Los investigadores del MIT han desarrollado un pequeño “rayo tractor” basado en un chip, similar al Halcón Milenario capturado en la película “Star Wars”, que algún día podría ayudar a los biólogos y médicos a estudiar el ADN, las células y las células. investigar los mecanismos de la enfermedad.
Lo suficientemente pequeño como para caber en la palma de la mano, el dispositivo utiliza un haz de luz emitido por un chip fotónico de silicio para manipular partículas a milímetros de la superficie del chip. La luz puede penetrar los cubreobjetos de vidrio que protegen las muestras utilizadas en experimentos biológicos, permitiendo que las células vivan en un ambiente estéril.
Las pinzas ópticas tradicionales, que atrapan y manipulan partículas utilizando luz, generalmente requieren configuraciones de microscopio grandes, pero las pinzas ópticas basadas en chips son más compactas para la manipulación óptica en experimentos biológicos y pueden ofrecer soluciones de alto rendimiento, ampliamente accesibles y de fabricación en masa.
Sin embargo, otras pinzas ópticas integradas similares solo pueden capturar y manipular células que están muy cerca o directamente sobre la superficie del chip. Esto contamina el chip y puede estresar las células, limitando la compatibilidad con los experimentos biológicos estándar.
Utilizando un sistema llamado conjunto óptico integrado en fase, los investigadores del MIT han desarrollado un nuevo diseño para una pinza óptica integrada que permite atrapar y pinzar células cientos de veces más lejos de la superficie de un chip.
“Este trabajo abre nuevas posibilidades para pinzas ópticas basadas en chips que pueden atrapar células a distancias mayores que antes”, dice Jelena Notaros, profesora de desarrollo profesional Robert J. Shillman en Ingeniería Eléctrica e Informática (EECS, por sus siglas en inglés) y miembro de la EECS. el Laboratorio de Investigación en Electrónica.
Junto a Notaros en el artículo se encuentran el autor principal y estudiante graduado de EECS, Tal Sneh; Sabrina Corsetti, estudiante de posgrado de EECS; Malika Notaros PhD ’23; Krutika Kakkari PhD ’24; y William R. Brody, profesor Joel Wildman de EECS. La investigación muestra hoy Comunicaciones de la naturaleza.
Un nuevo método de captura
Las trampas ópticas y las pinzas utilizan un haz de luz enfocado para capturar y manipular partículas pequeñas. Las fuerzas ejercidas por el haz atraerán las micropartículas hacia la luz altamente enfocada en el centro, capturándolas. Al dirigir un haz de luz, los investigadores pueden arrastrar micropartículas a lo largo de él, lo que les permite manipular objetos diminutos utilizando fuerzas sin contacto.
Sin embargo, las pinzas ópticas tradicionalmente requieren una gran configuración de microscopio en el laboratorio, así como múltiples instrumentos para dar forma y controlar la luz, lo que limita dónde y cómo se pueden utilizar.
“Con la fotónica de silicio, podemos tomar este gran sistema, típicamente a escala de laboratorio, e integrarlo en un chip. Ofrece una gran solución para los biólogos, porque les permite realizar capturas y pinzas ópticas. configuración óptica”, dice Notaros.
Pero hasta ahora, las pinzas ópticas basadas en chips sólo eran capaces de emitir luz muy cerca de la superficie del chip, por lo que estos dispositivos anteriores podían capturar partículas a sólo unas pocas micras de la superficie del chip. Las muestras biológicas generalmente se almacenan en un ambiente estéril utilizando cubreobjetos de vidrio de aproximadamente 150 micrones de espesor, por lo que la única forma de unirlas a un chip de este tipo es raspar las células de la superficie.
Sin embargo, esto conduce a una contaminación del chip. Cada vez que se realiza un nuevo experimento, se debe desechar el chip y colocar las células en un chip nuevo.
Para superar estos desafíos, los investigadores del MIT desarrollaron un chip fotónico de silicio que emite un haz de luz que se enfoca a unos 5 milímetros por encima de su superficie. Por lo tanto, pueden capturar y manipular partículas biológicas que permanecen dentro del cubreobjetos estéril, protegiendo tanto el chip como las partículas de la contaminación.
Manipular la luz
Los investigadores logran esto utilizando un sistema llamado matriz óptica en fase integrada. La tecnología implica una serie de antenas a microescala fabricadas en un chip mediante un proceso de fabricación de semiconductores. Al controlar electrónicamente la señal óptica emitida por cada antena, los investigadores pueden dar forma y dirigir el haz de luz emitido por el chip.
Motivados por aplicaciones de largo alcance como lidar, los primeros conjuntos ópticos en fase integrados no fueron diseñados para producir los haces estrechamente enfocados necesarios para la pinza óptica. El equipo del MIT descubrió que, al crear patrones de fase específicos para cada antena, podían crear un haz de luz intensamente enfocado, que podría usarse para captura óptica y pinzas a milímetros de la superficie de un chip.
“Nunca antes nadie había construido pinzas ópticas basadas en fotónica de silicio capaces de atrapar micropartículas a una distancia de un milímetro”, afirma Notaros.
Al variar la longitud de onda de la señal óptica que alimenta el chip, los investigadores pueden dirigir el haz enfocado a más de un milímetro y con precisión a microescala.
Para probar su dispositivo, los investigadores intentaron sostener y manipular pequeñas esferas de poliestireno. Una vez que lo lograron, pasaron a atrapar y provocar células cancerosas proporcionadas por el grupo de Voldman.
“Surgieron muchos desafíos únicos en el proceso de aplicación de la fotónica del silicio a la biofísica”, añade Sania.
Los investigadores tuvieron que determinar cómo rastrear de forma semiautomática el movimiento de las partículas de la muestra, encontrar la fuerza de captura adecuada para mantener las partículas en su lugar y realizar un posprocesamiento efectivo de los datos, por ejemplo.
Finalmente, pudieron mostrar los primeros experimentos celulares con pinzas ópticas de un solo haz.
A partir de estos hallazgos, el equipo espera mejorar el sistema para permitir una altura focal ajustable para el haz de luz. También quieren aplicar el dispositivo a diferentes sistemas biológicos y utilizar múltiples sitios de trampa a la vez para manipular partículas biológicas de formas más complejas.
Esta investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), una beca Frederick and Barbara Cronin del MIT y una beca dotada Rolf G. Locher del MIT.
