Mecanismo de trabalho de rotação fora do plano acionada por luz de rotores de micro/nanoescala. (A) Um esquema simplificado que ilustra a configuração experimental e operação para OTER de micro/nanopartículas. (B) Mecanismo de trabalho do OTER:(i) No campo de temperatura não uniforme, íons Na+ e Cl− e moléculas de PEG se difundem para a região fria. As setas amarelas indicam forças de depleção discretas (FDi) atuando no rotor, que levam a uma força de depleção total (FD) em (iv). (ii) Um campo TE é criado pela separação dos íons Na+ e Cl− devido aos seus diferentes coeficientes de termodifusão. As setas cinza indicam a direção do campo TE. (iii) O campo de temperatura também afeta a dissociação de grupos de funções carboxílicas, portanto, as cargas superficiais no substrato. (iv) Forças optotérmicas e torque no rotor:No estado estacionário, a distribuição do gradiente das moléculas de PEG gera uma força atrativa de depleção (FD) na partícula. Uma força repulsiva (FTE) é gerada a partir do campo TE. Uma força termoeletrocinética (FEK) é do substrato plasmônico revestido com ácido 11-mercaptoundecanóico com carga superficial termo-responsiva não uniforme (de -65 a -58 mV). A carga superficial da maioria das partículas também varia com a temperatura devido aos seus grupos ácidos ionizados na superfície. Por exemplo, a carga superficial local de uma partícula de poliestireno funcionalizado carboxílico (PS) varia de -55 a -49 mV. Os símbolos “-” indicam as distribuições dependentes da temperatura de cargas negativas na superfície da partícula e do substrato. Os regimes de luz irradiada com a temperatura mais alta apresentam a densidade de carga mais baixa. Um torque líquido, MEK, pode ser gerado na partícula em uma determinada posição onde um equilíbrio é alcançado entre FD, FTE e FEK. A potência óptica é de 78,4 μW. O ponto vermelho marca o centróide da partícula. Crédito:Avanços Científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abn8498
A rotação fundamental de micro e nano-objetos é crucial para a funcionalidade de micro e nanorobótica, bem como sistemas de imagem tridimensional e lab-on-a-chip. Esses métodos de rotação óptica podem funcionar sem combustível e remotamente e, portanto, são mais adequados para experimentos, enquanto os métodos atuais exigem feixes de laser com perfis de intensidade projetados ou objetos com formas sofisticadas. Esses requisitos são desafiadores para configurações ópticas mais simples com rotação acionada por luz de uma variedade de objetos, incluindo células biológicas.
Em um novo relatório agora publicado em
Science Advances , Hongru Ding e uma equipe de pesquisa em engenharia e ciência de materiais da Universidade do Texas em Austin, EUA, desenvolveram uma abordagem universal para a rotação fora do plano de vários objetos com base em um feixe de laser arbitrário de baixa potência. Os cientistas posicionaram a fonte de laser longe dos objetos para reduzir os danos ópticos da iluminação direta e combinaram o mecanismo de rotação via acoplamento optotérmico com experimentos rigorosos, acoplados a simulações em multiescala. A aplicabilidade geral e a biocompatibilidade da plataforma de rotação acionada por luz universal são fundamentais para uma variedade de aplicações científicas e de engenharia.
Rotação opto-termoelétrica Ao regular a rotação de objetos em micro e nanoescala, os pesquisadores comprovaram funcionalidades eficazes em nano cirurgias precisas, fricção a vácuo e controle de fluxo microfluídico. Micro e nanorotores acionados por luz são uma opção promissora sem combustível, embora esses dispositivos tenham permanecido desafiadores porque precisam de ópticas mais simples e de baixa potência para obter rotação acionada por luz. Ding et al propuseram a rotação opto-termoelétrica (OTER) neste novo trabalho, para gerar força eletrocinética, força de depleção e força elétrica com base em óptica simples e de baixa potência.
A equipe de pesquisa conseguiu a rotação de micro e nanopartículas homogêneas e esfericamente simétricas por meio de um único feixe de laser gaussiano posicionado longe dos rotores, para reduzir os danos causados pela iluminação direta da luz. Ao combinar os experimentos com simulações em multiescala, eles revelaram rotação optotérmica por meio de interações eletrocinéticas entre micro e nanopartículas e o substrato com carga superficial termo-responsiva. Como prova de conceito, a equipe mostrou como a estratégia OTER pode girar objetos de diferentes tamanhos, materiais e formas para regular a luz incidente e a química da superfície.
