I ricercatori del MIT hanno sfruttato la tecnologia OPA (Optical Phased Array) integrata per sviluppare un tipo di pinzetta ottica compatta, simile a un “raggio traente” basato su chip in miniatura, come quello che cattura il Millennium Falcon. Nel film guerre stellari– che secondo gli scienziati potrebbe essere utilizzato in futuro per aiutare biologi e medici a studiare il DNA, classificare le cellule e indagare sui meccanismi delle malattie.

Il dispositivo, abbastanza piccolo da stare nel palmo di una mano, utilizza un raggio di luce emesso da un chip fotonico di silicio per manipolare le molecole a pochi millimetri dalla superficie del chip. La luce può penetrare nei vetrini coprioggetto che proteggono i campioni utilizzati negli esperimenti biologici, consentendo alle cellule di rimanere in un ambiente sterile.

In carta dentro comunicazioni naturalistiche, I ricercatori, guidati dall’autrice corrispondente Jelena Notaros, Ph.D., Robert J. Shillman Career Development Professor in Ingegneria Elettrica e Informatica (EECS) e membro del Laboratorio di ricerca elettronica, descrivono la loro dimostrazione, per la prima volta, di intrappolamento ottico e con pinzetta di perline di polistirene e cellule di linfoblasti di topo. Nel loro articolo intitolato “Pinzatura ottica di microparticelle e celle utilizzando array ottici basati sulla fotonica del silicio“Questo lavoro presenta un nuovo approccio alle pinzette ottiche integrate, aumentandone notevolmente l’utilità e la compatibilità con le applicazioni esistenti, in particolare per gli esperimenti biologici”, ha concluso il team. Hanno notato che questa tecnologia ha “…applicazioni promettenti che vanno dagli esperimenti sul DNA e sulle proteine ​​all’elaborazione e allo smistamento delle cellule”.

Le pinzette ottiche utilizzano un raggio di luce focalizzato per catturare e manipolare piccole particelle. Le forze esercitate dal raggio attireranno le particelle fini verso la luce intensamente focalizzata al centro, facendole catturare. Dirigendo il raggio di luce, i ricercatori possono trascinare con sé minuscole particelle, consentendo loro di manipolare piccoli oggetti utilizzando forze senza contatto.

“Le trappole ottiche e le pinzette consentono di intrappolare e manipolare le particelle attraverso forze senza contatto risultanti dai gradienti di densità ottica e dal trasferimento della quantità di moto dei fotoni”, ha spiegato il team. Queste proprietà fanno sì che l’intrappolamento ottico sia diventato una tecnica essenziale per gli esperimenti biologici. “Ad esempio, questa tecnologia ha fornito informazioni sulla biomeccanica del DNA e delle proteine ​​motrici, ha aiutato la classificazione e la caratterizzazione delle cellule e ha fornito dati importanti sulla biologia di base dei meccanismi delle malattie”.

La tradizionale tecnologia delle pinzette ottiche richiede in genere grandi configurazioni microscopiche, nonché più dispositivi per creare e controllare la luce, limitando dove e come può essere utilizzata. Le pinzette ottiche basate su chip possono fornire una soluzione più compatta, fabbricabile in serie, ampiamente accessibile e ad alta produttività per la manipolazione ottica negli esperimenti biologici.

Tuttavia, le pinzette ottiche integrate possono raccogliere e manipolare solo le cellule molto vicine o direttamente sulla superficie del chip. I campioni biologici vengono generalmente conservati in ambienti sterili utilizzando vetrini di vetro spessi circa 150 micron, quindi l’unico modo per manipolarli utilizzando tale vetrino è estrarre le cellule e posizionarle sulla loro superficie. Ciò contamina il chip e può stressare le cellule, limitando la compatibilità con gli esperimenti biologici standard. Ogni volta che viene eseguito un nuovo esperimento, il vetrino deve essere scartato e le cellule posizionate su un nuovo vetrino.

Per superare queste sfide, il team del MIT ha utilizzato un sistema chiamato “phased array integrato” per sviluppare un nuovo metodo di pinzette ottiche integrate che consentono di intrappolare e pizzicare le cellule a una distanza superiore a cento volte la superficie del chip. Ciò consente di catturare ed elaborare le molecole biologiche che rimangono all’interno di un coprioggetto sterile, proteggendo sia il chip che le particelle dalla contaminazione.

