Mécanisme de travail de la rotation hors-plan pilotée par la lumière des rotors à l'échelle micro/nano. (A) Un schéma simplifié illustrant la configuration expérimentale et le fonctionnement pour OTER de micro/nanoparticules. (B) Mécanisme de fonctionnement d'OTER :(i) Dans le champ de température non uniforme, les ions Na+ et Cl− et les molécules de PEG diffusent vers la région froide. Les flèches jaunes indiquent des forces d'épuisement discrètes (FDi) agissant sur le rotor, ce qui conduit à une force d'épuisement totale (FD) en (iv). (ii) Un champ TE est créé par la séparation des ions Na+ et Cl− en raison de leurs différents coefficients de thermodiffusion. Les flèches grises indiquent la direction du champ TE. (iii) Le champ de température affecte également la dissociation des fonctions carboxyliques, donc les charges de surface sur le substrat. (iv) Forces optothermiques et couple sur le rotor :En régime permanent, la distribution en gradient des molécules de PEG génère une force de déplétion attractive (FD) sur la particule. Une force répulsive (FTE) est générée à partir du champ TE. Une force thermo-électrocinétique (FEK) provient du substrat plasmonique revêtu d'acide 11-mercaptoundécanoïque avec une charge de surface thermo-sensible non uniforme (de -65 à -58 mV). La charge de surface de la plupart des particules varie également avec la température en raison de leurs groupes acides ionisés à la surface. Par exemple, la charge de surface locale d'une particule de polystyrène fonctionnalisé carboxylique (PS) varie de -55 à -49 mV. Les symboles "-" indiquent les distributions dépendant de la température des charges négatives à la surface de la particule et du substrat. Les régimes irradiés par la lumière avec la température la plus élevée présentent la densité de charge la plus faible. Un couple net, MEK, peut être généré sur la particule à une certaine position où un équilibre est atteint entre FD, FTE et FEK. La puissance optique est de 78,4 μW. Le point rouge marque le centroïde de la particule. Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abn8498
La rotation fondamentale des micro et nano-objets est cruciale pour la fonctionnalité de la micro et de la nanorobotique, ainsi que pour l'imagerie tridimensionnelle et les systèmes de laboratoire sur puce. Ces méthodes de rotation optique peuvent fonctionner sans carburant et à distance, et sont donc mieux adaptées aux expériences, tandis que les méthodes actuelles nécessitent des faisceaux laser avec des profils d'intensité conçus ou des objets aux formes sophistiquées. Ces exigences sont difficiles pour des configurations optiques plus simples avec une rotation guidée par la lumière d'une variété d'objets, y compris des cellules biologiques.
Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Science Advances , Hongru Ding et une équipe de recherche en ingénierie et science des matériaux de l'Université du Texas à Austin, aux États-Unis, ont développé une approche universelle pour la rotation hors plan de divers objets basée sur un faisceau laser arbitraire de faible puissance. Les scientifiques ont positionné la source laser loin des objets pour réduire les dommages optiques de l'éclairage direct et ont combiné le mécanisme de rotation via un couplage optothermique avec des expériences rigoureuses, couplées à des simulations multi-échelles. L'applicabilité générale et la biocompatibilité de la plate-forme de rotation universelle pilotée par la lumière sont essentielles pour une gamme d'applications scientifiques et d'ingénierie.
Rotation opto-thermoélectrique
En régulant la rotation d'objets à l'échelle micro et nanométrique, les chercheurs ont prouvé des fonctionnalités efficaces à travers la nanochirurgie précise, la friction sous vide et le contrôle de flux microfluidique. Les micro- et nanorotors alimentés par la lumière sont une option prometteuse sans carburant, bien que de tels dispositifs soient restés difficiles à développer car ils nécessitent des optiques plus simples et de faible puissance pour obtenir une rotation guidée par la lumière. Ding et al ont proposé la rotation opto-thermoélectrique (OTER) dans ce nouveau travail, pour générer une force électrocinétique, une force d'épuisement et une force électrique basée sur une optique simple et de faible puissance.
