集積チップ上の光ピンセット

October, 30, 2024, Cambridge--米国の大学の研究者は、かさばるベンチトップのセットアップを必要とせずに、フォトニックチップ上の光ピンセットの作業を行う統合型「トラクタービーム」を開発した（Nat. Commun., doi:10.1038/s41467-024-52273-x)。
デバイスの心臓部にある光学式フェーズドアレイ(OPA)により、従来の小型ピンセットの実験よりもチップ表面から100倍以上離れた粒子を操作することができる。この機能により、科学者は無菌環境から細胞を取り除くことなく、または細胞が生体内に留まっている間でも細胞を移動させることができる。

かさばる機器、短いスタンドオフ距離
半世紀近くにわたり、粒子の光学的トラップは、科学者に個々のタンパク質鎖やその他の小さな物体を実際に触れることなく操作する機会を与えてきた。しかし、標準的な光ピンセットには、かさばる特殊なレーザやその他の機器が必要だった。

光トラップをフォトニックチップシステムに統合する以前の試みでは、共振器または導波路からのエバネッセントフィールドが使用されていたが、これらのチップが機能するためには、トラップからわずか数ミクロンしか離れていない必要があった。この制限は、少なくとも150µmの厚さの滅菌ガラスエンクロージャまたは細胞培養ウェルに干渉した。

統合されたOPAは、チップスケールで光を提供できる。しかし、マサチューセッツ工科大学(MIT)のJelena Notarosとチームが、集束ビームプロファイルを持つこのような統合フェーズドアレイを開発して初めて、OPAsは光トラッピングを実行するのに十分なほど密集できるようになった。

ポテンシャルを発揮
現在の研究では、Notarosとチームは、シリコンオンインシュレータウエファ上にパタン化された、アレイの約5mm上に密集した放射パターンを作成する双曲線位相分布を持つOPAを設計した。OPAは1500nmの中心波長で動作するが、微粒子や細胞を操縦するために、研究チームは入力波長を変化させてアレイの小さなアンテナの有効周期を変更し、放射の角度を変更した。

OPAチップの捕捉力を較正した後、チームは光ピンセットでポリスチレン微小球を動かす練習をした。最後に、Notarosとチームは、個々のマウス細胞を選択して伸ばし、レーザをオフにして細胞がどのように形状を回復するかの観察を実証した。マウス細胞を伸ばすには、0.6nmの波長変化が必要だった。

「この研究は、以前に実証されたよりもはるかに長い距離で細胞を捕捉およびピンセットすることを可能にすることにより、チップベースの光ピンセットの新たな可能性を開く。この技術によって実現できる様々なアプリケーションについて考えるのは、とてもエキサイティングだ」とNotarosは話している。