En illustration av en nanophotonic standing wave array trap (nSWAT) för parallell manipulation och mätningar av enstaka molekyler. Här, en rad DNA-molekyler med en pärla fäst i varje ände är exakt manipulerad mellan två nSWATs. Positionen för varje nSWAT kontrolleras oberoende för att flytta och transportera samlingen av fångade pärlor. Kredit:Robert Forties
(Phys.org) —Optisk fångst, en teknik för att studera enskilda molekyler, är traditionellt känslig, kräver specialutrustning och ett ljudisolerat rum, med data som samlats in en molekyl i taget.
Cornell-fysiker har krympt tekniken för en optisk fälla, som använder ljus för att suspendera och manipulera molekyler som DNA och proteiner, på ett enda chip. Och istället för bara en molekyl i taget, den nya enheten kan potentiellt fånga hundratals molekyler samtidigt, minska månadslånga experiment till dagar.
"Vi älskar experiment med en molekyl eftersom data är vackra och tydliga, och vi lär oss så mycket genom att manipulera och störa molekyler och se hur saker förändras, sa Michelle Wang, professor i fysik, som ledde studien publicerad online i Naturens nanoteknik 28 april. Men själva experimenttekniken skulle kunna behöva en viss förbättring, som motiverade Wang, som studerar DNA och dess associerade motorproteiner, att fundera på lösningar.
Wang och kollegor utvecklade en ny typ av optisk fälla, utgå från nanofotonik – i det här fallet, använder ljus som styrenheter i nanoskala – såväl som on-chip elektronik och mikrofluidik för att göra en lågeffekt, stabil enhet som kan monteras på konventionella mikroskop.
Deras nyckelinnovation är genereringen av kontrollerbara optiska stående vågor i nanofotoniska vågledare, bildas av två mot-utbredande ljusvågor, som fungerar som optiska fällor. Denna design återvinner samma ljus för att producera flera fällor, som var och en kan hålla en molekyl, till exempel, en enda DNA-molekyl.
"Vad vi har här är en stabil och kontrollerbar tredimensionell fällarray, " sa Wang. "Det har aldrig gjorts förut." De kallar sin enhet en nanofotonisk stående vågmatrisfälla, eller nSWAT.
För att testa enhetens stabilitet – ett viktigt genombrott – knackade labbmedlemmar fysiskt på mikroskopet där de hade monterat sitt chip. På grund av enhetens kompakta natur, som ryms på en slant, de upptäckte lite, om någon störning.
I deras tidning, de beskrev också transport av molekyler över en relativt lång sträcka med hjälp av vågledarna. Denna förmåga låter den nya optiska fällan integreras med befintliga fluorescensmärkningstekniker för att märka molekyler av intresse.
Tillverkning av nSWAT gjordes exklusivt vid Cornell NanoScale Science and Technology Facility (CNF).
Experiment som beskrivs i tidningen, "Nanofotonisk fångst för exakt manipulation av biomolekylära arrayer, " gjordes i första hand av medförfattarna Mohammad Soltani och Jun Lin, båda postdoktorerna i Wang-labbet, med rejäl hjälp från flera studenter och postdoktorer i labbet. Tidiga skeden av projektet innebar användbara diskussioner med, och lånad utrustning från, medförfattare Michal Lipson, professor i el- och datateknik, en nanofotonikexpert.
