دستکاری نوری: پیشرفت های بیوفوتونیک در قرن بیست و یکم

 پیشرفت های بیوفوتونیک در قرن بیست و یکم

خلاصه

اهمیت: به دام انداختن نوری تکنیکی است که قادر به اعمال نیروهای جزئی است که برای مطالعاتی که مولکول های منفرد تا میکروارگانیسم ها را در بر می گیرد، اعمال شده است. هدف: هدف این دیدگاه برجسته کردن برخی از پیشرفت‌های اصلی در دهه گذشته در این زمینه است که برای مخاطبان زیست پزشکی مناسب است. رویکرد: ابتدا، تعیین مستقیم نیروها در موچین های نوری و ترکیب تله های نوری و صوتی، که امکان مطالعات در مقیاس های طولی مختلف را فراهم می کند، مورد بحث قرار می گیرد. سپس، مروری بر پیشرفت انجام شده در به دام انداختن مستقیم مولکول‌های تک مولکولی و حتی تک ویروسی و سلول‌های منفرد با نیروهای نوری تشریح می‌شود. در نهایت، جهت‌های آتی برای این روش در بیوفوتونیک مورد بحث قرار می‌گیرد. نتایج: در قرن بیست و یکم، دستکاری نوری قابلیت‌های منحصربه‌فرد خود را گسترش داده است و نه تنها امکان مطالعه دقیق‌تر مولکول‌ها و سلول‌های منفرد را فراهم می‌آورد، بلکه سیستم‌های زنده پیچیده‌تری را نیز ممکن می‌سازد، و بینش بیشتری در مورد فعالیت‌های بیولوژیکی مهم به ما می‌دهد. نتیجه‌گیری: نیروهای نوری نقش بزرگی در چشم‌انداز زیست‌پزشکی ایفا کرده‌اند که منجر به پیشرفت‌های بیولوژیکی جدید استثنایی می‌شود. پیشرفت های مستمر در دنیای تله گذاری نوری مطمئناً منجر به بهره برداری بیشتر از جمله آزمایش های هیجان انگیز in-vivo خواهد شد.

1. معرفی

نیمی از جایزه نوبل فیزیک در سال 2018 به آرتور اشکین برای اختراع پیشگامانه موچین های نوری تعلق گرفت. این کمیته به ویژه تأثیر موچین های نوری (و به طور کلی نیروهای نوری) بر زیست شناسی را تشخیص داد. اولین نمایش اشکین از نیروهای نوری در سال 1970 ارائه شد.1 در آن مطالعه، ذرات بی اثر توسط دو پرتو نوری متضاد با تمرکز ملایم، تله دو پرتو متقابل نگه داشته شدند. پیشرفت عمده 16 سال بعد و با ظهور موچین های نوری رخ داد.2 در این تجسم، یک پرتو لیزر متمرکز محکم نیروی کافی برای نگه داشتن یک ذره میکروسکوپی بسیار نزدیک به نقطه کانونی میدان لیزر اعمال می کند.

نیروهای نوری برای دستکاری اجسام از اندازه یک اتم منفرد تا یک سلول یا جنین بزرگ تأثیر زیادی گذاشته اند. وسعت کاربردها قابل توجه است. از دیدگاه فیزیک، به دام انداختن نوری بر درک ما از ماهیت تکانه خطی و زاویه ای نور تأثیر گذاشته است، که برای مطالعات مختلف در میکروسیالات استفاده شده است، به ما امکان می دهد ترمودینامیک غیرتعادلی را کشف کنیم و همچنین در زمینه اپتومکانیک معلق کمک کنیم. هدف از این کار درک عمیق تر از گذار بین فیزیک کلاسیک و کوانتومی و همچنین توسعه حسگرهای با دقت بالا است.

نور چگونه می تواند نیرو وارد کند؟ نور دارای تکانه است و انتشار نور بین رسانه های مختلف منجر به تغییر در انتشار آن می شود که انتقال تکانه است و بنابراین منجر به نیرو می شود. این برهمکنش ممکن است بسته به اندازه جسم در مقابل طول موج به دام انداختن مورد استفاده، به روش‌های مختلفی توصیف شود. نیروهای نوری مورد استفاده برای محدود کردن ذرات مورد نظر که بسیار بزرگتر از طول موج نور هستند (رژیم Mie) را می توان در این تصویر پرتو نوری در نظر گرفت، در حالی که ذرات بسیار کوچکتر از طول موج به دام انداختن (رژیم ریلی) به عنوان مدل سازی می شوند. دوقطبی های الکتریکی مجزا که به دلیل برهم کنش بین این دوقطبی و میدان الکتریکی نوسانی نور به شدت های زیاد یا کم کشیده می شوند. مزیت تله های نوری نه تنها در اعمال نیرو بلکه در این واقعیت است که را می توان به راحتی اندازه گیری کرد. موچین نوری قابل کالیبره شدن است و به عنوان فنر هوک عمل می کند. در نتیجه نیرو نسبت مستقیمی با جابجایی دارد.

در این دیدگاه، هدف ما پوشش تمام پیشرفت‌ها در به دام انداختن نیست، بلکه برخی از پیشرفت‌های کلیدی این قرن را با تاکید بر 10 سال گذشته، با تمرکز بر موارد مهم برای بیوفتونیک مورد بحث قرار می‌دهیم. این دوره شاهد تثبیت و گسترش قابلیت های موچین های نوری تا حد زیادی بوده است. به ویژه، آنها مطالعه سیستم‌های زنده پیچیده‌تر را ممکن کرده‌اند و درک ما را از فرآیندهای بیولوژیکی اساسی عمیق‌تر کرده‌اند. در ثانیه 2، ما بحث خواهیم کرد که چگونه تعیین مستقیم نیروها در موچین های نوری بر روی اجسام با شکل دلخواه، و در تله های متعدد به طور همزمان، به عنوان یک موضوع مهم ظاهر شده است. سپس به بحث در مورد چندوجهی می‌پردازیم: تله‌ها به طور سنتی با سایر تکنیک‌های نوری ترکیب می‌شوند. به عنوان پیشرفت اخیر، ما استفاده یکپارچه اخیر از تله‌های نوری و صوتی را شرح خواهیم داد که مزایایی از جمله مطالعات در مقیاس‌های طولی مختلف را ارائه می‌دهد. سپس پیشرفت های انجام شده برای محصور شدن در مقیاس بسیار کوچک، در به دام انداختن مستقیم تک مولکول ها و حتی تک ویروس ها با نیروهای نوری را برجسته می کنیم (بخش 3). در ثانیه 4، ما جزئیات استفاده از موچین های نوری را برای به دام انداختن سلول های منفرد با تمرکز بر امکان دستکاری آنها در داخل بدن، از جمله در حیوانات زنده، توضیح می دهیم. در نهایت، ما با پیشنهاد جهت‌های احتمالی آینده برای استفاده از تله‌گذاری نوری در بیوفوتونیک نتیجه‌گیری می‌کنیم.