Kutatás - Biofizika Intézet - Bionanotudomány Kutatóegység - Optikai Mikromanipuláció Kutatócsoport

SZABÓ István
technikus

picture

OPTIKAI MIKROMANIPULÁCIÓ

Kutatócsoportunkban az optikai mikromanipuláció folyadékokon és mikroméretű szerkezeteken alkalmazható módszereit és felhasználási lehetőségeit vizsgáljuk. Legintenzívebben a holografikus optikai csipesz (Holographic Optical Trap: HOT) nyújtotta lehetőségeket kutatjuk, ezen kívül pedig a mikrofluidikai csatornákban indukált áramlás fénnyel történő szabályozását. A HOT módszerével egyaránt lehet fizikai, biológiai és mikrofluidika problémákat eredményesen tanulmányozni. Ezekhez a kutatásokhoz mi komplex, mesterséges mikroszerkezeteket használunk. Egyaránt alkalmazzuk ezeket önmagukban, de úgy is, mint közvetítő test a csapda és a vizsgált objektum között. A mikroszerkezeteket az ultragyors lézeres megvilágításon alapuló kétfotonos polimerizáció (Two-Photon Polymerization: TPP) módszerével állítjuk elő; a szerkezetek mikrométer nagyságúak és mikrométer alatti részletekkel bírnak. A térbeli fázismodulátoron (Spatial Light Modulator: SLM) alapuló HOT rendszer a mikroszerkezetek 6 szabadsági fokú mozgatására ad lehetőséget, mivel abban több csapdázó, a tér bármely irányába mozgatható fókuszpont állítható elő egyszerre, melyekkel a kiterjedt szerkezetek más-más része ragadható meg. A mikroszerkezetek alkalmazhatóságát nagymértékben kiszélesítheti azok felületének feladat-specifikus funkcionalizálása például egyszerű funkciós csoportokkal, fehérjékkel, antitestekkel, vagy éppen nanorészecskékkel.



Bal: Folyadékban úszó, csapdázás hatására forgó mikrorotor modellje és fénymikroszkópos képe, Galajda and Ormos, 2001 Jobb:Felületre polimerizált mikromotor és a hozzá integrált fényvezető szál, Kelemen et al. 2006


A TPP módszerének hatékonyságát nagymértékben meg tudjuk növelni az SLM használatával, mivel az általa egyidejűleg létrehozott több fókuszponttal tudunk egyszerre számos azonos szerkezetet polimerizálni, vagy egyetlen kiterjedtebb testet több, koordináltan működő nyalábbal.


Alkalmazások

Több kísérletben igazoltuk, hogy a fény impulzusa mikroméretekben kontrollált módon alakítható át mechanikai mozgássá speciálisan tervezett mikroszerkezetek segítségével. Egyrészt, folyadékben szabadon úszó, helikális testeket ragadtunk meg és bírtunk forgásra szabályozott szögsebességgel optikai csipesszel [Galajda and Ormos 2001]. Ezzel a rendszerrel kb. 2*10-17 Nm forgatónyomatékot lehet kifejteni. Ezt követően egy integrált mikromotor rendszert készítettünk, amely egy felületre szerelt tengelyen forgó, 10 µm átmérőjű rotorból, és egy ugyanarra a felületre polimerizált fényvezető szálból állt [Kelemen et al. 2006]. Miután fényt csatoltunk be a szál egyik végébe, az a másik végén kilépve megvilágította a rotort és kb. 120 RPM sebességgel forgásra bírta; a rendszerrel kb. 6*10-18 Nm nagyságú forgatónyomaték érhető el.



A mikromanipulátor sematikus rajza a térben elválasztott próba és fogantyú részekkel.



