Ingenieure entwickeln einen Chip-basierten Traktorstrahl für biologische Partikel

MIT-Forscher haben einen miniaturisierten, chipbasierten „Traktorstrahl“ entwickelt, ähnlich dem, der den Millennium Falcon im Film „Star Wars“ einfängt, der eines Tages Biologen und Klinikern dabei helfen könnte, DNA zu untersuchen, Zellen zu klassifizieren und die Mechanismen von Krankheiten zu untersuchen .

Der Forschung erscheint in Naturkommunikation.

Das Gerät ist klein genug, um in Ihre Handfläche zu passen. Es nutzt einen Lichtstrahl, der von einem Silizium-Photonik-Chip ausgesendet wird, um Partikel zu manipulieren, die Millimeter von der Chipoberfläche entfernt sind. Das Licht kann die Glasdeckgläser durchdringen, die die in biologischen Experimenten verwendeten Proben schützen, sodass die Zellen in einer sterilen Umgebung bleiben.

Herkömmliche optische Pinzetten, die Partikel mithilfe von Licht einfangen und manipulieren, erfordern normalerweise sperrige Mikroskopaufbauten, aber chipbasierte optische Pinzetten könnten eine kompaktere, in Massen herstellbare, allgemein zugängliche Lösung mit hohem Durchsatz für die optische Manipulation in biologischen Experimenten bieten.

Andere ähnliche integrierte optische Pinzetten können jedoch nur Zellen erfassen und manipulieren, die sich sehr nahe an oder direkt auf der Chipoberfläche befinden. Dies verunreinigt den Chip und kann die Zellen belasten, was die Kompatibilität mit biologischen Standardexperimenten einschränkt.

Mithilfe eines Systems namens „Integrated Optical Phased Array“ haben die MIT-Forscher eine neue Modalität für integrierte optische Pinzetten entwickelt, die das Einfangen und Zupfen von Zellen in mehr als hundertfacher Entfernung von der Chipoberfläche ermöglicht.

„Diese Arbeit eröffnet neue Möglichkeiten für chipbasierte optische Pinzetten, indem sie das Einfangen und Pinzetten von Zellen in viel größeren Abständen als bisher gezeigt ermöglicht. Es ist spannend, über die verschiedenen Anwendungen nachzudenken, die durch diese Technologie ermöglicht werden könnten“, sagt Jelena Notaros, die Robert J. Shillman, Professor für Karriereentwicklung in Elektrotechnik und Informatik (EECS) und Mitglied des Forschungslabors für Elektronik.

Zu Notaros gehören bei der Arbeit der Hauptautor und EECS-Doktorand Tal Sneh; Sabrina Corsetti, eine EECS-Doktorandin; Milica Notaros Ph.D.; Kruthika Kikkeri Ph.D.; und Joel Voldman, William R. Brody-Professor für EECS.

Eine neue Fangmodalität

Optische Fallen und Pinzetten verwenden einen fokussierten Lichtstrahl, um winzige Partikel einzufangen und zu manipulieren. Die vom Strahl ausgeübten Kräfte ziehen Mikropartikel in Richtung des intensiv fokussierten Lichts in der Mitte und fangen sie ein. Durch Lenken des Lichtstrahls können Forscher die Mikropartikel mit sich ziehen und so winzige Objekte mithilfe berührungsloser Kräfte manipulieren.

Allerdings erfordern optische Pinzetten traditionell einen großen Mikroskopaufbau in einem Labor sowie mehrere Geräte zur Erzeugung und Steuerung des Lichts, was ihre Einsatzmöglichkeiten einschränkt.

„Mit der Siliziumphotonik können wir dieses große, typischerweise im Labormaßstab gehaltene System auf einen Chip integrieren. Dies stellt eine großartige Lösung für Biologen dar, da es ihnen optische Einfang- und Pinzettenfunktionen ohne den Aufwand einer komplizierten Bulk-Optik bietet.“ Setup“, sagt Notaros.

Bisher waren optische Pinzetten auf Chipbasis jedoch nur in der Lage, Licht sehr nahe an der Chipoberfläche zu emittieren, sodass diese früheren Geräte nur Partikel einfangen konnten, die sich einige Mikrometer von der Chipoberfläche entfernt befanden. Biologische Proben werden typischerweise in sterilen Umgebungen mit etwa 150 Mikrometer dicken Glasdeckgläsern aufbewahrt. Die einzige Möglichkeit, sie mit einem solchen Chip zu manipulieren, besteht darin, die Zellen herauszunehmen und auf der Oberfläche zu platzieren.