La tecnologia Phased Array fotonico integrata prevede una serie di antenne di dimensioni microscopiche fabbricate su un chip utilizzando processi di produzione di semiconduttori. Controllando elettronicamente il segnale ottico emesso da ciascuna antenna, i ricercatori possono modellare e dirigere il fascio di luce emesso dal chip.

Motivati ​​da applicazioni a lungo raggio come il lidar, la maggior parte dei precedenti array di fasi ottici integrati non erano progettati per generare i fasci altamente focalizzati necessari per le pinzette ottiche. Il team del MIT ha scoperto che creando schemi di fase specifici per ciascuna antenna, si potrebbe formare un raggio di luce intensamente focalizzato, che potrebbe essere utilizzato per intrappolare otticamente e rimuovere millimetri della superficie del chip.

Modificando la lunghezza d’onda del segnale ottico che occupa il chip, i ricercatori sono stati in grado di dirigere il raggio focalizzato su una gamma maggiore di un millimetro con precisione microscopica. “Nessuno ha mai creato pinzette ottiche basate sulla fotonica del silicio in grado di trattenere microparticelle a una distanza di un millimetro”, ha detto Notaros. “Si tratta di un miglioramento di diversi ordini di grandezza rispetto alle dimostrazioni precedenti”.

“Ci sono state diverse sfide uniche che sono emerse nel processo di applicazione della fotonica del silicio alla biofisica”, ha aggiunto il coautore Tal Sneh, uno studente di dottorato presso l’EECS. I ricercatori hanno dovuto determinare come tracciare il movimento delle molecole del campione in modo semiautomatico, garantire la forza della trappola adeguata per mantenere le molecole in posizione e ottenere dati di post-elaborazione in modo efficiente.

Per testare il loro dispositivo, i ricercatori hanno iniziato cercando di catturare e manipolare piccole palline di polistirolo. “Utilizziamo l’OPA con messa a fuoco integrata per emettere un raggio strettamente focalizzato dal chip e dimostrare il successo dell’intrappolamento delle microsfere di polistirene a 5 mm sopra la superficie del chip”, hanno affermato. Una volta riusciti, sono passati all’intrappolamento e al prelievo delle cellule tumorali con una pinza fornita dal gruppo di Joel Voldman, Ph.D., professore William R. Brody all’EECS. Nella loro discussione, il team ha anche commentato che: “…usiamo queste pinzette OPA per dimostrare la deformazione controllata dei linfociti murini (una tecnica biologicamente rilevante che può essere utilizzata per analizzare le proprietà meccaniche delle cellule sia per la ricerca di base che per studi applicati per indagare sulle malattie meccanismi.”), una promettente dimostrazione di prova che rappresenta, a nostra conoscenza, i primi esperimenti cellulari che utilizzano pinzette ottiche integrate a raggio singolo.

“Con la fotonica del silicio, possiamo prendere questo grande sistema che viene tipicamente applicato su scala di laboratorio e integrarlo in un chip”, ha commentato Notaros. “Ciò offre un’ottima soluzione per i biologi, perché fornisce loro la funzionalità di cattura ottica e pinzette senza dover caricare configurazioni ottiche complesse.” Gli autori hanno inoltre osservato che “questo approccio basato sull’OPA offre vantaggi in termini di costi, ingombro, complessità e potenziale di produzione di massa delle pinzette compatte, fornendo al contempo gran parte delle funzionalità dei sistemi ottici sfusi”.

Sulla base dei risultati riportati, il team spera di migliorare il sistema per consentire la regolazione dell’altezza focale del fascio di luce. Vogliono anche applicare il dispositivo a diversi sistemi biologici e utilizzare più siti di trappola contemporaneamente per manipolare le molecole biologiche in modi più complessi.

“Questo lavoro apre nuove possibilità per le pinzette ottiche basate su chip consentendo l’intrappolamento e la pinzatura delle cellule a distanze molto maggiori rispetto a quanto precedentemente dimostrato”, ha affermato Notaros. “È entusiasmante pensare alle diverse applicazioni che potrebbero essere rese possibili da questa tecnologia”. Gli autori hanno concluso che la tecnologia “rappresenta un miglioramento significativo nell’utilità e nella compatibilità delle future pinzette ottiche integrate per la ricerca biologica e ha il potenziale per aprire la porta a un’ampia gamma di esperimenti che in precedenza non erano possibili con le precedenti applicazioni di pinzette integrate. ” , che comprende la ricerca biofisica con molecole coniugate a microsfere, esperimenti di selezione di singole cellule e ricerche emergenti sulla cattura in vivo.