Bal: Mobil fényvezető szál pásztázó elektronmikroszkópos képe. Palima et al. 2012 Jobb: Mobil fényvezetővel szelektíven gerjesztett fluoreszcens mikrogyöngyök hagyományos fény- (felső) és fluoreszcencia (alsó) mikroszkópos képe. Palima et al. 2012


Az optikai csipesszel mozgatott mikroszerkezetek egyik általunk kutatott felhasználása az egyedi sejtek vizsgálata. Ehhez olyan eszközöket fejlesztünk, melyekkel a HOT nyújtotta bonyolult mozgatásokat ki lehet használni. Az eszökök alapvetően két, akár több mikrométer távolságba tervezett részből állnak: az egyik a csapdázó fénnyel hat kölcsön („fogantyú”), a másik pedig a vizsgálni kívánt objektummal („próba”). Ezt a koncepciót egy mobil mikro-fényvezetővel demosntráltuk, melynek egyik végébe floureszcens gerjesztő fényt csatolva és a másik végét tetszőleges helyre irányítva a kilépő fénnyel lokálisan, célzottan gerjesztetünk fluoreszcenciát. Az eszközt optikai csipesz segítségével mozgattuk 3D-ban pontosan a kísérletben használt fluoreszcens mikrogyöngyökhöz. Célunk, hogy a kísérletet fluoreszcensen jelölt felületű sejteken is elvégezzük, és lokálisan gerjesszünk fluoreszcenciát más módszerekkel el nem érhető irányokból. [Palima et al. 2012]



Bal: A hidrodinamikai szinkronizáció tanulmányozásához használt csapdázott mikrorotorok fénymikroszkópos képe a pillanatnyi fázisokkal.
Jobb: Rotorok fáziskülönbségének változása, amelyből a szinkronizált állapotok gyakorisága megállapítható. Di Leonardo et al. 2012


A biológiában, például a flagellák mozgása esetében többféle módszerrel tanulmányozott hidrodinamikai kölcsönhatások szintén jól vizsgálhatók a mikrométeres mérettartományban a polimerizált szerkezetekkel. A hidrodinamikai csatolás mikroszkópikus modelljét készítettük el két, ellentétes irányú helicitással rendelkező mikrorotor segítségével, melyeket csapdázva azok forogni kezdenek. A csatolás a két egymáshoz közelített rotor között abban nyilvánul meg, hogy a forgásuk közti fáziskülönbség időszakosan konstans értéket vesz fel a kis sebességkülönbségek esetében. [Di Leonardo et al. 2012]



Bal: Polimerizált mikromanipulátor pásztázó elektronmikroszkópos képe Jobb: Polimerizált mikroszerkezet 80nm-es arany nanorészecskékkel bevont hegyének pásztázó elektronmikroszkópos képe.


Az SU8 fotopolimerből készült mikroszerkezetek felületét biológiai objektumokkal való kölcsönhatás eléréséhez sok esetben funkcionalizálni kell. Ehhez standard felületbevonási módszereket adaptálunk és így vonjuk be a szerkezeteket egyszerű funkciós csoportokkal, makromolekulákkel, fehérjékkel vagy fém nanorészecskékkel. Például a streptavidin fehérjével való bevonással [Aekbote et al. 2012] tehetjük az eszközöket alkalmassá egyedi sejteken végzendő vizsgálatokra. A sejteknek a mikroeszközökkel való indirekt csapdázásával elérhető azok 6 szabadsági fokú mozgatása anélkül, hogy a csapdázó nyaláb nagy intenzitása károsítaná a sejtet, vagy az optikailag inhomogén sejt torzítaná a csapdázó nyalábot. A módszerrel jelentősen megjosszabbítható az élő egyedi sejtekkel optikai csipesszel végzett kísérletek időtartama.



