Blog

Jan 20, 2024

Trampa óptica y control de fluorescencia con luz estructurada vectorial

Informes científicos volumen 12,

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 17690 (2022) Citar este artículo

1447 Accesos

2 citas

1 Altmetric

Detalles de métricas

Aquí funcionalizamos perlas de polímero a microescala con puntos cuánticos a nanoescala y demostramos atrapamiento óptico y pinzas, con medición de fluorescencia in situ, en una configuración totalmente óptica totalmente digital. Describimos la química requerida para facilitar esto, desde la desactivación del entorno de captura óptica hasta el control de tamaño, adhesión y aglomeración. Presentamos una nueva configuración de captura óptica holográfica que aprovecha la luz estructurada vectorialmente, lo que permite la entrega de formas de luz sintonizables desde puramente escalar hasta puramente vectorial, incluidos haces de superficie plana invariantes de propagación para una iluminación uniforme y paisajes de gradiente de intensidad personalizados. Finalmente, mostramos cómo esto tiene el potencial de sofocar el blanqueo en una sola trampa de longitud de onda por efectos lineales (modo espacial) en lugar de no lineales, avanzando en el campo naciente de la óptica para la química.

El atrapamiento óptico o pinzado describe la manipulación de partículas de tamaño nano a micro a través de la transferencia de momento de luz estrechamente enfocada. La pinza óptica fue demostrada por primera vez por Arthur Ashkin en 1970 con un haz gaussiano1 y medio siglo después, este haz aún domina los experimentos de atrapamiento óptico2. Sin embargo, el empleo de luz estructurada3 (al variar la intensidad, la fase y la polarización de la luz) en pinzas ópticas ha hecho posible no solo atrapar sino también mover, rotar y dirigir partículas. Estas trampas de luz estructuradas son una técnica bien establecida en la actualidad4,5 y, dado que la mayoría de los haces estructurados se crean por medio de un holograma, se les ha denominado pinzas ópticas holográficas (HOT, por sus siglas en inglés)6,7.

Con los HOT, se puede crear una matriz de trampas para atrapar varias partículas simultáneamente mientras se puede cambiar dinámicamente este patrón de matriz, lo que permite una manipulación altamente controlada de las partículas8,9,10,11. Los haces estructurados que se reconstruyen después de ser distorsionados por una partícula atrapada (haces de Bessel) han permitido atrapar en múltiples planos12, mientras que el haz de Bessel de campo lejano se puede usar como un escudo óptico que ayuda a atrapar en entornos concurridos13. No solo se ha demostrado que los haces de luz estructurados mejoran la fuerza de la trampa14, sino que los haces Airy, por ejemplo, pueden guiar una partícula a lo largo de una determinada trayectoria, lo que permite la eliminación selectiva de partículas en una muestra15,16; con haces de pétalos es posible atrapar partículas con diferentes índices de refracción simultáneamente17 y las ondas congeladas pueden aumentar la estabilidad y el control 3D de la trampa18. El hecho de que la luz transporta un momento lineal es bien conocido y es la razón por la cual la luz puede atrapar partículas, sin embargo, la luz también puede transportar un momento angular orbital (OAM), como haces de Laguerre-Gaussian (LG). Al emplear estos haces portadores de OAM, las pinzas ópticas también obtienen control rotacional de las partículas19,20,21,22.

Hasta ahora, la investigación de HOT se ha centrado principalmente en haces estructurados modulados en amplitud y fase; estos se denominan haces escalares. Por otro lado, los haces vectoriales también están estructurados en polarización, lo que significa que tienen un patrón de polarización que varía espacialmente. La captura con haces vectoriales es la vía más reciente de luz estructurada explorada en pinzas ópticas y ya ha demostrado ser beneficiosa para la comunidad de captura4,5,23. El haz vectorial polarizado radialmente, por ejemplo, es famoso por lograr el tamaño de punto más pequeño cuando está bien enfocado24,25, esta propiedad se ha utilizado para crear trampas ópticas axiales más fuertes26,27. El primer HOT vectorial fue demostrado por Bhebhe et al.28, que permitió el atrapamiento óptico con una matriz dinámica de haces vectoriales y/o escalares.

El uso de luz estructurada en pinzas ópticas la ha convertido en una técnica poderosa; además, la combinación de esta herramienta con la espectroscopia de fluorescencia hizo posible no solo ejercer fuerzas sobre una partícula, sino también observar los cambios químicos y estructurales de las moléculas dentro de la trampa. Por esta razón, las pinzas ópticas combinadas con la fluorescencia de una sola molécula son una herramienta invaluable y pionera en la investigación biológica actual29,30,31. Sin embargo, la integración de la microscopía de fluorescencia en las pinzas ópticas no es trivial, ya que la luz atrapada tiene una intensidad de hasta seis órdenes de magnitud mayor que la de la luz de excitación utilizada en los experimentos de fluorescencia32. La luz de captura de alta intensidad da como resultado el fotoblanqueo de los fluoróforos, que es un proceso irreversible por el cual los fluoróforos se vuelven no fluorescentes33. Aunque no se comprende completamente, el fotoblanqueo generalmente ocurre cuando los electrones ya excitados continúan absorbiendo fotones y la disociación resultante conduce a la pérdida permanente de la señal de fluorescencia34. La solución más popular para minimizar el fotoblanqueo en las pinzas ópticas es usar dos fuentes diferentes: un láser de alta intensidad no resonante para atrapar y una fuente resonante de menor intensidad para la excitación34,35. Estas dos fuentes luego se separan en el espacio36,37,38 o en el tiempo39,40. Muy poca investigación ha investigado la posibilidad de usar luz estructurada para ayudar con la integración de la espectroscopia de fluorescencia en pinzas ópticas, y ninguna hasta la fecha explota la naturaleza vectorial de la luz estructurada, los grupos solo han investigado el uso de un vórtice o haz de captura de 'rosquilla' para reducir el fotoblanqueo41, 42,43. Recientemente, Zhang y Milstein demostraron que la vida útil del fotoblanqueo de un tinte orgánico colocado 1 \(\upmu \text{m}\) por debajo del centro de la trampa puede extenderse al atrapar con un haz de vórtice, mientras se siguen usando fuentes separadas de captura y excitación43.

Aquí demostramos el atrapamiento óptico y pinzas con luz vectorial para el control de partículas fluorescentes. Las partículas fluorescentes utilizadas en este estudio son nanocristales semiconductores conocidos como puntos cuánticos (QD). Primero discutimos en detalle la química para crear sondas QD, desde la síntesis QD hasta su acoplamiento a perlas de polímero de tamaño micro para atrapar. Nuestras perlas de polímero funcionalizadas a microescala con puntos cuánticos a escala nanométrica se introducen luego en una nueva configuración de captura óptica holográfica que aprovecha la luz estructurada vectorialmente, lo que nos permite un control sin precedentes en la adaptación de las fuerzas de gradiente y los perfiles de intensidad dentro de la trampa. Demostramos esto con la entrega de formas sintonizables de luz desde puramente escalar hasta puramente vectorial. Como un ejemplo ilustrativo del poder de nuestra configuración y enfoque, creamos un haz de punta plana vectorial invariable de propagación y mostramos su potencial para reducir el fotoblanqueo en una trampa de longitud de onda única mediante efectos lineales (modo espacial) en lugar de no lineales. con perspectivas emocionantes en la exploración de la luz estructurada para la química.

