Ett forskargrupp ledd av professor YongKeun Park vid fysikavdelningen vid KAIST har utvecklat en optisk manipulationsteknik som fritt kan styra positionen, orientering, och form av mikroskopiska prover med komplexa former. Studien har publicerats online i Naturkommunikation den 22 maj.

Konventionell optisk manipulationsteknik kallad "optisk pincett, "har använts som ett ovärderligt verktyg för att utöva mikroskala kraft på mikroskopiska partiklar och manipulera tredimensionella (3-D) positioner av partiklar. Optisk pincett använder en tätt fokuserad laser vars stråldiameter är mindre än en mikrometer (1/ 100 hårtjocklek), som kan generera attraktiv kraft på närliggande mikroskopiska partiklar som rör sig mot strålfokus. Genom att styra strålfokusets positioner kunde forskare hålla partiklarna och flytta dem fritt till andra platser så att de myntade namnet "optisk pincett, "och har använts i stor utsträckning inom olika områden av fysiska och biologiska studier.

Än så länge, de flesta experiment med optisk pincett har utförts för att fånga sfäriska partiklar eftersom fysiska principer lätt kan förutsäga optiska krafter och mikrosfärernas svarande rörelse. För att fånga objekt med komplicerade former, dock, konventionella optiska pincetter inducerar instabil rörelse av sådana partiklar, och kontrollerbar orientering av sådana objekt är begränsad, som hindrar kontrollen av 3D-rörelsen för mikroskopiska föremål med komplexa former, såsom levande celler.

Forskargruppen har utvecklat en ny optisk manipulationsteknik som kan fånga komplexa objekt med godtyckliga former. Denna teknik mäter först 3D-strukturer för ett objekt i realtid med hjälp av ett 3D-holografiskt mikroskop, som delar samma fysiska princip för röntgen CT-avbildning. Baserat på objektets uppmätta 3D-form, forskarna beräknar exakt ljusets form som stabilt kan styra objektet. När ljusets form är densamma som objektets form, objektets energi minimeras, vilket ger en stabil infångning av föremålet med den komplicerade formen.

Dessutom, genom att styra ljusets form för att ha olika positioner, vägbeskrivning, och former på föremål, det är möjligt att fritt styra objektets 3D-rörelse och få objektet att ha en önskad form. Denna process liknar genereringen av en form för gjutning av en staty med önskad form så forskarna myntade namnet på den föreliggande tekniken "tomografisk form för optisk fångst (TOMOTRAP)." Teamet lyckades fånga enskilda mänskliga röda blodkroppar stabilt, rotera dem med önskad orientering, vika dem i en L-form, och montering av två röda blodkroppar tillsammans för att bilda en ny struktur. Dessutom, tjocktarmscancerceller som har en komplex struktur kan fångas stabilt och roteras vid önskad orientering. Alla har varit svåra att förverkliga med konventionella optiska tekniker.

Professor Park sa, "Vår teknik har fördelen att styra 3D-rörelsen för komplexa formade föremål utan att veta tidigare information om deras form och optiska egenskaper, och kan tillämpas inom olika områden, inklusive fysik, optik, nanoteknik, och medicinsk vetenskap. "

Dr Kyoohyun Kim, huvudförfattare till denna uppsats, noterade att denna teknik kan inducera kontrollerad deformation av biologiska celler med önskade former. "Detta tillvägagångssätt kan också tillämpas på övervakning i realtid av kirurgisk prognos för operationer på cellnivå för att fånga och deformera celler samt subcellulära organeller, "tillade Kim.