L'équipe de recherche a réussi à faire tourner des micro et nanoparticules sphériquement symétriques et homogènes via un seul faisceau laser gaussien positionné à l'écart des rotors, afin de réduire les dommages causés par l'éclairage direct par la lumière. En combinant les expériences avec des simulations multi-échelles, ils ont révélé une rotation optothermique via des interactions électrocinétiques entre les micro et nanoparticules, et le substrat avec une charge de surface thermosensible. Comme preuve de concept, l'équipe a montré comment la stratégie OTER pouvait faire pivoter des objets de différentes tailles, matériaux et formes pour réguler la lumière incidente et la chimie de surface.
Caractérisation optique in situ de la rotation hors plan induite par la lumière d'une microparticule sphérique. (A) (i) Illustration schématique de la rotation hors du plan d'une particule PS sphérique (c'est-à-dire rotor) autour d'un axe parallèle au substrat. Le faisceau laser, qui se propage perpendiculairement au substrat, chauffe la région du substrat proche de la particule. La particule est mise en suspension dans une solution 5% PEG/5% PBS recouvrant le substrat. Les deux billes rouges sont des nanoparticules fluorescentes pour la visualisation du changement d'orientation du rotor sous un microscope à épifluorescence. Le plan focal du microscope optique se situe à environ 1 μm au-dessus du substrat. (ii à vi) Images de fluorescence successives d'une particule de PS de 2,8 μm en rotation. Les encarts sont des illustrations schématiques des orientations du rotor avec deux nanoparticules fluorescentes comme marqueurs. Expérimentalement, deux nanoparticules de PS fluorescentes de 40 nm (de diamètre) ont été attachées au rotor par liaison streptavidine-biotine. Le point rouge sur le côté droit du rotor marque la position du faisceau laser d'entraînement. Barre d'échelle, 2 μm. (B) Intensité de fluorescence en fonction du temps mesurée à partir du rotor et de son environnement comme indiqué en (iii) de (A). La rotation hors du plan du rotor conduit à la fluctuation périodique de l'intensité de fluorescence. Les pics d'intensité apparaissent lorsque la rotation amène les deux nanoparticules fluorescentes dans le plan focal du microscope optique. a.u., unités arbitraires. Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abn8498
Les chercheurs ont illustré la configuration expérimentale et le mécanisme de fonctionnement d'OTER, où un faisceau laser a généré des forces optothermiques sur les particules. Ding et al ont adapté la force et le couple nets via la puissance laser et la distance des particules laser pour une rotation hors plan des micro et nano-objets. Ils ont ensuite dirigé le faisceau laser vers un substrat absorbant la lumière tel qu'un film d'or poreux pour établir un champ de température personnalisable en quelques microsecondes.
Afin de générer de manière optothermique les forces et le couple nécessaires à une rotation stable du rotor, Ding et al ont ajouté des molécules de polyéthylène glycol (PEG) et une solution saline tamponnée au phosphate dans l'eau et ont fonctionnalisé le substrat avec des monocouches d'alcanethiol à terminaison acide carboxylique. Lors de l'illumination laser, l'équipe a réalisé une élévation de température pour créer un champ thermoélectrique en présence d'ions pour entraîner la thermo-électrophorèse du rotor chargé. Ils ont exploré le gradient de charge de surface sur le substrat pour ensuite fournir une force électrocinétique optothermiquement accordable connue sous le nom de force thermoélectrique.