Los QD de núcleo/carcasa de CdSe/ZnS se prepararon utilizando el método de síntesis coloidal de inyección en caliente seguido de una reacción de intercambio de ligandos para funcionalizar la superficie con L-cisteína. Un esquema del proceso de síntesis seguido se muestra en la Fig. 1a (ver "Materiales y métodos" para más detalles). La imagen TEM de los QD hidrofóbicos y su distribución de tamaño en la Fig. 1b muestra que los QD tenían un diámetro promedio de 5,2 ± 0,6 nm. Para crear sondas de fluorescencia que se puedan atrapar con la configuración de pinzas ópticas, estos QD se acoplaron a perlas de polímero de tamaño micro como se muestra en la Fig. 1c. Se utilizó la química EDC/NHS bien conocida y ampliamente utilizada para unir los QD a la superficie de las perlas. Los grupos carboxilo presentes en la superficie de las perlas de poliestireno comerciales reaccionaron con el grupo amino primario de los ligandos de L-cisteína en los QD para formar un enlace covalente entre la perla y el QD. Las imágenes TEM de la superficie de una perla de polímero comercial sin recubrimiento y una perla etiquetada con QD se comparan en la Fig. 1d. La perla de polímero sin recubrir tenía una superficie lisa, mientras que la superficie de la perla marcada con QD tenía un aspecto áspero o 'borroso' debido al recubrimiento de QD, lo que confirma el éxito de la reacción de acoplamiento. La intensidad de fluorescencia normalizada de los QD en diferentes momentos durante la síntesis se muestra en la Fig. 1e. Un tiempo de crecimiento más largo para el núcleo de CdSe y los QD de núcleo/capa de CdSe/ZnS conducen a partículas más grandes (banda prohibida más pequeña) y, por lo tanto, se observó un desplazamiento hacia el rojo en la longitud de onda de emisión de fluorescencia. La reacción de intercambio de ligandos también provocó un desplazamiento hacia el rojo en la longitud de onda de emisión. Sin embargo, después de la reacción de acoplamiento, se observó un ligero desplazamiento hacia el azul. Para detectar la emisión de fluorescencia de las perlas marcadas con QD en la configuración de pinzas ópticas, la luz de fluorescencia tuvo que pasar a través de un espejo dicroico que transmite luz con longitudes de onda de 582-825 nm. Para garantizar que la mayor parte del pico de emisión sea superior a 582 nm, los QD se cultivaron para tener un pico de fluorescencia máximo de 595 nm o más.

Pasos de síntesis y caracterización destacada de los QD y perlas etiquetadas con QD. ( a ) Pasos de síntesis de QD CdSe / ZnS con tapa de L-cisteína. ( b ) imagen TEM de CdSe / ZnS QD con su distribución de tamaño correspondiente; el diámetro medio fue de 5,2 ± 0,6 nm. ( c ) La reacción de acoplamiento de los QD con tapa de L-cisteína a la superficie de microesferas a través de la química EDC / NHS. ( d ) Imágenes TEM de la superficie de un polímero sin recubrimiento (izquierda) y una perla etiquetada con QD (derecha), que confirman el éxito de la reacción de acoplamiento. ( e ) Emisión de fluorescencia de los QD en diferentes momentos a lo largo de la síntesis.

La importancia de optimizar algunos de los pasos de síntesis cuando se preparan las microesferas marcadas con QD se destaca en la Fig. 2. En primer lugar, la purificación de las QD cubiertas con L-cisteína puede llevar mucho tiempo, pero es un paso crucial para tener una cadena monodispersa. y muestra QD libre de impurezas y, en consecuencia, un revestimiento QD uniforme en las perlas de polímero. En la Fig. 2a, la apariencia de los QD con tapa de L-cisteína purificada se muestra a la izquierda, aquí los QD individuales son visibles, mientras que a la derecha se muestra una imagen TEM de QD de CdSe/ZnS con tapa de L-cisteína cruda antes de la purificación. La muestra cruda se agrupa junto con muchas impurezas entre los QD para que no se pueda ver ningún QD individual. La gran área de superficie de los QD proporciona impurezas orgánicas con mucho espacio para adherirse, por lo tanto, la necesidad de una purificación rigurosa.

Pasos de optimización al preparar las perlas etiquetadas con QD. ( a ) Imágenes TEM de QD de CdSe / ZnS con tapa de L-cisteína purificada (izquierda) y cruda (derecha). ( b ) Recuperación de la intensidad de la fluorescencia de los QD de CdSe / ZnS cubiertos con L-cisteína durante cinco días. Los recuadros fotográficos muestran el aspecto de la muestra bajo la luz ultravioleta en determinados días. (c) La imagen TEM de la izquierda muestra una perla etiquetada con QD recubierta uniformemente con QD, mientras que las inserciones 1 a 3 muestran perlas etiquetadas con QD cuando algunos pasos de síntesis no se llevaron a cabo de manera óptima. En el recuadro 1, el exceso de EDC no se eliminó antes de agregar los QD, el recuadro 2 muestra la reacción realizada con agitación magnética en lugar de ultrasonicación y el recuadro 3 muestra la deformación de las perlas de polímero debido a la presencia de acetona.

Después de la purificación y el secado de los QD de CdSe/ZnS rematados con L-cisteína, se extinguió su intensidad de fluorescencia. Sin embargo, después de un tiempo, la intensidad de la fluorescencia se recuperó cuando se redispersaron en agua, como se muestra en la Fig. 2b. Esta figura muestra la recuperación de la fluorescencia durante un período de 5 días; la primera medición se tomó directamente después de que los QD purificados se redispersaran en agua. Este fenómeno de extinción puede ser explicado por la investigación publicada por Noh et al.44. En este trabajo, demostraron que la fluorescencia de los QD de CdSe solubles en agua se apagaba cuando los QD formaban agregados. De manera similar, sabemos que los QD cubiertos con L-cisteína exhiben enlaces de hidrógeno y tienden a agruparse. Por lo tanto, los QD de L-cisteína posiblemente formaron agregados cuando se concentraron, lo que dio como resultado la extinción de la fluorescencia. Cuando se redispersaron en agua, los agregados se dispersaron y se recuperó la emisión de fluorescencia. Para garantizar que la señal de fluorescencia de los QD se recuperara y fuera estable, los QD se almacenaron en agua desionizada durante varios días antes de realizar la reacción de acoplamiento.

