Zvětšit obrázek

Princip funkce štěrbinového (drážkového) světlovodu.

První letošní číslo časopisu Nature uveřejnilo výsledky experimentu, ve kterém spojili své znalosti vědci tří amerických vysokých škol (School of Chemical and Biomolecular Engineering, Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering, School of Electrical and Computer Engineering, Cornell University). Testovali novou metodu zachytávání nanorozměrovych částic z roztoků pomocí světla. Protože těmito částicemi mohou být třeba krátké řetězce DNA, může tento experiment být počátkem vývoje nové technologie, která výrazně zdokonalí takzvanou „laboratoř na čipu“.

Zvětšit obrázek

Dvě rovnoběžné křemíkové tyčinky (Si) vedou laserové paprsky. Dohromady tvoří štěrbinový světlovod. V úzké drážce dochází k překryvu „světelného pole“. Energie takového světelného toku je v těchto místech koncentrována a vytváří jakousi past, například pro částice DNA. (Erickson Lab)

Metoda by mohla kupříkladu řešit problém, jak z tekutin vyselektovat mikroskopické částečky specifického biologického materiálu, i když je jich jen nepatrné množství. Princip metody využívá vlastnosti laserového paprsku – proudu fotonů, jež při pohybu synchronně kmitají se stejnou frekvencí ve stejné rovině, se stejnou amplitudou. Světlo většiny laserů je totiž monochromatické, polarizované a koherentné, tedy hodně „ukázněné“. Když víme jaký laser máme, víme fyzikálně přesně předvídat, jak se jeho paprsky budou chovat. I když „přenašeč světla“ – foton – nemá klidovou hmotnost, má svou energii a tak může působit i na hmotné částice. A když jde o dosti intensivní proud stejně působícich fotonů a částice o velikosti nanometrů, jenž se navíc nacházejí v kapalině, pak i světlo může ovlivňovat jejich pohyb. To, že fotony mohou „tlačit“ na nanočástice, je známo delší dobu.

Tým amerických vědců však vyvinul a odskoušel metodu, která je díky své výkonnosti a jednoduchosti využitelná pro laboratorní praxi. Jeji princip spočívá ve vytvoření vlnovodu, který představuje pouze 60-120 nanometrů úzká mezera mezi dvěma optickými vodiči – viz. obrázky. Optické vodiče vedou infračervené laserové paprsky o vlnové délce 1500 nanometrů. Světelné vlnění putujíci podél vodičú se částečne šíří i za hranice jejich stěn a v úzké mezeře mezi nimi se tak oba paprsky překrývají a intenzita světla se sčítá. Vzniká tak jakýsi štěrbinový vlnovod s koncentrovanou energii právě ve štěrbině. V tomto neviditelně úzkém kanálku jsou pak fotony svou energií schopny nanočástice až do velikosti 75 nanometrů zachytit a prípadně je i posouvat podélne ve směru světla.

Zvětšit obrázek

Mikrofotografie ukazují nanočástice DNA jak plynou spolu s proudícím roztokem. Na snímcích jsou vidět jako bílé vločky různé velikosti. Jejich viditelnost je docílena tím, že DNA je obarvena fluoreskující látkou. Velikost zabíraného pole má šířku zhruba 100 mikronů. Světelný tok laseru (prochází středem sledovaného pole, ale není na obrázku vidět) některé z proplouvajících nanočástic polapí a drží je v drážce vlnovodu. Takto „chycená“ (zakroužkovaná) částice je stále na stejném místě. Ostatní částečky okolo ní proplouvají. Poté, co je laser odpojen, zakroužkovaný světelný bod odplyne spolu s proudem ostatních nanočástic. Čas snímků zapsaný pod jednotlivými obrázky ukazuje, že sledovaný kousek DNA byl světelnou pastí držen zhruba 2 vteřiny. (Erickson Lab)

Technologickou novinkou je tedy využití štěrbinového vlnovodu, který dovoluje do úzké mezery soustředit energii koherentního světla. Protože jeho vlnová délka je větší než šířka vlnovodu, nedochází na stěnách štěrbiny k rušivé difrakci (ohybu) paprsku, což u dřívějších podobných pokusů představovalo problém.

Současný experiment spočíval v pomalém toku kapaliny, která s rychlostí 80 mikrometrů za sekundu unášela nanometrové kousky DNA příčně nad vlnovody ukotvenými na skleněnou podložku.

Když přes křemíkové optické vodiče („stěny“ stěrbiny vlnovodu) svítí dva laserové paprsky, jsou schopny část nejblíže proplouvajících nanočástic DNA zastavit a udržet ve štěrbine vlnovodu po dobu působení světla, zatímco kapalina s ostatními částicemi protéká dál – viz video.

Jako nosné medium (kapalinu) vědci použili vodu, ve které byly rozptýleny kousky vláken DNA. „Promytí“ takové suspenze přes štěrbinové vlnovody zachytilo zhruba čtvrtinu přítomných částeček. Průměr kanálků, rychlost proudění i výkon použitého laseru lze ale pro různé účely měnit. Správnou kombinací těchto parametrů se proces vychytávání částic může zefektivnit a optimalizovat v závislosti od požadavku.
Vědci nyní chtějí lépe porozumět fyzikálním dějům, ke kterým při tomto procesu dochází. Jde o novou technologii, která by v biologii mohla sloužit nejen k novému způsobu manipulace s DNA, ale celou řadou nanočástic. Brzo bychom tak mohli mít k dispozici nové typy stolních detekčních přístrojů, které by nahrazovaly klasické složité laboratorní postupy a drahé přístrojové vybavení. Užití by mělo být široké – od velmi rychlé a efektivní diagnostiky nemocí, přes odhalování patogenů, nebo rychlé sekvenaci vzorků DNA.

VIDEO

Pramen: National Science Foundation