Разработаны универсальные оптотермические микро-/наноразмерные роторы

Прочитано: 88 раз(а)
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Оценок пока нет)
Loading ... Loading ...


Фундаментальное вращение микро- и нанообъектов имеет решающее значение для функциональности микро- и наноробототехники, а также трехмерных изображений и систем «лаборатория-на-чипе» . Эти методы оптического вращения могут работать без топлива и дистанционно и поэтому лучше подходят для экспериментов, в то время как современные методы требуют лазерных лучей с заданными профилями интенсивности или объектов сложной формы. Эти требования являются сложными для более простых оптических установок с управляемым светом вращением различных объектов, включая биологические клетки.

В новом отчете, опубликованном в журнале Science Advances , Хунру Дин и исследовательская группа в области инженерии и материаловедения Техасского университета в Остине, США, разработали универсальный подход к вращению различных объектов вне плоскости, основанный на произвольном маломощный лазерный луч. Ученые разместили лазерный источник подальше от объектов, чтобы уменьшить оптические повреждения от прямого освещения, и объединили механизм вращения через оптотермическую связь со строгими экспериментами в сочетании с многомасштабным моделированием. Общая применимость и биосовместимость универсальной световой вращающейся платформы имеет важное значение для ряда инженерных и научных приложений.

Оптотермоэлектрическое вращение

Регулируя вращение микро- и наноразмерных объектов, исследователи доказали эффективность функциональности в точной нанохирургии , вакуумном трении и микрожидкостном управлении потоком . Микро- и нанороторы, управляемые светом, являются многообещающим вариантом бестопливных устройств, хотя такие устройства остаются сложными для дальнейшего развития, поскольку им нужна более простая и маломощная оптика для достижения вращения, управляемого светом. Дин и др. предложили оптотермоэлектрическое вращение (OTER) в этой новой работе для создания электрокинетической силы , силы истощения и электрической силы на основе простой и маломощной оптики.

Исследовательская группа добилась вращения сферически-симметричных и однородных микро- и наночастиц с помощью одного гауссова лазерного луча , расположенного вдали от роторов, чтобы уменьшить ущерб, вызванный прямым световым освещением. Объединив эксперименты с многомасштабным моделированием, они обнаружили оптотермическое вращение за счет электрокинетических взаимодействий между микро- и наночастицами и подложкой с термочувствительным поверхностным зарядом. В качестве доказательства концепции команда показала, как стратегия OTER может вращать объекты разных размеров, материалов и форм, чтобы регулировать падающий свет и химию поверхности.

Механизм действия универсальных легких роторов

Исследователи продемонстрировали экспериментальную установку и рабочий механизм OTER, где лазерный луч генерировал оптотермические силы на частицах. Дин и др. адаптировали чистую силу и крутящий момент с помощью мощности лазера и расстояния между лазерными частицами для вращения микро- и нанообъектов вне плоскости. Затем они направили лазерный луч на светопоглощающую подложку, такую ​​как пористая золотая пленка, чтобы за микросекунды установить настраиваемое температурное поле.

Чтобы оптотермически создать силы и крутящий момент, необходимые для стабильного вращения ротора , Дин и др. добавили молекулы полиэтиленгликоля (ПЭГ) и фосфатно-солевой буфер в воду и функционализировали субстрат монослоями алкантиола с концевыми карбоновыми кислотами . При лазерном освещении команда добилась повышения температуры, чтобы создать термоэлектрическое поле в присутствии ионов для запуска термоэлектрофореза заряженного ротора. Они исследовали градиент поверхностного заряда на подложке, чтобы затем создать оптотермически перестраиваемую электрокинетическую силу, известную как термоэлектрическая сила.

Характеристика и моделирование оптотермоэлектрического вращения

Дин и др. изучали вращение световых роторов с помощью оптической микроскопии. Они лучше изучили поведение вращения, пометив микрочастицу полистирола двумя флуоресцентными наношариками со стрептавидин-биотиновым связыванием для вращения частицы вне плоскости, управляемой лазером. Наблюдаемое внеосевое вращение защитило хрупкие роторы, в том числе живые клетки, от повреждений, вызванных мощным оптическим освещением. Команда также включила анализ конечных элементов , молекулярную динамику и моделирование во временной области с конечными разностями .для анализа рабочих сил оптотермоэлектрических роторов. Ученые рассчитали оптотермические силы и крутящие моменты, действующие на ротор, в зависимости от расстояния между частицами и лазером, и провели серию экспериментов и симуляций, чтобы понять влияние электрокинетической силы, силы истощения и термоэлектрической силы путем настройки поверхностного заряда ротора. субстрат и компоненты раствора.

Приложения ОТЕР

Дин и др. показали влияние OTER на биологические клетки и синтетические частицы из различных материалов, размеров и форм. Они показали вращение наноразмерных роторов, таких как частицы Януса из полистирола и золота, с помощью оптической микроскопии в темном поле . Метод OTER также применим к живым клеткам, включая живые штаммы грибов, бактерий и даже клетки человека в средах для культивирования клеток, содержащих ионы. Кроме того, метод подходит для роторов со сложной архитектурой, включая вращение димеров, тримеров и гексамеров вне плоскости. Используя этот метод, Дин и др. предполагают точное регулирование ротора и лазерного луча для выполнения трехмерного профилирования биологических клеток и синтетических частиц с высоким разрешением.

Перспектива

Таким образом, Хунжу Дин и его коллеги использовали термодиффузию ионов и молекул в растворах для создания термочувствительных зарядов на границах раздела твердое тело-жидкость. Оптотермоэлектрическая стратегия позволила вращать микро- и наноразмерные объекты в жидкой среде с помощью простой и маломощной оптики. Этот метод превосходит существующие традиционные методы с универсальной применимостью для распознавания изображений и биомедицинских приложений. Команда ожидает, что оптотермический подход сыграет важную роль в биологических исследованиях in vitro для вращения клеток и синтетических частиц в нативных биожидкостях с ионами и биомолекулами.

Разработаны универсальные оптотермические микро-/наноразмерные роторы



Новости партнеров