A la izquierda de la Fig. 2b se muestra una imagen TEM de una perla etiquetada con QD con un revestimiento QD uniforme, mientras que las inserciones 1-3 muestran perlas etiquetadas con QD cuando algunos pasos de síntesis no se llevaron a cabo de manera óptima. El recuadro 1 muestra un cordón marcado con QD cuando el exceso de EDC no se eliminó por completo antes de agregar los QD. El EDC sin reaccionar activó no solo los grupos carboxilo en las perlas, sino también los grupos carboxilo de L-cisteína en los QD. Estos QD activados luego reaccionaron entre sí para formar grandes agregados. El recuadro 2 muestra el revestimiento QD irregular cuando la reacción de acoplamiento se llevó a cabo con agitación magnética. La cantidad de QD en la superficie de esta perla varió desde casi nada en un lado hasta grandes grumos en el otro, sin embargo, realizar la reacción en un baño ultrasónico mejoró enormemente la uniformidad del recubrimiento QD (como se muestra a la izquierda) . Por último, nos gustaría señalar la importancia de estudiar cuidadosamente el sistema que se investiga antes de intentar una síntesis. Aunque la acetona demostró ser un solvente excelente para la purificación de los QD, en el sistema de microesferas QD este solvente hizo que las microesferas de polímero se deformaran como se muestra en el recuadro 3; por lo tanto, solo se usó agua destilada para purificar las perlas marcadas con QD.

( a ) Propagación de un haz escalar de parte superior plana simulado utilizando el enfoque de haz gaussiano aplanado. ( b ) Propagación de un haz vectorial de parte superior plana que muestra el perfil de parte superior plana que no cambia. Las intensidades máximas se normalizaron para visualizar mejor la invariancia de propagación de este haz. ( c ) Perfil de intensidad a medida que \(\alpha\) cambia mostrando la evolución de un vórtice a una parte superior plana a un haz gaussiano. Los perfiles del haz vectorial en valores críticos de \(\alpha\) se muestran en el panel inferior con el haz de vórtice en \(\alpha =0\), el haz vectorial plano superior en \(\alpha =0.5\) y el haz gaussiano en \(\alpha =1\).

Aquí demostramos un HOT vectorial enfocándonos en vigas vectoriales planas. Este haz es beneficioso para la captura óptica de partículas fluorescentes, ya que proporciona una iluminación de excitación uniforme, es un haz invariable de propagación y tiene un gradiente de intensidad pronunciado (lo que significa que puede producir una trampa óptica fuerte), mientras que tiene una intensidad máxima más baja para reducir el fotoblanqueo.

Un haz ideal con la parte superior plana tiene un perfil de intensidad uniforme y cae a cero en los bordes. Sin embargo, en el laboratorio solo se pueden crear aproximaciones a una viga de parte superior plana; algunas aproximaciones incluyen los haces supergaussiano, gaussiano aplanado y de Fermi-Dirac45,46. El principal inconveniente de todas estas aproximaciones es que su perfil de intensidad varía a medida que se propagan, el perfil de intensidad de la parte superior plana solo se obtiene en un cierto plano después del cual el perfil cambia drásticamente como se muestra en la Fig. 3a. El cambio rápido de perfil hace extremadamente difícil la entrega óptica del perfil de parte superior plana en el plano de reventado estrechamente enfocado. Un haz que simplemente se puede enfocar a través del objetivo en la muestra y mantener su perfil es mucho más ideal; esto se logra mediante haces vectoriales de parte superior plana. Los haces vectoriales de superficie plana son invariantes de propagación ya que se crean por la superposición de dos modos propios de espacio libre; la propagación de un haz vectorial de superficie plana se muestra en la Fig. 3b.

Un haz vectorial de parte superior plana se obtiene mediante la suma (vectorial) de un haz gaussiano y un haz de vórtice47. Por lo tanto, el campo está dado por

donde \(\hbox {LG}^l_{p}\) se refiere a los modos Laguerre-Gaussian (LG) con p el índice radial y l el índice azimutal. \(\hbox {LG}_0^0\) es por tanto el haz gaussiano y \(\hbox {LG}_0^1\) el haz de vórtice. Un haz vectorial está formado por la suma de campos escalares ortogonales con polarización uniforme, aquí el haz gaussiano tiene polarización horizontal \({\hat{{\textbf {e}}}_{{\textbf {H}}}}\) y la polarización vertical del haz de vórtice \({\hat{{\textbf {e}}}_{{\textbf {V}}}}\). En la ecuación. (1), se introdujo un factor \(\alpha\) para pesar los dos haces escalares, es decir, cualquier campo desde un vórtice cuando \(\alpha =0\) hasta un haz gaussiano cuando \(\alpha =1\) puede ser generado; con el vector de parte superior plana con la misma ponderación de \(\alpha =0.5\). La evolución del haz vectorial a medida que \(\alpha\) cambia se muestra en la Fig. 3c junto con los perfiles del haz en los valores críticos de \(\alpha\) (\(\alpha = 0, 0.5\) y 1). El campo \(LG_p^l\) toma la forma conocida48

donde \(L_p^{|l|}\) es el polinomio de Laguerre asociado, w(z) \(=w_0\sqrt{1 + \left( \frac{z}{z_R}\right) ^2}\) , \(w_0\) es el radio del haz gaussiano, \(z_R=\frac{\pi w_0^2}{\lambda }\) es el rango de Rayleigh, \(R(z)=z\left( 1 + \ left( \frac{z_R}{z}\right) ^2\right)\) es el radio de curvatura y \(\psi (z)=\text {arctan}\left( \frac{z}{z_R} \right)\) es la fase de Gouy.

Aquí comparamos (teóricamente) el haz vectorial con la parte superior plana con un haz gaussiano para determinar en qué aspectos los haces con la parte superior plana son superiores a los haces gaussianos (y viceversa). La intensidad del haz vectorial generalmente se puede escribir como la suma de las intensidades del haz gaussiano y del vórtice (con algunos requisitos de polarización)

donde el vector de intensidad de la parte superior plana se obtiene estableciendo \(\alpha =0.5\) y la intensidad gaussiana mediante \(\alpha =1\).

La fuerza de gradiente (o fuerza de atrapamiento) de un haz es proporcional al gradiente de intensidad del haz, \(F_{grad}=c\nabla I\)49,50,51. Dado que solo las fuerzas relativas del vector de superficie plana y la viga gaussiana son importantes, \(c=1\) se puede suponer tal que

Por lo tanto, si se conoce el perfil de intensidad de un haz, se puede calcular fácilmente su fuerza de gradiente.

Para que el haz vectorial de superficie plana sea útil para atrapar partículas fluorescentes, debe tener una fuerza de captura similar a la de un haz gaussiano pero una intensidad máxima más baja para reducir posiblemente el fotoblanqueo. Para probar si esto es cierto, se consideró la fuerza de gradiente promedio (\({\bar{F}}_{grad}\)) sobre toda el área de la viga, A.

Más relevante es la relación entre la fuerza de gradiente promedio de la parte superior plana (FT) y el haz gaussiano (G).

de modo que en \(\gamma = 1\) la fuerza de gradiente promedio de la parte superior plana y los rayos gaussianos son iguales y en \(\gamma > 1\) la parte superior plana vectorial tiene una fuerza de atrapamiento más fuerte.

