Электропастух для наночастиц. Исследователи разработали приставку-манипулятор для изучения одиночных частиц

Ученые ИТМО «прокачали» стандартный микроскоп для изучения одиночных частиц. Это поможет в скрининге биологических клеток для выявления болезней на ранней стадии и создании новых материалов в наноинжениринге.

Обычно анализ одиночных наночастиц в лабораториях требует специального дорогого оборудования и большого количества времени, но новая приставка-манипулятор ученых ИТМО решает эти проблемы. Она подходит для любого микроскопа, не требует глубоких знаний в оптике и проста в использовании. За несколько минут устройство отбирает из массы наночастиц нужный объект и фиксирует его под объективом микроскопа в строго определенной точке. Разработка пригодится в скрининге биологических клеток для выявления болезней на ранней стадии, создании новых материалов в наноинжениринге и изучении уникальных свойств частиц в областях фундаментальной физики.

Сегодня многие передовые научные открытия связаны с наночастицами. Например, они помогают определять примеси в газах и жидкостях и очищать лекарственные препараты, а также подходят для биовизуализации опухолей и их лечения за счет фототерапии. Чтобы в перспективе появлялись новые наночастицы с уникальными свойствами, важно изучать их характеристики и взаимодействие с окружающей средой.

Если взять килограмм и полкило золота, в нашем привычном бытовом мире они отличаются только размером и массой, их удельные свойства одинаковы. В наномире все по-другому — свойства наночастиц золота определяются не только химическим составом, но и размером и формой. От последних зависят характеристики всех наночастичек, а значит и их эффективность в разных применениях — от лечения рака и солнечных батарей до квантовых вычислений. Поэтому важно знать, как создавать наночастицы нужной формы и размера и как проверять, действительно ли разработали то, что нужно.

• Дмитрий Щербинин, один из авторов исследования, старший научный сотрудник лаборатории нелинейной оптики конденсированных сред международного научно-образовательного центра физики наноструктур ИТМО

Разные виды микроскопов и спектрофотометров позволяют исследовать физические (размер, форма и заряд) и оптические (спектры испускания, поглощения и рассеяния) свойства только ансамблей — огромного количества частиц за раз. Но что делать, если нужно исследовать одиночный объект? Например, ученые изготавливают образцы, где частицы расположены далеко друг от друга, потом на электронном микроскопе находят одиночные объекты и смотрят их размеры и формы. Затем исследователи переходят на люминесцентный микроскоп и снова ищут одиночные частицы, чтобы измерить их оптические свойства. Этот способ отнимает много времени и сил.

Еще один метод — использовать оптический пинцет. Это некая схема, очень похожая на оптический микроскоп, которая позволяет удерживать одиночные частицы и проводить их структурный и спектрально-оптический анализ. Такой подход не только требует глубоких знаний в оптике, много время и силы для реализации, но и ограничивает возможность масштабирования исследований. Во-первых, не все нанообъекты можно поймать оптическим пинцетом. Во-вторых, оптический пинцет — всегда уникальная оптическая установка, которая требует точной и сложной настройки под каждое измерение.

Ученые центра физики наноструктур ИТМО разработали новый инструмент для изучения одиночных частиц — приставку-манипулятор на основе созданной ими электродинамической ловушки. Устройство формирует электрическое поле, которое заставляет одиночные частицы левитировать и таким образом удерживает их в строго определенной точке.

В чем преимущества электродинамической ловушки по сравнению с оптическим пинцетом? Для пинцета оптики проектируют специальную и весьма громоздкую оптическую схему для конкретных исследований. Поэтому перенести установку в другую лабораторию — нетривиальная задача. На основе технологии электродинамической ловушки мы разработали портативную приставку-манипулятор для «ловли» одинарных частиц. Она подойдет для любого коммерчески доступного оптического микроскопа, для ее использования не нужны специальные знания в прикладной оптике и с ее помощью можно изучать одиночные частицы любой формы в воздушной среде, которая не влияет на свойства пойманного объекта.

• Вадим Рыбин, один из авторов исследования, инженер лаборатории нелинейной оптики конденсированных сред международного научно-образовательного центра физики наноструктур ИТМО

Электродинамическая приставка-манипулятор выглядит как небольшой герметичный прямоугольный короб, который вставляется в предметный столик микроскопа. В одной стенке короба есть отверстие, через него шприцем вводятся частицы. Внутри короба расположены шесть электродов — четыре длинных и два коротких. Они выполняют роль электропастуха, а частицы — наноконей. С помощью определенной амплитуды и частоты напряжения электроды утягивают частицы нужной формы, размера и массы и благодаря созданному электрическому полю удерживают их, как коня на привязи. Таким образом можно пригнать табун лошадей разных пород — частицы с разными массами и зарядами. При этом масть коня (оптические свойства частицы) не важна и не влияет на эффективность удержания в электродинамической ловушке в отличие от оптической. В итоге электропастух удерживает только нужную кобылу, а ученые всегда знают, куда нести морковь — наводить объектив микроскопа. Оставшиеся невыбранные «лошадки-частицы» останутся на «лугу-ловушке» и не будут мешать наблюдениям.

Особенность электродинамического поля, удерживающего частицу, позволяет нам заранее узнать, где летает одиночная частица, и за несколько мгновений навести на нее объектив. При стандартных измерениях приходится долго сканировать подложку в поиске объекта исследования. С нашей разработкой можно изучать любые заряженные объекты размером от нескольких десятков нанометров до сотен микрометров. Область исследования тоже не ограничена — от биологических структур для поиска заболеваний на ранней стадии, например рака, до синтеза новых материалов в наноинжиниринге и изучения свойств частиц для продвижения фундаментальной науки.

Семен Рудый, один из авторов исследования, заведующий лабораторией в международном научно-образовательном центре физики наноструктур ИТМО

В дальнейшем электродинамические ловушки можно скрестить с оптическими, чтобы получить гибридный механизм пленения нескольких частиц. С помощью такого инструмента можно манипулировать двумя наночастицами и заставлять их взаимодействовать. Эта функция пригодится для скрининга биологических клеток и выявления болезней, например для исследования жесткости клеточных мембран, или искусственного оплодотворения мушек-дрозофил как материала для генетических исследований.

Исследование поддержано грантом РНФ №24-22-20042.

Фото: Максим Семынин. Предоставлены ИТМО