Analyse quantitative et modélisation d'OTER de rotors sphériques simples. (A) Amplitudes simulées de la force d'appauvrissement et de la force TE le long de l'axe x sur une particule PS de 2,8 μm en fonction de la distance PL dans une solution PEG/5 % PBS à 5 %. Comme indiqué par la ligne pointillée, un équilibre entre la force d'épuisement et la force TE (c'est-à-dire une force nette nulle) est atteint à une distance PL critique de 2,1 μm. Encart :illustration schématique de l'analyse de la force pour le rotor entraîné par la lumière dans le plan xz. Les cercles rouges et blancs représentent respectivement le spot laser et le rotor. (B) Couple simulé (MEK) agissant sur le rotor en fonction de la distance PL. Le couple à la distance critique PL (2,1 μm) est d'environ 1,6 pN.nm. Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abn8498
Caractériser et modéliser la rotation opto-thermoélectrique
Ding et al ont étudié le comportement de rotation des rotors entraînés par la lumière en utilisant la microscopie optique. Ils ont acquis un meilleur examen du comportement de rotation en marquant une microparticule de polystyrène avec deux nano-perles fluorescentes avec une liaison streptavidine-biotine pour la rotation hors plan de la particule entraînée par un laser. La rotation hors axe observée a protégé les rotors délicats, y compris les cellules vivantes, des dommages causés par l'éclairage optique à haute puissance. L'équipe a en outre intégré l'analyse par éléments finis, la dynamique moléculaire et les simulations dans le domaine temporel des différences finies pour analyser les forces de travail des rotors opto-thermoélectriques. Les scientifiques ont calculé les forces opto-thermiques et les couples agissant sur le rotor en fonction de la distance particule-laser et ont mené une série d'expériences et de simulations pour comprendre l'impact de la force électrocinétique, de la force d'épuisement et de la force thermoélectrique en ajustant la charge de surface du substrat et composants de la solution.
Applicabilité générale d'OTER à une variété de rotors de formes, de tailles et de matériaux divers. (A) Images de fluorescence successives d'une particule de PS rotative de 1 μm marquée par des nanoparticules fluorescentes pour la visualisation de la rotation. (B) Images optiques successives d'une particule rotative PS/Au Janus de 500 nm. (C) Images optiques successives en champ noir d'une particule rotative PS/Au Janus de 300 nm. (D) Intensité RVB en temps réel des images optiques en champ sombre de la particule Janus. Le rectangle de tiret blanc en (C) marque la zone sélectionnée à partir de laquelle l'intensité RVB est enregistrée. (E) Images optiques successives d'une cellule de levure en rotation. (F) Images optiques successives d'un B. subtilis en rotation. (G) Images optiques successives d'un dimère tournant composé de deux particules de silice de 2 μm. "ON" et "OFF" indiquent que le faisceau laser est respectivement activé et désactivé. (H) Images optiques successives d'un trimère rotatif composé de trois particules de PS de 1 μm. Les lignes en pointillés et les flèches noires représentent respectivement les axes et les directions de rotation. Barres d'échelle, 1 μm (A, B, E, F et H), 500 nm (C) et 2 μm (G). Solutions, 15 % PEG/5 % PBS (A à C, G et H) et 5 % PEG/5 % PBS (E et F). Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abn8498
Applications d'OTER
Ding et al ont montré l'impact d'OTER sur les cellules biologiques et les particules synthétiques de divers matériaux, tailles et formes. Ils ont montré la rotation de rotors à l'échelle nanométrique tels que des particules Janus en polystyrène-or en utilisant la microscopie optique à fond noir. La méthode OTER est également applicable aux cellules vivantes, y compris les souches vivantes de champignons, de bactéries et même de cellules humaines dans des milieux de culture cellulaire contenant des ions. De plus, la méthode est adaptée aux rotors avec des architectures complexes, y compris la rotation hors du plan des dimères, trimères et hexamères de particules. En utilisant la méthode, Ding et al envisagent une régulation précise du rotor et du faisceau laser pour réaliser un profilage 3D de cellules biologiques et de particules synthétiques de haute résolution.
Perspectives
De cette façon, Hongru Ding et ses collègues ont exploité la thermodiffusion d'ions et de molécules dans des solutions pour développer une charge thermosensible aux interfaces solide-liquide. La stratégie opto-thermoélectrique a permis la rotation d'objets micro- et nanométriques dans un environnement liquide avec des optiques simples et de faible puissance. Le procédé est supérieur aux techniques conventionnelles existantes avec une applicabilité universelle pour la détection d'images et les applications biomédicales. L'équipe s'attend à ce que l'approche optothermique joue un rôle important dans les études biologiques in vitro pour faire tourner les cellules et les particules synthétiques dans des biofluides natifs avec des ions et des biomolécules.
© 2022 Réseau Science X Micronageurs opto-thermoélectriques