La relación, \(\gamma\), se calculó a diferentes potencias relativas de los haces gaussianos y vectoriales de superficie plana y se representó en la Fig. 4a. Esta figura, por lo tanto, muestra cómo cambian las fuerzas de gradiente relativas de los dos haces cuando se ajusta la potencia. En el gráfico se indican tres casos especiales con los perfiles de intensidad correspondientes que se muestran en la Fig. 4b: el haz vectorial de superficie plana junto con los haces gaussianos que tienen (1) la misma potencia, (2) la misma fuerza de gradiente y (3) la se traza la misma intensidad máxima que la parte superior plana. En primer lugar, en el caso de que la potencia de los dos haces sea igual, \(\gamma =0,75\), lo que significa que el haz gaussiano es una trampa más potente (línea azul). Esto era de esperar, ya que aunque el gradiente de intensidad del vector plano superior es más pronunciado, el pico de alta intensidad del haz gaussiano anula este efecto. En segundo lugar, para que los dos haces tengan la misma fuerza de gradiente promedio (\(\gamma =1\)), el haz gaussiano debe tener el 75 % de la potencia del haz vectorial plano superior (línea verde). Por último, cuando los dos haces tienen la misma intensidad máxima, es decir, cuando la potencia de la Gaussiana es la mitad de la del haz de la parte superior plana, entonces la trampa del haz de la parte superior plana es 1,5 veces más fuerte que la trampa del haz gaussiano (línea naranja) . Lo más relevante es el caso cuando los dos haces tienen la misma fuerza de gradiente; aquí está claro que cuando el haz vectorial con la parte superior plana y el haz gaussiano tienen la misma intensidad de trampa (o fuerza de gradiente), la intensidad máxima del vector con la parte superior plana es menor que la del haz gaussiano. Esto significa que el haz vectorial de superficie plana se puede utilizar para atrapar una partícula con la misma fuerza pero con una intensidad máxima más baja que el haz gaussiano.

Comparación de la fuerza de gradiente de una viga superior plana gaussiana y vectorial. (a) La relación entre la fuerza de gradiente relativa y la potencia de un haz gaussiano y vectorial de parte superior plana. (b) Los perfiles de intensidad correspondientes a un haz gaussiano que tiene la misma potencia, fuerza de gradiente e intensidad que un haz vectorial plano superior.

Una ilustración de la configuración experimental de una pinza óptica holográfica vectorial. Los recuadros muestran el vórtice generado experimentalmente y los haces gaussianos que se combinaron para formar el haz vectorial de parte superior plana. En el panel superior se muestra el holograma multiplexado que se codificó en el SLM para generar un haz gaussiano y de vórtice con diferentes ángulos de propagación. El panel inferior muestra la sección transversal de un haz de superficie plana generado experimentalmente en el campo cercano y lejano. Las secciones transversales teóricas se presentan en verde con los puntos de datos experimentales en negro.

La configuración experimental de la trampa óptica holográfica vectorial se ilustra en la Fig. 5. Se utilizó un haz gaussiano expandido y colimado con una longitud de onda de \(\lambda\) = 532 nm para iluminar la pantalla de un modulador de luz espacial reflectante (SLM, Holoeye Plutón, Alemania). Para crear un haz vectorial de parte superior plana, se crearon un haz gaussiano (\(\hbox {LG}^0_0\)) y un haz de vórtice (\(\hbox {LG}^1_0\)) con diferentes ángulos de propagación con el SLM (los recuadros muestran los perfiles de intensidad 2D de haces obtenidos experimentalmente). El holograma en escala de grises multiplexado que se codificó en el SLM utilizando modulación de amplitud compleja se muestra en el panel superior, con las diferentes rejillas de los dos haces como recuadros. Los haces gaussianos y de vórtice se separaron utilizando un espejo en forma de D (DM) para dirigir los haces a un divisor de haz polarizador (PBS) donde se combinaron interferométricamente. Los órdenes cero y superiores no deseados se eliminaron mediante filtrado espacial antes del PBS. Se agregó una placa de media onda (HWP) en el camino de un haz para cambiar su polarización de horizontal a vertical, para permitir la superposición de haces polarizados ortogonales. Por lo tanto, el haz vectorial de superficie plana se obtuvo después del PBS; el panel inferior muestra la sección transversal de un haz de superficie plana obtenido experimentalmente en el campo cercano y lejano.

El reflejo de la luz de un espejo dicroico (DM) es ligeramente diferente para la luz polarizada horizontal y verticalmente. Para asegurar que el DM no cambiara el perfil del haz vectorial (dado que su desempeño varía ligeramente para las polarizaciones ortogonales), se agregó una placa de cuarto de onda (QWP) en \(45^{\circ }\) en la trayectoria del haz vectorial para cambiar la polarización de cada haz a circular, lo que significa que los dos haces que forman la luz vectorial tienen la misma 'cantidad' de polarización vertical y horizontal y el DM tendrá el mismo efecto en ambos (los perfiles del haz con y sin el QWP se muestran en la figura complementaria S1). El sistema 4f (lentes L1 y L2) se incluyó para garantizar que el haz generado llegara a la apertura trasera de la lente del objetivo. La lente del objetivo de NA alta O enfocó el haz para crear la trampa óptica en el plano de la muestra.

La muestra constaba de 2 \(\upmu \text{m}\) perlas de poliestireno (muestra utilizada para obtener la rigidez de la trampa) o perlas de poliestireno marcadas con QD (muestra fluorescente) apoyadas entre un cubreobjetos y un portaobjetos de microscopio. El material de vidrio sin tratar contiene grupos silanol (Si–OH), que hacen que la superficie del vidrio sea hidrófila, lo que hace que los compuestos polares se adsorban en la superficie a través de enlaces de hidrógeno. En este estudio, las perlas de poliestireno y las perlas etiquetadas con QD contenían grupos polares en sus superficies. Por lo tanto, debido a estos grupos, las perlas se inmovilizaron en la superficie del vidrio sin tratar, lo que provocó un problema al intentar atrapar las partículas. Para solucionar esto, se desactivó el material de vidrio (portaobjetos y cubreobjetos) antes de ensamblar las muestras. La desactivación de la cristalería aumentó su hidrofobicidad y evitó la adsorción no deseada de compuestos polares. La desactivación se logró haciendo reaccionar el material de vidrio con dimetildiclorosilano (DMDCS).

Se implementó una configuración de microscopio invertido con un DM que refleja la luz láser en el objetivo mientras deja pasar la luz de fluorescencia e iluminación. Se utilizó el mismo láser tanto para atrapar como para excitar. Para observar simultáneamente el atrapamiento y la emisión de fluorescencia de la muestra, el sistema de imágenes/detección se configuró de tal manera que se utilizó luz azul para iluminar la muestra que fue transmitida por el DM de muesca, reflejada por el DM de paso largo y reflejada en una cámara CCD. . La emisión de fluorescencia (haz rojo) de la muestra fue transmitida por ambos DM para ser detectada por un fotodiodo de avalancha (APD, un detector de fotón único). Este sensible detector de fotones era necesario para detectar la fluorescencia proveniente de una sola perla etiquetada con QD. Dado que los DM no son 100% efectivos, se insertaron filtros de color adicionales para garantizar que la luz del láser de captura no llegara a la cámara o al APD.

