Arbetsmekanism för ljusdriven rotation utanför planet av mikro/nanoskala rotorer. (A) Ett förenklat schema som illustrerar den experimentella uppställningen och driften för OTER av mikro/nanopartiklar. (B) Arbetsmekanism för OTER:(i) I det ojämna temperaturfältet diffunderar Na+ och Cl−joner och PEG-molekyler till det kalla området. Gula pilar indikerar diskreta utarmningskrafter (FDi) som verkar på rotorn, vilket leder till en total utarmningskraft (FD) i (iv). (ii) Ett TE-fält skapas av separationen av Na+ och Cl−joner på grund av deras olika termodiffusionskoefficienter. Grå pilar anger riktningen för TE-fältet. (iii) Temperaturfältet påverkar också dissociationen av karboxylfunktionsgrupper, sålunda ytladdningarna på substratet. (iv) Optotermiska krafter och vridmoment på rotorn:I det stationära tillståndet genererar gradientfördelningen av PEG-molekyler en attraktiv utarmningskraft (FD) på partikeln. En repulsiv kraft (FTE) genereras från TE-fältet. En termo-elektrokinetisk kraft (FEK) kommer från det 11-merkaptoundekansyra-belagda plasmoniska substratet med ojämn termokänslig ytladdning (från -65 till -58 mV). Ytladdningen hos de flesta partiklar varierar också med temperaturen på grund av deras joniserade syragrupper på ytan. Till exempel varierar den lokala ytladdningen för en karboxylfunktionaliserad polystyren (PS) partikel från -55 till -49 mV. Symbolerna "−" indikerar de temperaturberoende fördelningarna av negativa laddningar på ytan av partikeln och substratet. De ljusbestrålade regimerna med den högre temperaturen har den lägre laddningstätheten. Ett nettovridmoment, MEK, kan genereras på partikeln vid den bestämda positionen där en balans uppnås mellan FD, FTE och FEK. Den optiska effekten är 78,4 μW. Den röda pricken markerar partikelns tyngdpunkt. Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abn8498
Den grundläggande rotationen av mikro- och nanoobjekt är avgörande för funktionaliteten hos mikro- och nanorobotik, såväl som tredimensionell bildbehandling och lab-on-a-chip-system. Dessa optiska rotationsmetoder kan fungera bränslefritt och på distans, och är därför bättre lämpade för experiment, medan nuvarande metoder kräver laserstrålar med designade intensitetsprofiler eller objekt med sofistikerade former. Dessa krav är utmanande för enklare optiska inställningar med ljusdriven rotation av en mängd olika objekt, inklusive biologiska celler.
I en ny rapport som nu publicerats i Science Advances , Hongru Ding och ett forskarteam inom ingenjörs- och materialvetenskap vid University of Texas i Austin, USA, utvecklade ett universellt tillvägagångssätt för rotation utanför planet av olika objekt baserat på en godtycklig lågeffektlaserstråle. Forskarna placerade laserkällan bort från objekten för att minska optisk skada från direkt belysning och kombinerade rotationsmekanismen via optotermisk koppling med rigorösa experiment, kopplade till flerskaliga simuleringar. Den allmänna tillämpbarheten och biokompatibiliteten för den universella ljusdrivna rotationsplattformen är avgörande för en rad tekniska och vetenskapliga tillämpningar.
Opto-termoelektrisk rotation
Genom att reglera rotationen av objekt i mikro- och nanoskala har forskare bevisat effektiva funktioner över exakt nanokirurgi, vakuumfriktion och mikrofluidisk flödeskontroll. Ljusdrivna mikro- och nanorotorer är ett lovande bränslefritt alternativ, även om sådana enheter har förblivit utmanande att bygga på eftersom de behöver enklare optik med låg effekt för att uppnå ljusdriven rotation. Ding et al föreslog opto-termoelektrisk rotation (OTER) i detta nya arbete, för att generera elektrokinetisk kraft, utarmningskraft och elektrisk kraft baserad på enkel och lågeffektsoptik.