Bal: Mikrofluidikai áramlási mintázat változtatásához beállított kísérlet vázlata. Az áramlást elektroozmózissal állítottuk elő. A fotokonduktív CdS réteg 200 nm vastag, amit 100 μm széles csíkban távolítottuk el. Jobb: A folyadék áramlásának irányát mutató kiértékelt kép. Felső panel: nem megvilágított mintában egyirányú az áramlás. Alsó panel: a CdS réteg megvilágítása helyileg nagymértékben megváltoztatja az áramlás irányát. Oroszi et al. 2009


Az előzőeken kívül csoportunk a fénnyel való manipulációt nem csak lokálisan, hanem a néhány száz mikrométer tartományban is kihasználja mégpedig mikrocsatornákban áramló folyadék áramlási képének befolyásolására. Az áramlást elektroozmózissal indukáltuk egy olyan átlátszó mikrocsatornában, melynek az alsó falát előzőleg fotokonduktív réteggel vontuk be. A csatorna fényérzékeny felületének vezetőképessége megvilágítás hatására megnőtt, minek eredményeképpen helyileg megváltozott az áramlást létrehozó elektromos tér iránya. Ez az áramlás irányának megváltozását vonta maga után, vagyis a fény ki-be kapcsolásával az eredetileg egyirányú áramlást egy komplex áramlási térré alakítottuk. Elágazásos csatorna esetében a megvilágítással el tudtuk érni, hogy csak az egyik ágban áramoljon a folyadék. Vagyis a módszerrel megvalósítható a fényindukált folyadékkeverés és irányítás is [Oroszi et al. 2009].


További célkitűzések

Fém nanorészecskékkel bevont, optikailag csapdázott mikroszerkezetek segítségével megkísérlünk fém-erősített fluoreszcencia és Raman méréseket végezni lokálisan, egyedi sejtek szintjén. Ez a feladat egyrészt az optikai csipesz rendszerünk nagyfokú fejlesztését kívánja meg (spektrográf, kamera), másrészt pedig a mikroszerkezetek próba részének szelektív bevonását a nanorészecskékkel.

Tervezzük továbbá egyedi sejtek felületének mechanikai feltérképezését is. A módszer egyik előnye, hogy a fN erőtartományban is képes erőket mérni, ellentétben az AFM rendszerekkel, ahol a pN a tipikus érték. Másrészt a csapdázott mikrogyöngyökkel ellentétben a csapdázó nyaláb és a vizsgálni kívánt objektum több mikrométer távolságban is lehetnek egymástól, amivel elérhető, hogy a csapdázó nyaláb nagy intenzitása ne károsítsa a sejtet, és hogy az optikailag inhomogén sejt ne torzítsa a csapdázó nyalábot.

Válogatott közlemények

Galajda P, Ormos P Complex micromachines produced and driven by light. Appl. Phys. Lett. 78:249-251. (2001)

Kelemen L., S. Valkai and P. Ormos. Integrated optical motor, Applied Optics, 45:2777-2780, (2006)

Oroszi L, Der A, Kirei H, Rakovics V, Ormos P Manipulation of microfluidic flow pattern by optically controlled electroosmosis. Microfluid. Nanofluid. 6:565-569. (2009)

Rodrigo P. J., L. Kelemen, D. Palima, C.A. Alonzo, P. Ormos, J. Glükstad, Optical microassembly platform for constructing reconfigurable microenvironments for biomedical studies, Opt. Expr. 17:6578-6583, (2009)

Palima D., A. R. Bañas, G. Vizsnyiczai, L. Kelemen, P. Ormos, and J. Glückstad, Wave-guided optical waveguides, Opt. Expr., 20: 2004-2014 (2012)

Aekbote B. L., J. Jacak, G. J. Schütz, E. Csányi, Zs. Szegletes, P. Ormos, L. Kelemen, Aminosilane-based functionalization of two-photon polymerized 3D SU-8 microstructures, Eur. Polym. J. 48:1745–1754 (2012), DOI:10.1016/j.eurpolymj.2012.06.011

Di Leonardo R., A. Buzas, L. Kelemen, G. Vizsnyiczai, L. Oroszi, P. Ormos, Hydrodynamic synchronization of light driven microrotors, Phys. Rev. Lett. 109:034104 - 034108 (2012), DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.034104