Aunque este estudio se centró en la creación de haces vectoriales de superficie plana, esta configuración se puede utilizar para generar cualquier haz vectorial arbitrario simplemente superponiendo diferentes haces escalares. Por ejemplo, agregar dos modos de vórtice, \(\hbox {LG}_0^1\) y \(\hbox {LG}_0^{-1}\), creará haces de vórtice polarizados radial y azimutalmente.

Se controló el movimiento de una partícula libre y una partícula atrapada con un haz vectorial plano superior durante 5 min. La trayectoria y la distribución de la posición de estas partículas en la dirección Y se muestran en la Fig. 6a. La posición de las partículas se rastreó utilizando la cámara CCD y todo el análisis de imágenes se realizó en Matlab. A partir de esta figura, está claro que la partícula libre experimentó un movimiento browniano aleatorio y en 5 min se movió sobre 7.33 \(\upmu \text{m}\) (en la dirección Y). Sin embargo, la partícula atrapada se limitó a moverse solo 0,44 \(\upmu \text{m}\) durante el tiempo de análisis, lo que demuestra que el atrapamiento óptico fue exitoso con un haz vectorial de parte superior plana.

El ligero movimiento de la partícula dentro de la trampa se debe al ruido térmico que la empuja fuera de la trampa y a la fuerza óptica que la atrae hacia adentro. Al monitorear este movimiento, la fuerza de la trampa podría determinarse utilizando el método de equipartición que relaciona la fuerza de la trampa con la variación de posición de la partícula atrapada52 (detalles proporcionados en la Información complementaria). Se siguió el movimiento de una perla atrapada durante 5 min, tomando una medida de posición cada segundo. Se atraparon cinco perlas para cada medición de potencia (medida después de la lente del objetivo) en la que se determinó la rigidez de la trampa. La rigidez de trampa promedio en cada potencia se representa en la figura 6b, siendo las barras de error el error estándar. La relación lineal entre la potencia del láser y la rigidez de la trampa es evidente en este gráfico. Los recuadros muestran la trayectoria de la partícula atrapada con potencias crecientes de 30 \(\mu \hbox {W}\), 120 \(\upmu \text {W}\) y 300 \(\mu \hbox {W}\ ).

Atrapando ópticamente una partícula de 2 \(\upmu \text{m}\) con un haz vectorial de parte superior plana. (a) Trayectoria y densidad de probabilidad (en la dirección y) de una partícula libre y una partícula atrapada con un haz vectorial de superficie plana, monitoreada durante 5 min. La partícula libre exhibe movimiento browniano y se mueve sobre 7.33 \(\upmu \text{m}\) mientras que el movimiento de la partícula atrapada está restringido a solo 0.44 \(\upmu \text{m}\). ( b ) Rigidez de la trampa de la parte superior plana del vector (en la dirección x) a diferentes potencias de láser. Los recuadros muestran la trayectoria de una partícula atrapada con potencias crecientes de 30 \(\upmu \text {W}\), 120 \(\upmu \text {W}\) y 300 \(\upmu \text {W}\ ), respectivamente.

En la Fig. 7, la capacidad de sintonización del vector HOT se demuestra cambiando el haz de captura de haces de vórtice y gaussianos puramente escalares a su combinación vectorial; aquí también demostramos el efecto de atrapar con diferentes tamaños de haz. En la fila superior se muestran los perfiles teóricos (trazados en color) de los haces de captura y concuerdan bien con los datos experimentales (presentados en negro).

La fuerza de atrapamiento óptico que experimentará una partícula (debido a un haz enfocado) depende del tamaño del haz en relación con la partícula. En la teoría presentada anteriormente, la fuerza de gradiente promedio de la viga se determina integrando sobre el área total de la viga. Sin embargo, la partícula solo experimentará esta fuerza total si intercepta todo el haz; lo cual es cierto cuando el haz en la trampa es más pequeño que el tamaño de la partícula. Este fue el caso de las perlas atrapadas en la fila central de la Fig. 7, aquí 2 \(\upmu \text{m}\) perlas quedaron atrapadas con un diámetro de haz de 1,8 \(\upmu \text{m}\) . La fila inferior muestra el movimiento de una cuenta en una trampa óptica donde el haz es más grande (3,1 \(\upmu \text{m}\)) que la cuenta. El tamaño del haz se determinó tomando imágenes del reflejo posterior del haz del portaobjetos de muestra. Como se mencionó anteriormente, los espejos dicroicos no son 100 % eficientes, por lo tanto, el haz de captura se transmitió parcialmente y se reprodujo en la cámara CCD. La cámara se calibró usando el diámetro conocido de las 2 \(\upmu \text {m}\) perlas en la muestra. Para las trampas pequeñas, el movimiento de la cuenta se concentró en el centro de todos los rayos con un poco más de movimiento en el rayo de superficie plana y aún más en el rayo de vórtice. Podría asumirse la oscilación armónica y se reporta la rigidez de la trampa (calculada con el método de equipartición) para estas trampas. El movimiento de la perla en la trampa gaussiana grande también estaba centrado pero menos rígido que en la trampa gaussiana pequeña. El centro de la partícula atrapada en el gran haz de vórtice permaneció en el anillo del haz ya que aquí es donde existe el gradiente de intensidad y, en consecuencia, la fuerza de atrapamiento, el movimiento a lo largo del anillo del haz se debió principalmente al movimiento browniano. Por último, el movimiento de la cuenta en la gran trampa de parte superior plana fue más uniforme, correspondiendo al perfil uniforme del haz (solo existe una fuerza de gradiente en los bordes del haz). A partir de estos gráficos, está claro que el tamaño y el tipo de haz tienen una gran influencia en la resistencia y las propiedades de una trampa óptica.

Movimiento de perlas atrapadas con un haz gaussiano, de vórtice y vectorial de superficie plana cuando el tamaño del haz es más pequeño que la partícula (trampa de haz pequeño) o más grande que la partícula (trampa de haz grande). La perla tenía un diámetro de 2 \(\upmu \text {m}\), la trampa pequeña tenía un diámetro de haz de 1,8 \(\upmu \text{m}\) y la trampa grande un diámetro de 3,1 \(\upmu \texto{m}\). Se reporta la rigidez de la trampa (± desviación estándar) para las trampas de haz pequeño (unidad: pN/\(\upmu \text{m}\)).

El fotoblanqueo promedio de tres perlas etiquetadas con QD atrapadas en una trampa de haz gaussiana y de parte superior plana a una potencia de captura de 60 \(\upmu \text {W}\) (el área sombreada representa el error estándar). Se observaron tiempos de vida de fotoblanqueo más prolongados para los fluoróforos en la trampa de haz de parte superior plana en comparación con la trampa de haz gaussiana. El recuadro muestra los perfiles experimentales de los haces de captura.

