Drie jaar geleden won Arthur Ashkin de Nobelprijs voor het uitvinden van optische pincetten, die licht in de vorm van een krachtige laserstraal gebruiken om deeltjes te vangen en te manipuleren. Ondanks dat ze tientallen jaren geleden zijn gemaakt, leiden optische pincetten nog steeds tot grote doorbraken en worden ze tegenwoordig veel gebruikt om biologische systemen te bestuderen.

Optisch pincet heeft echter gebreken. De langdurige interactie met de laserstraal kan moleculen en deeltjes veranderen of beschadigen door overmatige hitte.

Onderzoekers van de Universiteit van Texas in Austin hebben een nieuwe versie van optische pincettechnologie ontwikkeld die dit probleem verhelpt, een ontwikkeling die de reeds hoog aangeschreven instrumenten zou kunnen openen voor nieuwe soorten onderzoek en de processen voor het gebruik ervan vandaag zou kunnen vereenvoudigen.

De doorbraak die dit probleem van oververhitting vermijdt, komt voort uit een combinatie van twee concepten: het gebruik van een substraat dat bestaat uit materialen die worden gekoeld wanneer er een licht op schijnt (in dit geval een laser); en een concept dat thermoforese wordt genoemd, een fenomeen waarbij mobiele deeltjes gewoonlijk naar een koelere omgeving worden aangetrokken.

De koelere materialen trekken deeltjes aan, waardoor ze gemakkelijker te isoleren zijn en ze tegelijkertijd beschermen tegen oververhitting. Door het hitteprobleem op te lossen, kunnen optische pincetten op grotere schaal worden gebruikt om biomoleculen, DNA, ziekten en meer te bestuderen.

"Optische pincetten hebben veel voordelen, maar ze zijn beperkt omdat wanneer het licht objecten vangt, ze opwarmen", zegt Yuebing Zheng, de corresponderende auteur van een nieuw artikel gepubliceerd in Wetenschap Advances en een universitair hoofddocent bij de Walker Department of Mechanical Engineering. “Onze tool pakt deze cruciale uitdaging aan; in plaats van de opgesloten objecten te verwarmen, laten we ze op een lagere temperatuur regelen.”

Een optisch pincet doet hetzelfde als een gewoon pincet: kleine voorwerpen oppakken en manipuleren. Optische pincetten werken echter op veel kleinere schaal en gebruiken licht om objecten vast te leggen en te verplaatsen.

Het analyseren van DNA is een veelgebruikt gebruik van optische pincetten. Maar om dit te doen, moeten glasparels van nanogrootte aan de deeltjes worden bevestigd. Om vervolgens de deeltjes te verplaatsen, schijnt de laser op de kralen, niet op de deeltjes zelf, omdat het DNA zou worden beschadigd door het verhittingseffect van het licht.

"Als je gedwongen wordt om meer stappen aan het proces toe te voegen, vergroot je de onzekerheid omdat je nu iets anders in het biologische systeem hebt geïntroduceerd dat het kan beïnvloeden," zei Zheng.

Deze nieuwe en verbeterde versie van optisch pincet elimineert deze extra stappen.

De volgende stappen van het team zijn onder meer de ontwikkeling van autonome controlesystemen, waardoor ze gemakkelijker te gebruiken zijn voor mensen zonder gespecialiseerde training en de mogelijkheden van het pincet om biologische vloeistoffen zoals bloed en urine te verwerken, uit te breiden. En ze werken eraan om de ontdekking te commercialiseren.

Zheng en zijn team hebben veel variatie in hun onderzoek, maar het draait allemaal om licht en hoe het interageert met materialen. Vanwege deze focus op licht heeft hij optische pincetten op de voet gevolgd en gebruikt in zijn onderzoek. De onderzoekers waren bekend met thermoforese en hoopten dat ze het konden activeren met koelere materialen, die deeltjes naar de laser zouden trekken om de analyse te vereenvoudigen.

###

Dit onderzoek werd ondersteund door subsidies van het National Institutes of Health's National Institute of General Medical Sciences en de National Science Foundation. Andere auteurs zijn Jingang Li en Zhihan Chen van het Texas Materials Institute van de UT; Yaoran Liu van de afdeling Electrical and Computer Engineering; Pavana Siddhartha Kollipara van de Walker Department of Mechanical Engineering; en Yichao Feng en Zhenglong Zhang van de Shaanxi Normal University's School of Physics and Information in China.