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Jan 20, 2024

Trapping ottico e controllo della fluorescenza con luce strutturata vettoriale

Scientific Reports volume 12,

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 17690 (2022) Citare questo articolo

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Qui abbiamo funzionalizzato perline polimeriche su scala micro con punti quantici su scala nanometrica e abbiamo dimostrato l'intrappolamento ottico e la pinzetta, con misurazione della fluorescenza in situ, in una configurazione completamente ottica completamente digitale. Descriviamo la chimica necessaria per facilitare questo, dalla disattivazione dell'ambiente di intrappolamento ottico al controllo delle dimensioni, dell'adesione e dell'agglomerazione. Introduciamo una nuova configurazione di intrappolamento ottico olografico che sfrutta la luce strutturata vettorialmente, consentendo la fornitura di forme di luce sintonizzabili da puramente scalari a puramente vettoriali, inclusi fasci a sommità piatta invarianti di propagazione per un'illuminazione uniforme e paesaggi con gradiente di intensità su misura. Infine, mostriamo come questo abbia il potenziale per attenuare lo sbiancamento in una trappola a singola lunghezza d'onda mediante effetti lineari (modalità spaziale) piuttosto che non lineari, facendo avanzare il campo nascente dell'ottica per la chimica.

L'intrappolamento ottico o la pinzetta descrive la manipolazione di particelle di dimensioni da nano a micro attraverso il trasferimento di quantità di moto da una luce strettamente focalizzata. La pinzatura ottica è stata dimostrata per la prima volta da Arthur Ashkin nel 1970 con un fascio gaussiano1 e mezzo secolo dopo questo raggio domina ancora gli esperimenti di intrappolamento ottico2. Tuttavia, l’impiego della luce strutturata3 (variando l’intensità, la fase e la polarizzazione della luce) nelle pinzette ottiche ha reso possibile non solo intrappolare ma anche muovere, ruotare e dirigere le particelle. Queste trappole di luce strutturate sono oggi una tecnica consolidata4,5 e poiché la maggior parte dei raggi strutturati vengono creati mediante un ologramma, sono stati soprannominati pinzette ottiche olografiche (HOT)6,7.

Con gli HOT, è possibile creare una serie di trappole per intrappolare più particelle contemporaneamente pur essendo in grado di modificare dinamicamente questo modello di serie, consentendo una manipolazione altamente controllata delle particelle8,9,10,11. I raggi strutturati che si ricostruiscono dopo essere stati distorti da una particella intrappolata (raggi di Bessel) hanno consentito l'intrappolamento su più piani12, mentre il raggio di Bessel a campo lontano può essere utilizzato come schermo ottico che aiuta nell'intrappolamento in ambienti affollati13. È stato dimostrato che i raggi luminosi strutturati non solo migliorano la resistenza della trappola14 ma i raggi Airy, ad esempio, possono guidare una particella lungo una determinata traiettoria consentendo la rimozione selettiva delle particelle in un campione15,16; con i raggi petalo è possibile intrappolare simultaneamente particelle con diversi indici di rifrazione17 e le onde congelate possono aumentare la stabilità e il controllo 3D della trappola18. Il fatto che la luce trasporta momento lineare è ben noto ed è il motivo per cui la luce può intrappolare le particelle, tuttavia, la luce può anche trasportare momento angolare orbitale (OAM), come i raggi Laguerre-Gaussiani (LG). Utilizzando questi raggi che trasportano OAM, le pinzette ottiche ottengono anche il controllo rotazionale delle particelle19,20,21,22.

Finora la ricerca HOT si è concentrata principalmente su fasci strutturati modulati in ampiezza e fase: questi sono chiamati fasci scalari. D'altra parte, i raggi vettoriali sono strutturati anche nella polarizzazione, il che significa che hanno un modello di polarizzazione spazialmente variabile. L'intrappolamento con raggi vettoriali è la via più recente della luce strutturata esplorata con le pinzette ottiche e si è già dimostrato vantaggioso per la comunità dell'intrappolamento4,5,23. Il fascio vettoriale polarizzato radialmente, ad esempio, è famoso per ottenere la dimensione dello spot più piccola quando strettamente focalizzato24,25; questa proprietà è stata utilizzata per creare trappole ottiche assiali più forti26,27. Il primo HOT vettoriale è stato dimostrato da Bhebhe et al.28, che ha consentito l'intrappolamento ottico con una matrice dinamica di raggi vettoriali e/o scalari.

L'uso della luce strutturata nelle pinzette ottiche ne ha fatto una tecnica potente, inoltre, la combinazione di questo strumento con la spettroscopia di fluorescenza ha reso possibile non solo esercitare forze su una particella ma anche osservare i cambiamenti chimici e strutturali delle molecole all'interno della trappola. Per questo motivo, le pinzette ottiche combinate con la fluorescenza di singole molecole rappresentano uno strumento inestimabile e pionieristico nella ricerca biologica odierna29,30,31. L'integrazione della microscopia a fluorescenza nelle pinzette ottiche non è tuttavia banale, poiché la luce che intrappola ha un'intensità fino a sei ordini di grandezza superiore a quella della luce di eccitazione utilizzata negli esperimenti di fluorescenza32. La luce intrappolante ad alta intensità provoca il fotosbiancamento dei fluorofori, che è un processo irreversibile per cui i fluorofori diventano non fluorescenti33. Anche se non del tutto compreso, il fotosbiancamento di solito si verifica quando gli elettroni già eccitati continuano ad assorbire fotoni e la dissociazione risultante porta quindi alla perdita permanente del segnale di fluorescenza34. La soluzione più diffusa per ridurre al minimo il fotosbiancamento nelle pinzette ottiche consiste nell'utilizzare due sorgenti diverse: un laser ad alta intensità non risonante per l'intrappolamento e una sorgente risonante a intensità inferiore per l'eccitazione34,35. Queste due fonti sono quindi separate nello spazio36,37,38 o nel tempo39,40. Pochissime ricerche hanno studiato la possibilità di utilizzare la luce strutturata per facilitare l'integrazione della spettroscopia di fluorescenza nelle pinzette ottiche, e nessuna fino ad oggi sfrutta la natura vettoriale della luce strutturata, i gruppi hanno studiato solo l'utilizzo di un raggio intrappolante a vortice o "ciambella" per ridurre il fotosbiancamento41, 42,43. Recentemente, Zhang e Milstein hanno dimostrato che la durata del fotosbiancamento di un colorante organico posizionato 1 \(\upmu \text{m}\) sotto il centro della trappola può essere estesa intrappolando con un raggio a vortice, pur utilizzando fonti di intrappolamento ed eccitazione separate43.