Net zoals de Jedi's in Star Wars de Force gebruiken om objecten op afstand te besturen, wetenschappers kunnen licht of optische kracht gebruiken om zeer kleine deeltjes te verplaatsen. De uitvinders van deze baanbrekende lasertechnologie, bekend als "optisch pincet, " kregen in 2018 de Nobelprijs voor de natuurkunde.

Optische pincetten worden gebruikt in de biologie, geneeskunde en materiaalkunde om nanodeeltjes zoals goudatomen te assembleren en te manipuleren. Echter, de technologie is gebaseerd op een verschil in de brekingseigenschappen van het ingesloten deeltje en de omgeving.

Nu hebben wetenschappers een nieuwe techniek ontdekt waarmee ze deeltjes kunnen manipuleren die dezelfde brekingseigenschappen hebben als de achtergrondomgeving, het overwinnen van een fundamentele technische uitdaging.

De studie, "Optisch pincet voorbij brekingsindex-mismatch met behulp van sterk gedoteerde upconversie-nanodeeltjes, " is zojuist gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .

"Deze doorbraak heeft een enorm potentieel, vooral op gebieden als geneeskunde, ", zegt toonaangevende co-auteur Dr. Fan Wang van de University of Technology Sydney (UTS).

"Het vermogen om te duwen, trek en meet de krachten van microscopisch kleine objecten in cellen, zoals strengen DNA of intracellulaire enzymen, zou kunnen leiden tot vooruitgang in het begrijpen en behandelen van veel verschillende ziekten zoals diabetes of kanker.

"Traditionele mechanische microsondes die worden gebruikt om cellen te manipuleren, zijn invasief, en de positioneringsresolutie is laag. Ze kunnen alleen dingen meten als de stijfheid van een celmembraan, niet de kracht van moleculaire motoreiwitten in een cel, " hij zegt.

Het onderzoeksteam ontwikkelde een unieke methode om de brekingseigenschappen en luminescentie van nanodeeltjes te beheersen door nanokristallen te doteren met zeldzame aardmetaalionen.

Na deze eerste fundamentele uitdaging te hebben overwonnen, het team optimaliseerde vervolgens de dopingconcentratie van ionen om het vangen van nanodeeltjes op een veel lager energieniveau te bereiken, en bij 30 keer verhoogde efficiëntie.

"Traditioneel, je hebt honderden milliwatt laservermogen nodig om een ​​gouddeeltje van 20 nanometer te vangen. Met onze nieuwe technologie, we kunnen een deeltje van 20 nanometer vangen met tientallen milliwatts vermogen, " zegt Xuchen Shan, eerste co-auteur en UTS Ph.D. kandidaat in de UTS School of Electrical and Data Engineering.

"Onze optische pincetten bereikten ook een recordhoge mate van gevoeligheid of 'stijfheid' voor nanodeeltjes in een wateroplossing. Opmerkelijk is dat de warmte gegenereerd door deze methode was verwaarloosbaar in vergelijking met oudere methoden, onze optische pincetten bieden dus een aantal voordelen, " hij zegt.

Mede-co-auteur Dr. Peter Reece, van de Universiteit van New South Wales, zegt dat dit proof-of-concept-onderzoek een belangrijke vooruitgang is op een gebied dat steeds geavanceerder wordt voor biologische onderzoekers.

"Het vooruitzicht van het ontwikkelen van een zeer efficiënte krachtsonde op nanoschaal is erg opwindend. De hoop is dat de krachtsonde kan worden gelabeld om zich te richten op intracellulaire structuren en organellen, waardoor de optische manipulatie van deze intracellulaire structuren, " hij zegt.

Voorname professor Dayong Jin, Directeur van het UTS Institute for Biomedical Materials and Devices (IBMD) en een vooraanstaande co-auteur, zegt dat dit werk nieuwe mogelijkheden biedt voor functionele beeldvorming met superresolutie van intracellulaire biomechanica.

"IBMD-onderzoek is gericht op de vertaling van vooruitgang in fotonica en materiaaltechnologie naar biomedische toepassingen, en dit type technologieontwikkeling sluit goed aan bij deze visie, ’ zegt professor Jin.

"Zodra we de fundamentele wetenschappelijke vragen hebben beantwoord en nieuwe mechanismen van fotonica en materiaalwetenschap hebben ontdekt, we gaan dan om ze toe te passen. Deze nieuwe vooruitgang stelt ons in staat om minder krachtige en minder invasieve manieren te gebruiken om nanoscopische objecten te vangen, zoals levende cellen en intracellulaire compartimenten, voor manipulatie met hoge precisie en meting van biomechanica op nanoschaal."