Блог

Jan 20, 2024

Оптический захват и контроль флуоресценции с помощью векторного структурированного света

Научные отчеты, том 12,

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 17690 (2022) Цитировать эту статью

1447 доступов

2 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Здесь мы функционализировали микромасштабные полимерные шарики с помощью наномасштабных квантовых точек и демонстрировали оптический захват и выщипывание с измерением флуоресценции in-situ в полностью цифровой полностью оптической конфигурации. Мы описываем химию, необходимую для облегчения этого: от дезактивации среды оптического улавливания до контроля размера, адгезии и агломерации. Мы представляем новую установку голографической оптической ловушки, которая использует векторно структурированный свет, позволяя доставлять настраиваемые формы света от чисто скалярного до чисто векторного, включая инвариантные по распространению плоские лучи для равномерного освещения и создания индивидуальных градиентов интенсивности. Наконец, мы показываем, как это может подавить обесцвечивание в ловушке с одной длиной волны за счет линейных (пространственных режимов), а не нелинейных эффектов, продвигая зарождающуюся область оптики в химии.

Оптический захват или пинцет описывает манипулирование частицами нано- и микроразмера посредством передачи импульса от плотно сфокусированного света. Оптический пинцет был впервые продемонстрирован Артуром Эшкиным в 1970 году с помощью гауссова луча1, и полвека спустя этот луч все еще доминирует в экспериментах по оптическому захвату2. Однако использование структурированного света3 (путем изменения интенсивности, фазы и поляризации света) в оптических пинцетах позволило не только захватывать, но и перемещать, вращать и направлять частицы. Эти структурированные световые ловушки сегодня являются хорошо зарекомендовавшей себя технологией4,5, а поскольку большинство структурированных лучей создаются с помощью голограммы, их назвали голографическими оптическими пинцетами (HOT)6,7.

С помощью HOT можно создать массив ловушек для одновременной улавливания нескольких частиц, при этом имея возможность динамически изменять этот шаблон массива, что позволяет осуществлять строго контролируемые манипуляции с частицами8,9,10,11. Структурированные лучи, которые восстанавливаются после искажения захваченной частицей (пучки Бесселя), позволяют осуществлять захват в нескольких плоскостях12, тогда как луч Бесселя в дальней зоне может использоваться в качестве оптического экрана, помогающего захватывать частицы в густонаселенных средах13. Было показано, что структурированные световые лучи не только повышают прочность ловушки14, но и лучи Эйри, например, могут направлять частицу по определенной траектории, обеспечивая избирательное удаление частиц в образце15,16; с помощью лепестковых пучков можно одновременно улавливать частицы с разными показателями преломления17, а замороженные волны могут повысить стабильность и трехмерный контроль ловушки18. Тот факт, что свет несет линейный импульс, хорошо известен и является причиной того, почему свет может захватывать частицы, однако свет также может переносить орбитальный угловой момент (ОУМ), как лучи Лагерра-Гаусса (ЛГ). Используя эти несущие лучи OAM, оптические пинцеты также обеспечивают контроль вращения частиц19,20,21,22.

До сих пор исследования HOT были сосредоточены в основном на структурированных лучах, модулированных по амплитуде и фазе — их называют скалярными лучами. С другой стороны, векторные пучки также структурированы по поляризации, то есть имеют пространственно меняющуюся картину поляризации. Улавливание векторными лучами — это новейший путь структурированного света, исследованный с помощью оптических пинцетов, который уже доказал свою пользу для сообщества ловушек4,5,23. Например, векторный луч с радиальной поляризацией известен тем, что обеспечивает наименьший размер пятна при жесткой фокусировке24,25; это свойство использовалось для создания более сильных аксиальных оптических ловушек26,27. Первый векторный HOT был продемонстрирован Бхебхе и др.28, который позволил осуществить оптический захват с помощью динамической матрицы векторных и/или скалярных лучей.

Использование структурированного света в оптических пинцетах сделало этот метод мощным, более того, сочетание этого инструмента с флуоресцентной спектроскопией позволило не только воздействовать на частицу силой, но и наблюдать химические и структурные изменения молекул внутри ловушки. По этой причине оптический пинцет в сочетании с флуоресценцией одиночных молекул является сегодня бесценным и новаторским инструментом в биологических исследованиях29,30,31. Однако интеграция флуоресцентной микроскопии в оптические пинцеты не является тривиальной, поскольку интенсивность улавливающего света на шесть порядков выше, чем интенсивность возбуждающего света, используемого в экспериментах по флуоресценции32. Улавливающий свет высокой интенсивности приводит к фотообесцвечиванию флуорофоров, что представляет собой необратимый процесс, в результате которого флуорофоры перестают флуоресцировать33. Хотя это и не до конца понятно, фотообесцвечивание обычно происходит, когда уже возбужденные электроны продолжают поглощать фотоны, и возникающая в результате диссоциация приводит к постоянной потере сигнала флуоресценции34. Самым популярным решением для минимизации фотообесцвечивания в оптических пинцетах является использование двух разных источников: одного нерезонансного лазера высокой интенсивности для захвата и резонансного источника меньшей интенсивности для возбуждения34,35. Эти два источника затем разделяются либо в пространстве36,37,38, либо во времени39,40. Очень мало исследований изучали возможность использования структурированного света для интеграции флуоресцентной спектроскопии в оптические пинцеты, и ни одно из них на сегодняшний день не использует векторную природу структурированного света. 42,43. Недавно Чжан и Мильштейн показали, что время жизни фотообесцвечивания органического красителя, расположенного на 1 \(\upmu \text{m}\) ниже центра ловушки, можно увеличить за счет захвата вихревым лучом, при этом используя отдельные источники захвата и возбуждения43.