Forskargruppen uppnådde rotationen av sfäriskt symmetriska och homogena mikro- och nanopartiklar via en enda Gaussisk laserstråle placerad bort från rotorerna, för att minska skadorna som orsakas av direkt ljusbelysning. Genom att kombinera experimenten med simuleringar i flera skalor avslöjade de optotermisk rotation via elektrokinetiska interaktioner mellan mikro- och nanopartiklar och substratet med termokänslig ytladdning. Som bevis på konceptet visade teamet hur OTER-strategin kunde rotera föremål av olika storlekar, material och former för att reglera det infallande ljuset och ytkemin.
In situ optisk karakterisering av ljusdriven rotation utanför planet av en sfärisk mikropartikel. (A) (i) Schematisk illustration av rotationen utanför planet av en sfärisk PS-partikel (d.v.s. rotor) runt en axel parallell med substratet. Laserstrålen, som utbreder sig vinkelrätt mot substratet, värmer området av substratet nära partikeln. Partikeln suspenderas i en 5% PEG/5% PBS-lösning som täcker substratet. De två röda pärlorna är fluorescerande nanopartiklar för visualisering av rotorns orienteringsändring under ett epifluorescensmikroskop. Det optiska mikroskopets fokalplan är cirka 1 μm ovanför substratet. (ii till vi) Successiva fluorescensbilder av en roterande 2,8-μm PS-partikel. Infällningar är schematiska illustrationer av rotorns orienteringar med två fluorescerande nanopartiklar som markörer. Experimentellt fästes två 40-nm (i diameter) fluorescerande PS-nanopartiklar till rotorn genom streptavidin-biotinbindning. Den röda punkten på höger sida av rotorn markerar positionen för den drivande laserstrålen. Skalstång, 2 μm. (B) Tidsberoende fluorescensintensitet mätt från rotorn och dess omgivning enligt markering i (iii) av (A). Rotorns rotation utanför planet leder till den periodiska fluktuationen av fluorescensintensiteten. Intensitetstopparna uppträder när rotationen leder till båda fluorescerande nanopartiklarna i det optiska mikroskopets fokalplan. a.u., godtyckliga enheter. Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abn8498
Forskarna illustrerade den experimentella uppställningen och arbetsmekanismen för OTER - där en laserstråle genererade optotermiska krafter på partiklarna. Ding et al skräddarsydda nettokraften och vridmomentet via laserkraften och laserpartikelavståndet för rotation utanför planet av mikro- och nanoobjekten. De riktade sedan laserstrålen mot ett ljusabsorberande substrat såsom en porös guldfilm för att etablera ett anpassningsbart temperaturfält på mikrosekunder.
För att optotermiskt generera de krafter och vridmoment som krävs för stabil rotorrotation, tillsatte Ding et al polyetylenglykol (PEG) molekyler och fosfatbuffrad saltlösning i vatten och funktionaliserade substratet med karboxylsyraterminerade alkantiolmonoskikt. Efter laserbelysning uppnådde teamet en temperaturhöjning för att skapa ett termoelektriskt fält i närvaro av joner för att driva termoelektrofores av den laddade rotorn. De undersökte ytladdningsgradienten på substratet för att sedan ge en optotermiskt avstämbar elektrokinetisk kraft känd som den termoelektriska kraften.