El haz vectorial de parte superior plana se puede generar para que tenga la misma fuerza de gradiente que el haz gaussiano, pero con una intensidad máxima reducida en un 25 % (consulte la Fig. 4). Esta propiedad de los haces de superficie plana puede aprovecharse para reducir el fotoblanqueo en las trampas ópticas. Además, si los haces de superficie plana se generan con la misma potencia que los haces gaussianos, tienen una intensidad máxima reducida en un 50 %, con solo una pérdida mínima de fuerza de gradiente (fuerza de captura), especialmente con potencias de captura bajas (como se muestra experimentalmente en la figura complementaria). . S3). La Fig. 8 muestra la emisión de fluorescencia promedio de tres perlas etiquetadas con QD atrapadas con un haz gaussiano o de parte superior plana, con una potencia de 60 \(\mu \hbox {W}\) en una sola trampa de longitud de onda (con el estándar error representado por el área sombreada). Las señales de fluorescencia se normalizaron y se restó el fondo (detalle en la Fig. S4 complementaria). Para ambas trampas la fluorescencia de la partícula se redujo al entrar en la trampa; la vida media del fotoblanqueo (\(\tau\)) de cada partícula se determinó ajustando una función exponencial \(f(t) = A\hbox {exp}(-t/\tau )+C\) a la fluorescencia señal (consulte la Fig. S5 complementaria para conocer las funciones ajustadas y los valores de \(R^2\)). Se determinó que la vida media promedio del fotoblanqueo (± desviación estándar) de una perla etiquetada con QD en una trampa gaussiana era de 14 ± 3 s y la vida media en una trampa vectorial de superficie plana de 20 ± 3 s, que es un 43 % de aumento en la vida media del fotoblanqueo.

Aunque la aplicación de atrapamiento óptico y pinzas en biofotónica y física está muy bien establecida, su uso en química está mucho menos desarrollado. Aquí presentamos la naturaleza vectorial completa de la luz para mejorar la química basada en la luz dentro de una nueva trampa holográfica utilizando QD personalizados como ejemplo. Señalamos que la combinación de ensayos de fluorescencia basados ​​en perlas QD y pinzas ópticas se ha utilizado para la detección de analitos como el antígeno prostático específico, los genes del virus de la influenza aviar H5N1 y H7N9 con alta sensibilidad y límites de detección tan bajos como 1.0– 2,0 pM53,54,55. Las sondas QD sintetizadas en este trabajo, por lo tanto, tienen el potencial de actuar como sensores dentro de la configuración de pinzas ópticas para la detección de analitos (como contaminantes ambientales56,57,58) con mayor sensibilidad, una perspectiva futura emocionante.

En conclusión, hemos demostrado una configuración de pinzas ópticas que utiliza luz vectorial para atrapar y controlar las sondas fluorescentes QD. Describimos la química involucrada para funcionalizar microesferas de polímero con QD, destacando la importancia del control de tamaño, adhesión y aglomeración. La versatilidad del vector HOT se demostró cambiando entre haces escalares y vectoriales y atrapando partículas con diferentes tamaños de haz. Al atrapar con un haz plano superior vectorial invariante de propagación, demostramos el potencial de reducir el fotoblanqueo en una trampa óptica de una sola longitud de onda simplemente adaptando el paisaje de gradiente de intensidad.

Óxido de cadmio (CdO), octadec-1-eno (ODE), ácido oleico (OA), óxido de trioctilfosfina (TOPO), selenio (Se), óxido de zinc (ZnO), azufre (S), L-cisteína, N-( Se adquirieron clorhidrato de 3-dimetilaminopropil)-N'-etilcarbodiimida (EDC), N-hidroxisuccinimida (NHS), metanol y acetona de Sigma Aldrich (EE. UU.). El cloroformo, el etanol y el hidróxido de potasio (KOH) se adquirieron de Associated Chemical Enterprises (Sudáfrica). Se utilizó la línea base de gas argón 5.0 de Afrox (Sudáfrica). El agua desionizada utilizada durante las síntesis procedía de un sistema interno de agua desionizada Drawell Eco-Q (China). \(\hbox {Invitrogen}^{\text {TM}}\) 2 \(\mu\)m perlas de látex funcionalizadas con carboxilo se adquirieron de Thermo Fisher Scientific (Sudáfrica).

En primer lugar se prepararon soluciones precursoras de selenio (0,30 g Se, 1,94 g TOPO y 25 ml ODE), zinc (0,21 g ZnO, 10 ml OA y 15 ml ODE) y azufre (0,087 g S, 10 ml OA y 15 ml ODE). . Estas soluciones se agitaron a 40 \(^{\circ }\hbox {C}\) durante 5 h para asegurar una mezcla completa. La configuración de síntesis de QD incluía un matraz de fondo redondo de tres bocas equipado con un condensador, un termómetro y una entrada de gas argón colocada sobre una manta calefactora. Toda la reacción se realizó en condiciones de argón. Se añadieron al matraz 1,3 g de CdO, 50 ml de ODE y 30 ml de OA y se agitó vigorosamente a 260 \(^{\circ }\hbox {C}\) hasta que se formó una solución incolora que indicaba la formación del complejo Cd-OA. Se añadió el precursor de Se al matraz (25 ml) y se permitió que prosiguieran la nucleación y el crecimiento del núcleo durante 15 min a una temperatura de \(\sim 240\) \(^{\circ }\hbox {C}\) . El crecimiento epitaxial de la capa de ZnS alrededor del núcleo se inició añadiendo 10 ml del precursor de Zn y rápidamente después 10 ml del precursor S a la solución del núcleo. Se dejó crecer la cáscara durante 40 min a una temperatura de 240 \(^{\circ }\hbox {C}\). Después de 40 min, la reacción se enfrió a temperatura ambiente. Los QD se purificaron con metanol mediante centrifugación, lo que luego produjo QD hidrófobos de CdSe/ZnS rematados con OA y TOPO.

A continuación se llevó a cabo una reacción de intercambio de ligandos para funcionalizar la superficie de los QD de CdSe/ZnS con L-cisteína para hacerlos hidrofílicos. Se preparó una solución de 4,4 g de KOH, 60 ml de MeOH y 3 g de L-cisteína y se colocó en un baño ultrasónico durante 10 min para garantizar que se disolviera toda la L-cisteína. La solución hidrófoba de CdSe/ZnS QD se suspendió en cloroformo y se añadió a la solución de L-cisteína. Se añadió lentamente agua desionizada a la mezcla mientras se agitaba a temperatura ambiente, lo que cambió la solución naranja transparente a lechosa. Después de una hora de agitación, la solución se dejó reposar durante la noche para asegurar la completa separación de las fases orgánica y acuosa. Los QD rematados con L-cisteína, ahora en fase acuosa, se purificaron mediante centrifugación con etanol (\(\times 4\)) y acetona (\(\times 2\)). Fue necesaria una purificación rigurosa para eliminar el exceso de compuestos orgánicos de la superficie de los QD para lograr una solución de QD monodispersa sin aglomerados. Los espectros de absorbancia y FTIR de los productos QD se muestran en las figuras complementarias S6 y S7, respectivamente.

