Использование света для перемещения и захвата молекул ДНК
Одна из главных целей нанотехнологий — создание «лаборатории на чипе», где крошечные биологические образцы перемещались бы по микроскопическим каналам для анализа. Это позволило бы создать портативные, быстродействующие детекторы патогенов, ускорить секвенирование ДНК и другие тесты.
Основная проблема — сложность управления веществом в наномасштабе. Механические насосы плохо масштабируются. Поэтому Дэвид Эриксон и Михал Липсон из Корнеллского университета обратились к «оптофлюидике» — использованию давления света для манипуляций биологическими молекулами.
В эксперименте, описанном в журнале Nature (1 января 2009 г.), учёные показали, что луч света может захватывать и перемещать частицы диаметром всего 75 нанометров (нм), включая молекулы ДНК. Это одни из самых маленьких объектов, когда-либо управляемых подобной системой.
Феномен основан на двойственной природе света. Свет можно рассматривать как поток частиц (фотонов), оказывающих давление, или как волну. Если свет ограничен волноводом уже своей длины волны, волна «переливается» за его пределы и может оказывать силу за пределами проводника.
В более ранней работе (Optics Express, 15 октября 2007 г.) исследователи использовали свет в волноводе для перемещения полистироловых сфер диаметром ~3 микрона. Однако «затухающее поле» световой волны за пределами волновода было слишком слабым для манипуляций с меньшими биомолекулами.
Прорывом стало новое устройство Липсона — «щелевой волновод». Это две параллельные кремниевые пластины на расстоянии 60 нм друг от друга. Световые волны, идущие по каждому волноводу, расширяются и перекрываются в щели между ними, концентрируя там большую часть энергии. Такая структура также позволяет направлять луч света через воздух или воду.
В эксперименте щелевой волновод был размещён поперёк микрофлюидного канала. Свет инфракрасного лазера, пропущенный через волновод, смог захватывать из потока воды:
Полистироловые сферы диаметром 75 нм
Молекулы ДНК сопоставимого размера
Свет в щели распространяется над ней и оказывает нисходящую силу на частицу, втягивая её в щель. Затем световое давление перемещает захваченные частицы вдоль волновода. Такое устройство может отделять биомолекулы из потока и направлять их для дальнейшего анализа. В перспективе это может позволить разделять молекулы ДНК по длине для быстрого секвенирования.
Исследование финансировалось Национальным научным фондом (NSF). Устройства были изготовлены в Корнеллском нанотехнологическом центре.