Ungefär som Jedis i Star Wars använder kraften för att kontrollera objekt på avstånd, forskare kan använda ljus eller optisk kraft för att flytta mycket små partiklar. Uppfinnarna av denna banbrytande laserteknik, känd som "optisk pincett, " tilldelades 2018 års Nobelpris i fysik.

Optisk pincett används inom biologi, medicin och materialvetenskap för att montera och manipulera nanopartiklar som guldatomer. Dock, Tekniken bygger på en skillnad i brytningsegenskaperna hos den fångade partikeln och den omgivande miljön.

Nu har forskare upptäckt en ny teknik som gör att de kan manipulera partiklar som har samma brytningsegenskaper som bakgrundsmiljön, övervinna en grundläggande teknisk utmaning.

Studien, "Optisk pincett bortom brytningsindex mismatch med högdopade uppkonverteringsnanopartiklar, " har precis publicerats i Naturens nanoteknik .

"Det här genombrottet har enorm potential, särskilt inom områden som medicin, " säger den ledande medförfattaren Dr. Fan Wang från University of Technology Sydney (UTS).

"Förmågan att driva, dra och mät krafterna från mikroskopiska föremål inuti celler, såsom DNA-strängar eller intracellulära enzymer, kan leda till framsteg när det gäller att förstå och behandla många olika sjukdomar som diabetes eller cancer.

"Traditionella mekaniska mikrosonder som används för att manipulera celler är invasiva, och positioneringsupplösningen är låg. De kan bara mäta saker som styvheten hos ett cellmembran, inte kraften hos molekylära motorproteiner inuti en cell, " han säger.

Forskargruppen utvecklade en unik metod för att kontrollera brytningsegenskaperna och luminescensen hos nanopartiklar genom att dopa nanokristaller med sällsynta jordartsmetalljoner.

Efter att ha övervunnit denna första grundläggande utmaning, teamet optimerade sedan dopningskoncentrationen av joner för att uppnå infångning av nanopartiklar på en mycket lägre energinivå, och med 30 gånger ökad effektivitet.

"Traditionellt, du behöver hundratals milliwatt laserkraft för att fånga en 20 nanometer guldpartikel. Med vår nya teknik, vi kan fånga en 20 nanometer partikel med tiotals milliwatt effekt, säger Xuchen Shan, första medförfattare och UTS Ph.D. kandidat vid UTS School of Electrical and Data Engineering.

"Vår optiska pincett uppnådde också en rekordhög grad av känslighet eller "styvhet" för nanopartiklar i en vattenlösning. Anmärkningsvärt, värmen som genererades med denna metod var försumbar jämfört med äldre metoder, så vår optiska pincett erbjuder ett antal fördelar, " han säger.

Ledande medförfattare Dr. Peter Reece, från University of New South Wales, säger att denna proof-of-concept-forskning är ett betydande framsteg inom ett område som blir allt mer sofistikerat för biologiska forskare.

"Möjligheterna att utveckla en högeffektiv kraftsond i nanoskala är mycket spännande. Förhoppningen är att kraftsonden kan märkas för att rikta in sig på intracellulära strukturer och organeller, möjliggör optisk manipulation av dessa intracellulära strukturer, " han säger.

Ärade professor Dayong Jin, Direktör för UTS Institute for Biomedical Materials and Devices (IBMD) och en ledande medförfattare, säger att detta arbete öppnar nya möjligheter för superupplösningsfunktionell avbildning av intracellulär biomekanik.

"IBMD-forskning är inriktad på översättning av framsteg inom fotonik och materialteknologi till biomedicinska tillämpningar, och denna typ av teknikutveckling är väl anpassad till denna vision, säger professor Jin.

"När vi har svarat på de grundläggande vetenskapsfrågorna och upptäckt nya mekanismer för fotonik och materialvetenskap, vi övergår sedan till att tillämpa dem. Detta nya framsteg kommer att tillåta oss att använda mindre kraftfulla och mindre invasiva sätt att fånga nanoskopiska föremål, såsom levande celler och intracellulära fack, för högprecisionsmanipulation och biomekanisk mätning i nanoskala."