光トラップの進展:多粒子研究のための新しいシステム
新しい光トラップシステムで、複数の粒子を同時に捕まえられるようになったよ。
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目次
科学や工学で、小さな物体をコントロールしたり操作したりする能力はめっちゃ重要なんだよね。このための一つの方法が光トラップっていう技術で、光を使ってこれらの小さい粒子をつかんだり保持したりするんだ。従来の光トラップは一度に一つの粒子しかつかめないから、複数の粒子がどう相互作用するかを研究するのは難しいんだ。研究者たちは今、一度に複数の物体を捕まえられる新しいシステムを見てるところなんだ。
光トラップって何?
光トラップは、 focused beamの光を使って小さな物体、例えばビーズや細胞を保持する力を作り出すんだ。最初の光トラップは1970年に発明されたんだ。それ以来、科学のいろんなことを研究するために使われてきたんだよ。従来の光トラップは一つの粒子をつかむのは得意だけど、複数の粒子が一緒にどう機能するかを観察することはできないんだ。
新しい2D光トラップシステム
古いシステムの制限を克服するために、新しい種類の光トラップが作られたよ。この新しいシステムは2Dライツシート光トラップ(2D-LOT)って呼ばれてるんだ。従来の光トラップが一つの光点を形成するのに対して、2D-LOTは光のシートを作り出して、一度にたくさんの小さい粒子を一つの平面の中で捕まえることができるんだ。これにより、科学者たちはこれらの粒子が互いにどう相互作用するかを観察できるんだ。
2D-LOTはどうやって動くの?
2D-LOTは、特定の方法で光を照らすレーザーを使って薄い光のシートを作るんだ。このシートを使って小さな物体、例えば小さなビーズや細胞を一つの層に捕まえるんだ。デザインにはいくつかの部分が含まれてるよ:
- 捕獲システム:ここにはレーザーとレンズがあって光のシートを作る。
- サンプルホルダー:ここに研究する物質や物体が置かれるんだ。
- 照明システム:捕まえた物体をはっきり見えるようにするための追加の光を提供する部分。
- 検出システム:捕まえた物体の画像をキャッチして、研究できるようにするんだ。
捕まえた物体はどうやって研究されるの?
物体が光のシートの道に置かれると、光からの力がその物体をシートの中に引き込むんだ。これで研究者たちはそれを観察できるんだよ。例えば、科学者たちが小さなビーズがどう動くかや細胞がどう相互作用するかを見たいとき、リアルタイムで観察できるんだ。このプロセスを記録することで、様々な環境での挙動を分析できるんだ。
2D-LOTシステムのテスト
新しいシステムがうまく機能するか確認するために、研究者たちはテストを行うんだ。まず小さなシリカビーズ(直径約2ミクロン)を液体に入れるんだ。光のシートがオンになると、ビーズが光の中で捕まるんだ。徐々に多くのビーズが光のシートの中で浮かんでいて、単一の層を形成するのが見えるよ。このプロセスは記録され、じっくり観察されるんだ。
研究者たちは生きた細胞、特にNIH3T3というマウス細胞のタイプでもシステムをテストしたよ。研究者たちは、大きい細胞が小さいビーズと比較して捕まるのに時間がかかることを発見したんだ。細胞の方が大きいけど、同じように保持されてるのが確認できて、このシステムが色んな物体を扱えることを示してるんだ。
2D-LOTシステムの重要性
二次元光トラップの誕生は、研究に新しい機会を開くんだ。科学者たちは、制御された環境で粒子のグループがどう相互作用するかを研究できるようになったんだ。このシステムは、物体に物理的に触れることなく操作できることを可能にするんだ。
生物学では、この能力が特に重要。研究者たちは細胞を層に配置できて、組織がどう形成されて機能するかを理解するのに役立つかもしれないんだ。これが医療研究や治療法の突破口につながる可能性があるよ。
2D光トラップの未来
この技術が進化することで、いろんな分野でエキサイティングな応用が期待できるんだ。物理学では、粒子の相互作用をよりよく理解することで材料科学が進歩するかもしれないし、医学でも細胞を正確に操作することで病気や薬の開発の研究に役立つんだ。
一度に複数の粒子を制御された方法で研究できる能力は、従来の方法では不可能だった発見につながるかもしれないんだ。科学者たちは2D-LOTシステムが提供するすべての可能性を探り続けていて、生命や物質の最小単位を研究する方法を改善する方法を模索してるんだ。
結論
2Dライツシート光トラップシステムの導入は、小さな粒子の研究において大きな前進を意味するんだ。一つの平面で複数の物体を捕まえる能力は、研究に新しい扉を開くんだ。物理学でも生物学でも、この方法が進歩や理解を深めるかもしれないね。研究者たちがこの技術をテストし続け、改良していく中で、科学や工学の多くの分野でその影響を見ることができるようになるかもしれないんだ。
2D-LOTシステムは、既存の方法を単に改善しただけじゃなくて、科学者たちが以前はできなかった方法で粒子の相互作用を探求し理解するのを助ける新しいツールなんだ。発見の旅は続くし、可能性は広がってるんだ。
タイトル: Planar Optical Tweezer Trap (2D-LOT) System Realized by Light Sheet Illumination & Orthogonal Widefield Detection
概要: We report the realization of the first planar optical tweezer trap system by a sheet of light. To visualize the trapping of the target object (dielectric bead or live cell) in a plane, an orthogonal widefield detection is employed. The planar / two-dimensional lightsheet optical tweezer (2D-LOT) sub-system is realized in an inverted microscopy mode with illumination from the bottom. A 1064 nm laser (power [~] 500mW) is expanded and directed to a combination of cylindrical lens and high NA objective lens to generate a tightly-focused diffraction-limited light sheet. The object to be trapped is injected in the specimen chamber (consists of two coverslips placed at a distance of {approx} 1 mm) using a syringe. The solution containing the objects stayed in the chamber due to the surface tension of the fluid. The illumination of trap-laser light is along Z-direction (with coverslip along XZ-plane) whereas, the detection is achieved perpendicular to the coverslip (along Y-axis). The orthogonal detection is employed to directly visualize the trapping in a plane. To better visualize the specimen, a separate white light illumination sub-system is used. The characterization of system PSF estimates the size of light sheet trap PSF to be, 2073.84 {micro}m2 which defines the active trap region / area. Beads are tracked on their way to the trap region for determining the trap stiffness along Z and X i.e, kz = 1.13 {+/-} 0.034 pN/{micro}m and kx = 0.74 {+/-} 0.021 pN/{micro}m. Results (image and video) show real-time trapping of dielectric beads in the trap zone (2D plane) generated by the light sheet. The beads can be seen getting trapped from all directions in the XZ-plane. Prolonged exposure to the light sheet builds up a 2D array of beads in the trap zone. Similar experiments on live NIH3T3 cells show cells trapped in the 2D trap. The potential of the planar trap lies in its ability to confine objects in two dimensions, thereby opening new kinds of experiments in biophysics, atomic physics, and optical physics. Statement of SignificanceThe ability to trap and confine objects in two dimensions / a plane is an incredible feat that paves the way for new experiments in physical and biological sciences. Currently, no technique can achieve two-dimensional trapping of objects. Such a trap is realized by a sheet of light generating a near-rectangular potential trap-zone, enabling tweezing confined to a plane. This is unlike existing point-focus-based tweezers that are capable of point-potential well. The technique is expected to have widespread applications in science and engineering.
著者: Partha Pratim Mondal, N. Baro
最終更新: 2024-04-17 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.04.15.589441
ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.04.15.589441.full.pdf
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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