Нанотехнологии получили новый высокоточный инструмент – ученые из Великобритании создали новый тип оптического пинцета, способного захватывать и перемещать объекты в наноразмерном диапазоне длин. Это открытие позволит также более бережно манипулировать отдельными живыми клетками, что, несомненно, будет полезно ученым-цитологам.

Традиционный оптический пинцет, разработанный десятилетия назад, – один из важнейших инструментов в микробиологии, физики и химии. Особо полезен оптический пинцет в цитологии при манипулировании микроскопическими живыми клетками.

Также он позволяет исследователям прикладывать к диэлектрическим объектам силы от фемтоньютонов до наноньютонов и измерять расстояния от нескольких нанометров до микронов.

Принцип действия оптического пинцета прост – объекты, представляемые в виде маленьких диэлектрических сфер взаимодействуют с электрическим полем, созданным световой волной, за счёт индуцированного на сфере дипольного момента. В результате взаимодействия этого диполя с электрическим полем электромагнитной волны, объект перемещается вдоль градиента электрического поля.

Кроме градиентной силы, на объект также действует сила, вызванная давлением (отражением) света от его поверхности. Эта сила толкает сферу по направлению пучка света. Однако если луч света сильно сфокусирован, величина градиента интенсивности может быть больше величины давления света.

Недостаток цитологических инструментов заключается в их «жестком» отношении к живым клеткам. Высокоэнергетические лазеры, использующиеся в обычном оптическом пинцете, зачастую либо повреждают, либо совсем разрушают исследуемый объект.

Рис. 1. Нано-колонны- зона захвата наночастиц

Александр Григоренко и его коллеги из Университета Манчестера (University of Manchester) смогли разрешить эту проблему и сделать лазерный пинцет более «нежным». При этом, как ни странно, он характеризуется большей силой захвата и удержания наночастиц, чем традиционные оптические инструменты!

Секрет заключатся в нестандартном принципе действия оптического пинцета. Устройство использует так называемые «виртуальные фотоны» для существенного уменьшения объема зоны захвата частиц. Теперь можно «подержать» даже объекты из трудноуловимого наноразмерного диапазона.

Александр и его коллеги смогли усмирить даже броуновское движение частиц, представляющее особенную проблему при захвате микроскопических объектов.

Основа пинцета – матрица парных нано-колонн, которые изготовлены с помощью традиционных методов электронно-лучевой литографии. Расстояние между двумя колоннами и есть искомая зона захвата устройства.

Электронная плазма золотых наночастиц определенной геометрии, расположенных на матрице, благодаря лазеру генерирует искомые виртуальные фотоны, которые могут быть упакованы в гораздо более меньший объем, и, как следствие, могут прикладывать большие силы на частицы, расположенные между нано-колоннами.

Рис. 2. Принцип действия нанопинцета

Григоренко смог захватить наночастицу полистирена размером всего 200 нанометров в диаметре! На сегодняшний день предельные размеры частиц, которыми могут манипулировать оптические пинцеты, составляет около 2 микронов (при одной и той же мощности лазера).

Биологи смогут с помощью нового инструмента манипулировать отдельными макромолекулами, и клетками более точно, – говорит Александр.

Более того, уникальный инструмент будет востребован нанотехнологами, занимающимися конструированием наномашин и сложных наноструктур. Высокое разрешение нано-пинцета позволяет проводить ряд «строительных» операций в наноразмерном диапазоне.

Сейчас Александр и его коллеги работают над оптимизацией матрицы нано-колонн для того, чтобы добиться исследования нескольких частиц одновременно. Это, опять-таки, необходимо в цитологических и биологических исследованиях.

Свидиненко Юрий