Para acoplar los QD cubiertos con L-cisteína a perlas de polímero de tamaño micro, se agregaron 2,5 ml de EDC (0,1 M) y 2,5 ml de NHS (0,1 M) a 50 \(\mu \hbox {l}\) del polímero. perlas (diluidas en 1 ml de agua) y agitadas durante 30 min en un baño de hielo para activar los grupos de ácido carboxílico en las perlas. El exceso de EDC se eliminó por centrifugación con agua desionizada. Después de centrifugar, las perlas activadas se repartieron en 4 ml de agua y se añadieron 3 mg de QD. Se dejó que la reacción de acoplamiento prosiguiera en un baño ultrasónico durante 2 h para garantizar un recubrimiento uniforme de los QD en las perlas. El producto acoplado se purificó por centrifugación con agua (\(\times 3\)) y se almacenó en agua desionizada en el frigorífico. Los espectros FTIR de las perlas etiquetadas con QD se muestran en la figura complementaria S8.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el presente estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

Ashkin, A. Aceleración y atrapamiento de partículas por presión de radiación. física Rev. Lett. 24, 156 (1970).

Artículo ADS CAS Google Académico

Volpe, G. et al. Hoja de ruta para pinzas ópticas. arXiv preprintarXiv:2206.13789 (2022).

Forbes, A., de Oliveira, M. & Dennis, MR Luz estructurada. Nat. Fotónica 15, 253–262 (2021).

Artículo ADS CAS Google Académico

Yang, Y., Ren, Y., Chen, M., Arita, Y. & Rosales-Guzmán, C. Trampa óptica con luz estructurada: una revisión. Adv. Fotónica 3, 034001 (2021).

Artículo ADS CAS Google Académico

Otte, E. & Denz, C. La captura óptica obtiene estructura: luz estructurada para manipulación óptica avanzada. aplicación física Rev. 7, 041308 (2020).

Artículo ADS CAS Google Académico

Grier, DG Una revolución en la manipulación óptica. Naturaleza 424, 810–816 (2003).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Dholakia, K. & Čižmár, T. Dando forma al futuro de la manipulación. Nat. Fotónica 5, 335–342 (2011).

Artículo ADS CAS Google Académico

Curtis, JE, Koss, BA & Grier, DG Pinzas ópticas holográficas dinámicas. Optar. común 207, 169–175 (2002).

Artículo ADS CAS Google Académico

Chapin, SC, Germain, V. & Dufresne, ER Captura, ensamblaje y clasificación automatizados con pinzas ópticas holográficas. Optar. Expreso 14, 13095–13100 (2006).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Woerdemann, M., Alpmann, C., Esseling, M. y Denz, C. Trampa óptica avanzada mediante forma de haz complejo. Fotónica láser Rev. 7, 839–854 (2013).

Artículo ADS CAS Google Académico

Malik, KS & Boruah, BR Velocidad de trampa óptima en una trampa óptica holográfica dinámica usando un modulador de luz espacial de cristal líquido nemático. J. Opt. 24, 034004 (2022).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Garcés-Chávez, V., McGloin, D., Melville, H., Sibbett, W. & Dholakia, K. Micromanipulación simultánea en múltiples planos utilizando un haz de luz autorreconstruido. Naturaleza 419, 145–147 (2002).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Zhao, Q. et al. Captura y manipulación de células individuales en entornos abarrotados. Frente. Bioing. Biotecnología. 8, 422 (2020).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Shahabadi, V., Madadi, E. y Abdollahpour, D. Microesferas de núcleo y cubierta antirreflectantes optimizadas para una captura óptica mejorada mediante haces de luz estructurados. ciencia Rep. 11, 1–10 (2021).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Baumgartl, J., Mazilu, M. & Dholakia, K. Limpieza de partículas mediada ópticamente usando paquetes de ondas aireadas. Nat. Fotónica 2, 675–678 (2008).

Artículo ADS CAS Google Académico

Suarez, RA, Neves, AA & Gesualdi, MR Trampa óptica con matriz de haces aéreos no difractantes utilizando pinzas ópticas holográficas. Optar. Tecnología láser. 135, 106678 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Liang, Y., Su, Y., Li, J. y Yang, C. Captura óptica de partículas Rayleigh basada en haces de vórtice gaussiano de cuatro pétalos. JOSA A 39, 1378–1384 (2022).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Suarez, RA, Ambrosio, LA, Neves, AA, Zamboni-Rached, M. & Gesualdi, MR Trampeo óptico experimental con ondas congeladas. Optar. Letón. 45, 2514–2517 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Friese, ME, Nieminen, TA, Heckenberg, NR y Rubinsztein-Dunlop, H. Alineación óptica y giro de partículas microscópicas atrapadas con láser. Naturaleza 394, 348–350 (1998).

Artículo ADS CAS Google Académico

Padgett, M. & Bowman, R. Pinzas con un giro. Nat. Fotónica 5, 343–348 (2011).

Artículo ADS CAS Google Académico

Arzola, AV, Chvátal, L., Jákl, P. & Zemánek, P. Spin to orbital light momentum conversion visualizada por la trayectoria de partículas. ciencia Reps. 9, 1–7 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Zhou, Y. et al. Rotación de micropartículas metálicas con un óptimo vórtice óptico perfecto polarizado radialmente. J. Opt. 24, 064003 (2022).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Rosales-Guzmán, C., Ndagano, B. & Forbes, A. Una revisión de campos de luz vectoriales complejos y sus aplicaciones. J. Opt. 20, 123001 (2018).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Quabis, S., Dorn, R., Eberler, M., Glöckl, O. & Leuchs, G. Enfoque de la luz en un punto más estrecho. Optar. común 179, 1–7 (2000).

Artículo ADS CAS Google Académico

Otte, E., Tekce, K. & Denz, C. Paisajes de intensidad personalizados mediante un enfoque estricto de haces vectoriales singulares. Optar. Expreso 25, 20194–20201 (2017).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Moradi, H., Shahabadi, V., Madadi, E., Karimi, E. y Hajizadeh, F. Trampa óptica eficiente con haces vectoriales cilíndricos. Optar. Expreso 27, 7266–7276 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Michihata, M., Hayashi, T. y Takaya, Y. Medición de la rigidez de atrapamiento axial y transversal de pinzas ópticas en el aire usando un haz polarizado radialmente. aplicación Optar. 48, 6143–6151 (2009).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Bhebhe, N., Williams, PA, Rosales-Guzmán, C., Rodriguez-Fajardo, V. & Forbes, A. Una trampa óptica holográfica vectorial. ciencia Rep. 8, 1–9 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Choudhary, D., Mossa, A., Jadhav, M. y Cecconi, C. Aplicaciones biomoleculares de desarrollos recientes en pinzas ópticas. Biomoléculas 9, 23 (2019).

Artículo PubMed Central Google Académico

Corsetti, S. & Dholakia, K. Manipulación óptica: Avances para la biofotónica en el siglo XXI. J. Biomédica. Optar. 26, 070602 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed Central Google Scholar

Hashemi Shabestari, M., Meijering, AE, Roos, WH, Wuite, GJ y Peterman, EJ Avances recientes en aplicaciones biológicas de moléculas individuales de pinzas ópticas y microscopía de fluorescencia. Métodos Enzymol. 582, 85–119 (2017).

