Een onderzoeksteam onder leiding van professor YongKeun Park van de afdeling Natuurkunde van KAIST heeft een optische manipulatietechniek ontwikkeld die de positie vrij kan controleren, oriëntatie, en vorm van microscopische monsters met complexe vormen. Het onderzoek is online gepubliceerd in Natuurcommunicatie op 22 mei.

Conventionele optische manipulatietechnieken genaamd "optisch pincet, " zijn gebruikt als een hulpmiddel van onschatbare waarde voor het uitoefenen van kracht op microschaal op microscopische deeltjes en het manipuleren van driedimensionale (3-D) posities van deeltjes. Optische pincetten maken gebruik van een strak gefocuste laser waarvan de straaldiameter kleiner is dan één micrometer (1/ 100 van haardikte), die een aantrekkingskracht kan genereren op naburige microscopisch kleine deeltjes die naar de bundelfocus bewegen. Door de posities van de bundelfocus te regelen, konden onderzoekers de deeltjes vasthouden en vrijelijk naar andere locaties verplaatsen, zodat ze de naam "optisch pincet, " en zijn op grote schaal gebruikt in verschillende gebieden van fysieke en biologische studies.

Tot dusver, de meeste experimenten met optische pincetten zijn uitgevoerd voor het vangen van bolvormige deeltjes omdat fysieke principes gemakkelijk optische krachten en de reagerende beweging van microsferen kunnen voorspellen. Voor het vangen van objecten met gecompliceerde vormen, echter, conventionele optische pincetten induceren onstabiele beweging van dergelijke deeltjes, en controleerbare oriëntatie van dergelijke objecten is beperkt, die het beheersen van de 3D-beweging van microscopische objecten met complexe vormen zoals levende cellen belemmeren.

Het onderzoeksteam heeft een nieuwe optische manipulatietechniek ontwikkeld die complexe objecten met willekeurige vormen kan vangen. Deze techniek meet eerst 3D-structuren van een object in realtime met behulp van een 3D-holografische microscoop, die hetzelfde fysieke principe van X-Ray CT-beeldvorming deelt. Op basis van de gemeten 3D-vorm van het object, de onderzoekers berekenen precies de vorm van licht die het object stabiel kan besturen. Als de vorm van het licht hetzelfde is als de vorm van het object, de energie van het object wordt geminimaliseerd, die zorgt voor een stabiele vangst van het object met de gecompliceerde vorm.

Bovendien, door de vorm van het licht te regelen om verschillende posities te hebben, routebeschrijving, en vormen van objecten, het is mogelijk om de 3D-beweging van het object vrij te regelen en het object een gewenste vorm te geven. Dit proces lijkt op het maken van een mal voor het gieten van een beeld met de gewenste vorm, dus bedachten de onderzoekers de naam van de huidige techniek "tomografische mal voor optische trapping (TOMOTRAP)". Het team slaagde erin individuele menselijke rode bloedcellen stabiel te vangen, ze roteren met de gewenste oriëntaties, vouw ze in een L-vorm, en het samenvoegen van twee rode bloedcellen om een ​​nieuwe structuur te vormen. In aanvulling, colonkankercellen met een complexe structuur zouden stabiel kunnen worden opgesloten en geroteerd op gewenste oriëntaties. Dit alles was moeilijk te realiseren met de conventionele optische technieken.

Professor Park zei:"Onze techniek heeft het voordeel dat ze de 3D-beweging van complexe gevormde objecten controleert zonder voorafgaande informatie over hun vorm en optische kenmerken, en kan worden toegepast op verschillende gebieden, waaronder natuurkunde, optiek, nanotechnologie, en medische wetenschap."

Dr. Kyoohyun Kim, de hoofdauteur van dit artikel, merkte op dat deze techniek gecontroleerde vervorming van biologische cellen met gewenste vormen kan induceren. "Deze benadering kan ook worden toegepast op realtime monitoring van chirurgische prognose van operaties op celniveau voor het vangen en vervormen van cellen en subcellulaire organellen, " voegde Kim eraan toe.