Intrappolamento ottico del sub

Jun 04, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8615 (2023) Citare questo articolo

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Mentre le pinzette ottiche (OT) vengono utilizzate principalmente per confinare particelle di dimensioni più piccole, le trappole a doppio raggio di contropropagazione (CP) sono state un metodo versatile per confinare particelle di dimensioni piccole e grandi, compresi i campioni biologici. Tuttavia, le trappole CP sono sistemi sensibili complessi, che richiedono un noioso allineamento per ottenere una perfetta simmetria con valori di rigidità di intrappolamento piuttosto bassi rispetto a OT. Inoltre, a causa delle loro forze relativamente deboli, le trappole CP hanno una dimensione limitata delle particelle che possono confinare, che è di circa 100 μm. In questo articolo, una nuova classe di pinzette ottiche a contropropagazione con una simmetria rotta viene discussa e dimostrata sperimentalmente per intrappolare e manipolare particelle più grandi di 100 μm all'interno di mezzi liquidi. La nostra tecnica sfrutta un singolo fascio gaussiano che si ripiega su se stesso in modo asimmetrico formando una trappola CP in grado di confinare particelle piccole e significativamente più grandi (fino a 250 μm di diametro) basandosi solo su forze ottiche. Per quanto ne sappiamo, tale intrappolamento ottico di campioni di grandi dimensioni non è stato dimostrato prima. La simmetria rotta della trappola combinata con la retroriflessione del raggio non solo ha semplificato significativamente l'allineamento del sistema, ma lo ha anche reso resistente a lievi disallineamenti e migliora la rigidità dell'intrappolamento, come mostrato di seguito. Inoltre, il metodo di intrappolamento da noi proposto è piuttosto versatile in quanto consente di intrappolare e tradurre un'ampia varietà di dimensioni e forme di particelle, che vanno da un micron fino a poche centinaia di micron compresi i microrganismi, utilizzando potenze laser molto basse e ottiche ad apertura numerica. Ciò a sua volta consente l'integrazione di un'ampia gamma di tecniche di spettroscopia per l'imaging e lo studio del campione intrappolato otticamente. Ad esempio, dimostreremo come questa nuova tecnica consente l'intrappolamento 3D simultaneo e la microscopia a foglio luminoso di vermi C. elegans con una lunghezza fino a 450 µm.

I laser consentono interazioni luce-materia uniche che portano a forti forze ottiche, manipolazione e intrappolamento delle particelle1,2,3,4,5,6,7,8. L'intrappolamento ottico è uno strumento versatile con molte applicazioni che ha consentito numerosi studi fondamentali, rivoluzionando numerosi campi della scienza e dell'ingegneria sin dalla sua scoperta9,10,11,12,13,14,15. L'implementazione più semplice ma potente delle trappole ottiche è la trappola di forza del gradiente a raggio singolo, nota come pinzetta ottica16,17,18. In questo metodo, la trappola si forma quando un raggio laser viene focalizzato in modo sufficientemente stretto da confinarlo con le forze ottiche esercitate sulla particella di interesse. Queste forze sono generalmente classificate in due contributi principali. Una è rappresentata dalle forze del gradiente che attirano le particelle con indice di rifrazione più elevato rispetto al mezzo di fondo in regioni con maggiore intensità laser. Il secondo sono le forze di diffusione che spingono principalmente le particelle lungo la direzione di propagazione del fascio. Queste ultime forze possono contrastare l'intrappolamento delle particelle, portando a una trappola instabile, soprattutto per le particelle più grandi (superiori a 10 μm). Pertanto, trovare un approccio pratico per compensare gli effetti negativi delle forze di diffusione è un passo cruciale per ottenere un intrappolamento ottico stabile. Una soluzione comune è l'uso di obiettivi per microscopio ad alta NA (apertura numerica), per focalizzare strettamente il raggio in modo che le forze del gradiente aumentino al punto da superare le forze di diffusione nella direzione assiale. Tale messa a fuoco richiede tipicamente obiettivi per microscopio con aperture numeriche superiori a uno (quindi del tipo ad immersione). Ciò si traduce in una breve distanza di lavoro, un campo visivo ristretto e intensità locali estreme che di solito sono in conflitto con le esigenze delle applicazioni pratiche, soprattutto in biologia. Un altro approccio che può evitare gli svantaggi sopra menzionati è l'uso di due fasci identici moderatamente focalizzati di contropropagazione (CP)19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30. Qui ciascun raggio bilancia le forze di diffusione in avanti dell'altro, generando stabilità assiale per formare una trappola 3D tra i fuochi dei due raggi. Tale intrappolamento ottico all'interno delle sospensioni è stato ottenuto utilizzando obiettivi ad alto NA25,26, obiettivi a basso NA19,31, due fibre20,32,33,34, trappole a specchio ottico35,36,37,38,39,40,41, fase ottica coniugazione42, trappole olografiche contropropaganti23,37,40 e onde stazionarie ideali per intrappolare nanoparticelle21,22,23,24,35,36,37,38,39. In queste configurazioni di intrappolamento CP, poiché l'intrappolamento avviene tra i fuochi separati da decine di micron, non solo viene alleviato il fotodanneggiamento ma è diventato possibile anche il confinamento di particelle più grandi fino a 100 μm (note come macro-trappole)36,37,41 .