Artículo CAS PubMed Google Académico

van Dijk, MA, Kapitein, LC, van Mameren, J., Schmidt, CF y Peterman, EJ Combinación de captura óptica y espectroscopia de fluorescencia de molécula única: fotoblanqueo mejorado de fluoróforos. J. física. química B 108, 6479–6484 (2004).

Artículo PubMed Google Académico

Diaspro, A., Chirico, G., Usai, C., Ramoino, P. & Dobrucki, J. Photobleaching. En Handbook of Biological Confocal Microscopy, 690–702 (Springer, 2006).

Ma, G. et al. Método híbrido simultáneo de una sola molécula mediante pinzas ópticas y fluorescencia. Nanotecnología. Resumen. Ing. 2, 145–156 (2019).

Artículo ADS CAS Google Académico

Bustamante, CJ, Chemla, YR, Liu, S. & Wang, MD Pinzas ópticas en biofísica de molécula única. Nat. Rev. Métodos Primers 1, 1–29 (2021).

Artículo Google Académico

Chuang, C.-Y., Zammit, M., Whitmore, ML & Comstock, MJ Pinzas ópticas de alta resolución combinadas y fluorescencia multicolor de una sola molécula con una línea de ensamblaje automatizada de una sola molécula. J. física. química A 123, 9612–9620 (2019).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Lang, MJ, Fordyce, PM & Block, SM Trampa óptica combinada y fluorescencia de molécula única. J. Biol. 2, 1–4 (2003).

Artículo Google Académico

Chen, Z., Cai, Z., Liu, W. & Yan, Z. Trampa y manipulación óptica para espectroscopía y microscopía de partículas individuales. J. Chem. física 157, 050901 (2022).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Brau, RR, Tarsa, PB, Ferrer, JM, Lee, P. & Lang, MJ Mediciones de fuerza-fluorescencia óptica entrelazada para la biofísica de una sola molécula. Biografía. j 91, 1069–1077 (2006).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Lee, S.-H. Integración óptima de iluminación de campo amplio y pinzas ópticas holográficas para microscopía multimodal con máxima flexibilidad y versatilidad. Optar. Expreso 26, 8049–8058 (2018).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Jeffries, GD et al. Uso de trampas de vórtice óptico en forma de polarización para nanocirugía unicelular. Nano Lett. 7, 415–420 (2007).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Pollari, R. & Milstein, JN Contabilización de la polarización en la calibración de pinzas ópticas axiales de haz de donut. PLoS ONE 13, e0193402 (2018).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Zhang, Z. & Milstein, J. Ampliación de la vida útil del fotoblanqueo en presencia de pinzas ópticas mediante ingeniería de frente de onda. J. Opt. 22, 095301 (2020).

Artículo ADS CAS Google Académico

Noh, M. et al. Apagado de la fluorescencia causado por la agregación de puntos cuánticos cdse solubles en agua. Colloids Surf., A 359, 39–44 (2010).

Artículo CAS Google Académico

De Silvestri, S., Laporta, P., Magni, V. y Svelto, O. Resonadores inestables de láser de estado sólido con espejos de reflectividad cónicos: el enfoque supergaussiano. IEEE J. Electrón cuántico. 24, 1172–1177 (1988).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Gori, F. Haces gaussianos aplanados. Optar. común 107, 335–341 (1994).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Bhebhe, N., Rosales-Guzman, C. & Forbes, A. Análisis clásico y cuántico de vigas planas vectoriales invariantes de propagación. aplicación Optar. 57, 5451–5458 (2018).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Rosales-Guzmán, C. & Forbes, A. How to Shape Light with Spatial Light Modulators (SPIE Press, Berlín, 2017).

Libro Google Académico

Neuman, KC & Block, SM Trampeo óptico. Rev. Sci. instrumento 75, 2787–2809 (2004).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Bartlett, P. & Henderson, S. Calibración de fuerza tridimensional de una trampa de gradiente óptico de haz único. J. Phys.: Condens. Asunto 14, 7757 (2002).

ADS CAS Google Académico

Harada, Y. & Asakura, T. Fuerzas de radiación en una esfera dieléctrica en el régimen de dispersión de Rayleigh. Optar. común 124, 529–541 (1996).

Artículo ADS CAS Google Académico

Gieseler, J. et al. Pinzas ópticas: desde la calibración hasta las aplicaciones: un tutorial. Adv. Optar. Fotón. 13, 74–241 (2021).

Artículo Google Académico

Cao, D. et al. Detección de genes de dos componentes para el virus H7N9: la combinación de captura óptica y ensayo de fluorescencia basado en microesferas. Biosens. Bioelectrón. 86, 1031–1037 (2016).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Cao, D. et al. Ensayo de fluorescencia basado en matriz de perlas asistida por atrapamiento óptico múltiple de antígeno prostático específico libre y total en suero. Sens. Actuadores, B Chem. 269, 143–150 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Li, C.-Y. et al. Detección de fluorescencia de secuencias de genes del virus H5N1 basada en pinzas ópticas con excitación de dos fotones utilizando un solo láser de pulso de nanosegundos de infrarrojo cercano. Anal. química 88, 4432–4439 (2016).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Nsibande, SA & Forbes, PB Detección de pesticidas por fluorescencia utilizando materiales de puntos cuánticos: una revisión. Anal. quim. Acta 945, 9–22 (2016).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Montaseri, H. & Forbes, PB Puntos cuánticos recubiertos de polímeros impresos molecularmente para la detección de fluorescencia de paracetamol. Mate. Hoy Comun. 17, 480–492 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Adegoke, O. & Forbes, PB Sonda de fluorescencia de nanocompuesto de óxido de grafeno de punto cuántico de núcleo/capa/capa cubierta con L-cisteína para la detección de hidrocarburos aromáticos policíclicos. Talanta 146, 780–788 (2016).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Descargar referencias

Los autores desean agradecer a la Dra. Valeria Rodríguez-Fajardo por su ayuda con el análisis de imágenes y la configuración óptica, así como al Dr. Sifiso A Nsibande por su ayuda con la síntesis inicial de puntos cuánticos. Este trabajo se basa en la investigación apoyada en parte por la Fundación Nacional de Investigación de Sudáfrica (Número de subvención: 122136).

Departamento de Química, Universidad de Pretoria, Pretoria, Sudáfrica

Ané Kritzinger y Patricia BC Forbes

Escuela de Física, Universidad de Witwatersrand, Johannesburgo, Sudáfrica

Andrés Forbes

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

AK realizó los experimentos, AF y PBCF supervisaron el proyecto. Todos los autores ayudaron con la interpretación de los datos y revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Patricia BC Forbes.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Kritzinger, A., Forbes, A. & Forbes, PBC Trampa óptica y control de fluorescencia con luz estructurada vectorial. Informe científico 12, 17690 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-21224-1

Descargar cita

Recibido: 01 Agosto 2022

Aceptado: 23 de septiembre de 2022

Publicado: 21 de octubre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-21224-1

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y Pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.