Dies führt jedoch zu einer Verunreinigung der Späne. Jedes Mal, wenn ein neues Experiment durchgeführt wird, muss der Chip weggeworfen und die Zellen auf einen neuen Chip gesetzt werden.

Um diese Herausforderungen zu meistern, entwickelten die MIT-Forscher einen Silizium-Photonik-Chip, der einen Lichtstrahl aussendet, der etwa 5 Millimeter über seiner Oberfläche fokussiert ist. Auf diese Weise können sie biologische Partikel, die in einem sterilen Deckglas verbleiben, einfangen und manipulieren und so sowohl den Chip als auch die Partikel vor Kontamination schützen.

Licht manipulieren

Dies erreichen die Forscher mit einem System namens integriertem optischen Phased Array. Bei dieser Technologie handelt es sich um eine Reihe von Mikroantennen, die mithilfe von Halbleiterfertigungsprozessen auf einem Chip hergestellt werden. Durch die elektronische Steuerung des von jeder Antenne ausgesendeten optischen Signals können Forscher den vom Chip ausgesendeten Lichtstrahl formen und steuern.

Motiviert durch Langstreckenanwendungen wie Lidar waren die meisten integrierten optischen Phased-Arrays der Vergangenheit nicht dafür ausgelegt, die für die optische Pinzette erforderlichen eng fokussierten Strahlen zu erzeugen. Das MIT-Team entdeckte, dass durch die Erstellung spezifischer Phasenmuster für jede Antenne ein intensiv fokussierter Lichtstrahl erzeugt werden kann, der zum optischen Einfangen und Entfernen von Millimetern von der Chipoberfläche verwendet werden kann.

„Niemand hatte zuvor optische Pinzetten auf Silizium-Photonik-Basis entwickelt, die in der Lage waren, Mikropartikel über eine Entfernung im Millimeterbereich einzufangen. Dies ist eine um mehrere Größenordnungen höhere Verbesserung im Vergleich zu früheren Demonstrationen“, sagt Notaros.

Durch Variation der Wellenlänge des optischen Signals, das den Chip antreibt, konnten die Forscher den fokussierten Strahl über einen Bereich von mehr als einem Millimeter und mit Genauigkeit im Mikromaßstab steuern.

Um ihr Gerät zu testen, versuchten die Forscher zunächst, winzige Polystyrolkügelchen einzufangen und zu manipulieren. Als ihnen das gelang, gingen sie dazu über, die von der Voldman-Gruppe bereitgestellten Krebszellen einzufangen und zu entfernen.

„Bei der Anwendung der Siliziumphotonik auf die Biophysik gab es viele einzigartige Herausforderungen“, fügt Sneh hinzu.

Die Forscher mussten beispielsweise herausfinden, wie sie die Bewegung von Probenpartikeln halbautomatisch verfolgen, die richtige Fallenstärke ermitteln können, um die Partikel an Ort und Stelle zu halten, und Daten effektiv nachbearbeiten.

Am Ende konnten sie erste Zellexperimente mit einstrahligen optischen Pinzetten zeigen.

Aufbauend auf diesen Ergebnissen hofft das Team, das System zu verfeinern, um eine einstellbare Fokushöhe für den Lichtstrahl zu ermöglichen. Sie möchten das Gerät auch auf verschiedene biologische Systeme anwenden und mehrere Fallstellen gleichzeitig nutzen, um biologische Partikel auf komplexere Weise zu manipulieren.

„Dies ist in vielerlei Hinsicht eine sehr kreative und wichtige Arbeit“, sagt Ben Miller, Dekanatsprofessor für Dermatologie und Professor für Biochemie und Biophysik an der Universität Rochester, der an dieser Arbeit nicht beteiligt war.

„Angesichts der Tatsache, dass photonische Siliziumchips zu geringen Kosten hergestellt werden können, demokratisieren sie möglicherweise optische Pinzettenexperimente.“

„Das mag nach etwas klingen, das nur für wenige Wissenschaftler von Interesse wäre, aber in Wirklichkeit wird die breite Verfügbarkeit dieser Systeme es uns ermöglichen, grundlegende Probleme in der Einzelzell-Biophysik auf eine Weise zu untersuchen, die aufgrund der hohen Kosten bisher nur wenigen Laboren zur Verfügung stand.“ und Komplexität der Instrumentierung.

„Ich kann mir auch viele Anwendungen vorstellen, bei denen eines dieser Geräte (oder möglicherweise eine Reihe davon) zur Verbesserung der Empfindlichkeit der Krankheitsdiagnose eingesetzt werden könnte.“

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.