O minúsculo dispositivo usa um feixe de luz bem focado para capturar e manipular células.
Pesquisadores do MIT desenvolveram um “raio trator” em miniatura baseado em chip, como aquele que captura a Millennium Falcon no filme “Guerra nas Estrelas”, que poderá algum dia ajudar biólogos e médicos a estudar DNA, classificar células e investigar os mecanismos de doenças. .
Pequeno o suficiente para caber na palma da sua mão, o dispositivo usa um feixe de luz emitido por um chip fotônico de silício para manipular partículas a milímetros de distância da superfície do chip. A luz pode penetrar nas lamínulas de vidro que protegem as amostras utilizadas em experimentos biológicos, permitindo que as células permaneçam em um ambiente estéril.
Pinças ópticas tradicionais, que prendem e manipulam partículas usando luz, geralmente requerem configurações de microscópio volumosas, mas pinças ópticas baseadas em chip podem oferecer uma solução mais compacta, de fabricação em massa, amplamente acessível e de alto rendimento para manipulação óptica em experimentos biológicos.
No entanto, outras pinças ópticas integradas semelhantes só podem capturar e manipular células que estão muito próximas ou diretamente na superfície do chip. Isso contamina o chip e pode estressar as células, limitando a compatibilidade com experimentos biológicos padrão.
Usando um sistema chamado phased array óptico integrado, os pesquisadores do MIT desenvolveram uma nova modalidade para pinças ópticas integradas que permite capturar e pinçar células mais de cem vezes mais longe da superfície do chip.
“Este trabalho abre novas possibilidades para pinças ópticas baseadas em chips, permitindo capturar e pinçar células a distâncias muito maiores do que as demonstradas anteriormente. É emocionante pensar nas diferentes aplicações que poderiam ser possibilitadas por esta tecnologia”, diz Jelena Notaros, a Robert J. Shillman Professor de Desenvolvimento de Carreira em Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) e membro do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica.
Juntando-se a Notaros no artigo estão o autor principal e estudante de pós-graduação do EECS, Tal Sneh; Sabrina Corsetti, estudante de pós-graduação do EECS; Milica Notaros PhD '23; Kruthika Kikkeri PhD '24; e Joel Voldman, professor William R. Brody do EECS. A pesquisa aparece hoje em Comunicações da Natureza .
Uma nova modalidade de captura
Armadilhas ópticas e pinças usam um feixe de luz focado para capturar e manipular partículas minúsculas. As forças exercidas pelo feixe puxarão as micropartículas em direção à luz intensamente focada no centro, capturando-as. Ao direcionar o feixe de luz, os pesquisadores podem puxar as micropartículas junto com ele, permitindo-lhes manipular pequenos objetos usando forças sem contato.
No entanto, as pinças ópticas tradicionalmente exigem uma grande configuração de microscópio em um laboratório, bem como vários dispositivos para formar e controlar a luz, o que limita onde e como elas podem ser utilizadas.
“Com a fotônica de silício, podemos pegar esse sistema grande, normalmente em escala de laboratório, e integrá-lo em um chip. Isso representa uma ótima solução para biólogos, pois fornece captura óptica e funcionalidade de pinça sem a sobrecarga de um complexo sistema óptico em massa. configuração”, diz Notaros.
Mas até agora, as pinças ópticas baseadas em chip só foram capazes de emitir luz muito perto da superfície do chip, de modo que esses dispositivos anteriores só podiam capturar partículas a alguns mícrons da superfície do chip. As amostras biológicas são normalmente mantidas em ambientes estéreis usando lamínulas de vidro com cerca de 150 mícrons de espessura, portanto, a única maneira de manipulá-las com esse chip é retirar as células e colocá-las em sua superfície.
No entanto, isso leva à contaminação do chip. Cada vez que um novo experimento é feito, o chip deve ser jogado fora e as células colocadas em um novo chip.
Para superar esses desafios, os pesquisadores do MIT desenvolveram um chip fotônico de silício que emite um feixe de luz que se concentra cerca de 5 milímetros acima de sua superfície. Dessa forma, eles podem capturar e manipular partículas biológicas que permanecem dentro de uma lamínula estéril, protegendo tanto o chip quanto as partículas da contaminação.
Manipulando luz
Os pesquisadores conseguem isso usando um sistema chamado phased array óptico integrado. Esta tecnologia envolve uma série de antenas em microescala fabricadas em um chip usando processos de fabricação de semicondutores. Ao controlar eletronicamente o sinal óptico emitido por cada antena, os pesquisadores podem moldar e direcionar o feixe de luz emitido pelo chip.
Motivados por aplicações de longo alcance como o lidar, a maioria dos phased arrays ópticos integrados anteriores não foram projetados para gerar os feixes fortemente focados necessários para a pinça óptica. A equipe do MIT descobriu que, ao criar padrões de fase específicos para cada antena, eles poderiam formar um feixe de luz intensamente focado, que pode ser usado para captura óptica e pinça a milímetros da superfície do chip.
“Ninguém havia criado pinças ópticas baseadas em fotônica de silício capazes de capturar micropartículas em uma distância em escala milimétrica antes. Esta é uma melhoria de várias ordens de magnitude maior em comparação com demonstrações anteriores”, diz Notaros.
Variando o comprimento de onda do sinal óptico que alimenta o chip, os pesquisadores puderam direcionar o feixe focado em um alcance maior que um milímetro e com precisão em microescala.
Para testar seu dispositivo, os pesquisadores começaram tentando capturar e manipular minúsculas esferas de poliestireno. Assim que obtiveram sucesso, eles passaram a capturar e pinçar células cancerígenas fornecidas pelo grupo Voldman.
“Houve muitos desafios únicos que surgiram no processo de aplicação da fotônica do silício à biofísica”, acrescenta Sneh.
Os pesquisadores tiveram que determinar como rastrear o movimento das partículas da amostra de forma semiautomática, determinar a força adequada da armadilha para manter as partículas no lugar e pós-processar os dados de maneira eficaz, por exemplo.
No final, eles conseguiram mostrar os primeiros experimentos celulares com pinças ópticas de feixe único.
Com base nesses resultados, a equipe espera refinar o sistema para permitir uma altura focal ajustável para o feixe de luz. Eles também querem aplicar o dispositivo a diferentes sistemas biológicos e usar vários locais de armadilha ao mesmo tempo para manipular partículas biológicas de maneiras mais complexas.
“Este é um artigo muito criativo e importante em muitos aspectos”, diz Ben Miller, professor reitor de dermatologia e professor de bioquímica e biofísica na Universidade de Rochester, que não esteve envolvido neste trabalho. “Por um lado, dado que os chips fotônicos de silício podem ser fabricados a baixo custo, isso potencialmente democratiza os experimentos de pinça óptica. Isso pode soar como algo que seria do interesse de apenas alguns cientistas, mas na realidade, ter esses sistemas amplamente disponíveis nos permitirá para estudar problemas fundamentais em biofísica unicelular de maneiras anteriormente disponíveis apenas para alguns laboratórios, dado o alto custo e complexidade da instrumentação. Também posso imaginar muitas aplicações onde um desses dispositivos (ou possivelmente uma série deles) poderia ser usado. para melhorar a sensibilidade do diagnóstico de doenças.”
Artigo: “Pinça Óptica de Micropartículas e Células Usando Matrizes Faseadas Ópticas Baseadas em Fotônica de Silício”
