (IBMD) e coautore di spicco, afferma che questo lavoro apre nuove opportunità per l'imaging funzionale a super risoluzione della biomeccanica intracellulare.

"La ricerca IBMD è focalizzata sulla traduzione dei progressi della fotonica e della tecnologia dei materiali in applicazioni biomediche, e questo tipo di sviluppo tecnologico è ben allineato a questa visione, "dice il professor Jin.

"Una volta che abbiamo risposto alle domande fondamentali della scienza e scoperto nuovi meccanismi della fotonica e della scienza dei materiali, passiamo quindi ad applicarli. Questo nuovo progresso ci consentirà di utilizzare modi meno potenti e meno invasivi per intrappolare oggetti nanoscopici, come cellule vive e compartimenti intracellulari, per la manipolazione ad alta precisione e la misurazione biomeccanica su scala nanometrica."