Kvantitativ analys och modellering av OTER av enkla sfäriska rotorer. (A) Simulerade storlekar av utarmningskraft och TE-kraft längs x-axeln på en 2,8-μm PS-partikel som en funktion av PL-avstånd i en 5% PEG/5% PBS-lösning. Som markerats med den streckade linjen uppnås en balans mellan utarmningskraft och TE-kraft (dvs. noll nettokraft) vid ett kritiskt PL-avstånd på 2,1 μm. Infälld:Schematisk illustration av kraftanalys för den ljusdrivna rotorn i xz-planet. De röda och vita cirklarna representerar laserpunkten respektive rotorn. (B) Simulerat vridmoment (MEK) som verkar på rotorn som en funktion av PL-avståndet. Vridmomentet vid det kritiska PL-avståndet (2,1 μm) är cirka 1,6 pN·nm. Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abn8498
Karakterisera och modellera opto-termoelektrisk rotation
Ding et al studerade rotationsbeteendet hos ljusdrivna rotorer med hjälp av optisk mikroskopi. De fick bättre undersökning av rotationsbeteende genom att märka en polystyrenmikropartikel med två fluorescerande nano-pärlor med streptavidin-biotinbindning för rotation utanför planet av partikeln som drivs av en laser. Den observerade rotationen utanför axeln skyddade de känsliga rotorerna, inklusive levande celler från skador orsakade av optisk belysning med hög effekt. Teamet införlivade vidare finita elementanalys, molekylär dynamik och tidsdomänsimuleringar med finita skillnader för att analysera arbetskrafterna hos opto-termoelektriska rotorer. Forskarna beräknade de optotermiska krafterna och vridmomenten som verkar på rotorn som en funktion av partikel-laseravståndet och genomförde en serie experiment och simuleringar för att förstå effekten av elektrokinetisk kraft, utarmningskraft och termoelektrisk kraft genom att justera ytladdningen på substrat och komponenter i lösningen.
Allmän tillämplighet av OTER på en mängd olika rotorer med olika former, storlekar och material. (A) Successiva fluorescensbilder av en roterande 1-μm PS-partikel märkt av fluorescerande nanopartiklar för rotationsvisualisering. (B) Successiva optiska bilder av en roterande 500-nm PS/Au Janus-partikel. (C) Successiva mörkfältsoptiska bilder av en roterande 300-nm PS/Au Janus-partikel. (D) RGB-intensitet i realtid för de mörka optiska bilderna av Janus-partikeln. Den vita streckrektangeln i (C) markerar det valda området från vilket RGB-intensiteten registreras. (E) Successiva optiska bilder av en roterande jästcell. (F) Successiva optiska bilder av en roterande B. subtilis. (G) Successiva optiska bilder av en roterande dimer som består av två 2-μm kiseldioxidpartiklar. "ON" och "OFF" indikerar att laserstrålen är påslagen respektive avstängd. (H) Successiva optiska bilder av en roterande trimer som består av tre 1-μm PS-partiklar. De streckade linjerna och svarta pilarna representerar rotationsaxlarna respektive rotationsriktningarna. Skalstaplar, 1 μm (A, B, E, F och H), 500 nm (C) och 2 μm (G). Lösningar, 15 % PEG/5 % PBS (A till C, G och H) och 5 % PEG/5 % PBS (E och F). Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abn8498
Applikationer för OTER
Ding et al visade effekten av OTER på biologiska celler och syntetiska partiklar av olika material, storlekar och former. De visade rotationen av nanoskala rotorer såsom polystyren-guld Janus partiklar genom att använda mörkfälts optisk mikroskopi. OTER-metoden är också tillämpbar på levande celler inklusive levande svampstammar, bakterier och till och med mänskliga celler i cellodlingsmedia som innehåller joner. Dessutom är metoden lämpad för rotorer med komplex arkitektur inklusive rotation utanför planet av partikeldimerer, trimerer och hexamerer. Genom att använda metoden föreställer sig Ding et al noggrann reglering av rotorn och laserstrålen för att åstadkomma 3D-profilering av biologiska celler och syntetiska partiklar med hög upplösning.
Outlook
På detta sätt utnyttjade Hongru Ding och kollegor termodifusion av joner och molekyler i lösningar för att utveckla en termokänslig laddning vid fast-vätskegränssnitt. Den opto-termoelektriska strategin möjliggjorde rotation av objekt i mikro- och nanoskala i en flytande miljö med enkel optik med låg effekt. Metoden är överlägsen befintliga konventionella tekniker med universell tillämpbarhet för bildavkänning och biomedicinska tillämpningar. Teamet förväntar sig att det optotermiska tillvägagångssättet kommer att spela en betydande roll i biologiska studier in vitro för att rotera celler och syntetiska partiklar i naturliga biovätskor med joner och biomolekyler. + Utforska vidare
© 2022 Science X Network