Caracterização óptica in situ da rotação fora do plano acionada pela luz de uma micropartícula esférica. (A) (i) Ilustração esquemática da rotação fora do plano de uma partícula PS esférica (ou seja, rotor) em torno de um eixo paralelo ao substrato. O feixe de laser, que se propaga perpendicularmente ao substrato, aquece a região do substrato próxima à partícula. A partícula é suspensa em uma solução de 5% PEG/5% PBS cobrindo o substrato. As duas esferas vermelhas são nanopartículas fluorescentes para a visualização da mudança de orientação do rotor sob um microscópio de epifluorescência. O plano focal do microscópio óptico está cerca de 1 μm acima do substrato. (ii a vi) Imagens de fluorescência sucessivas de uma partícula PS rotativa de 2,8 μm. Inserções são ilustrações esquemáticas das orientações do rotor com duas nanopartículas fluorescentes como marcadores. Experimentalmente, duas nanopartículas PS fluorescentes de 40 nm (de diâmetro) foram anexadas ao rotor através da ligação estreptavidina-biotina. O ponto vermelho no lado direito do rotor marca a posição do feixe de laser de condução. Barra de escala, 2 μm. (B) Intensidade de fluorescência dependente do tempo medida a partir do rotor e seus arredores conforme marcado em (iii) de (A). A rotação fora do plano do rotor leva à flutuação periódica da intensidade de fluorescência. Os picos de intensidade aparecem quando a rotação leva a ambas as nanopartículas fluorescentes no plano focal do microscópio óptico. a.u., unidades arbitrárias. Crédito:Avanços Científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abn8498
Mecanismo de ação de rotores universais movidos a luz Os pesquisadores ilustraram a configuração experimental e o mecanismo de trabalho do OTER – onde um feixe de laser gerava forças optotérmicas nas partículas. Ding et al adaptaram a força líquida e o torque por meio da potência do laser e da distância da partícula do laser para rotação fora do plano dos micro e nano-objetos. Eles então direcionaram o feixe de laser para um substrato de absorção de luz, como um filme de ouro poroso, para estabelecer um campo de temperatura adaptável em microssegundos.
A fim de gerar optothermicamente as forças e o torque necessários para a rotação estável do rotor, Ding et al adicionaram moléculas de polietilenoglicol (PEG) e solução salina tamponada com fosfato em água e funcionalizaram o substrato com monocamadas de alcanotiol terminadas com ácido carboxílico. Após a iluminação a laser, a equipe conseguiu um aumento de temperatura para criar um campo termoelétrico na presença de íons para acionar a termoeletroforese do rotor carregado. Eles exploraram o gradiente de carga superficial no substrato para fornecer uma força eletrocinética optotermicamente ajustável, conhecida como força termoelétrica.
Análise quantitativa e modelagem de OTER de rotores esféricos simples. (A) magnitudes simuladas de força de depleção e força TE ao longo do eixo x em uma partícula PS de 2,8 μm em função da distância PL em uma solução de 5% PEG/5% PBS. Conforme marcado pela linha tracejada, um equilíbrio entre a força de depleção e a força TE (ou seja, força líquida zero) é alcançado a uma distância PL crítica de 2,1 μm. Detalhe:Ilustração esquemática da análise de força para o rotor acionado por luz no plano xz. Os círculos vermelho e branco representam o ponto do laser e o rotor, respectivamente. (B) Torque simulado (MEK) atuando no rotor em função da distância PL. O torque na distância PL crítica (2,1 μm) é de cerca de 1,6 pN·nm. Crédito:Avanços Científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abn8498
Caracterizando e modelando a rotação opto-termoelétrica Ding et al estudaram o comportamento de rotação de rotores movidos a luz usando microscopia óptica. Eles adquiriram um melhor exame do comportamento de rotação ao rotular uma micropartícula de poliestireno com duas nano-esferas fluorescentes com ligação estreptavidina-biotina para a rotação fora do plano da partícula acionada por um laser. A rotação fora do eixo observada protegeu os rotores delicados, incluindo células vivas de danos causados pela iluminação óptica de alta potência. A equipe incorporou ainda análise de elementos finitos, dinâmica molecular e simulações de domínio de tempo de diferença finita para analisar as forças de trabalho de rotores opto-termoelétricos. Os cientistas calcularam as forças e torques optotérmicos que atuam no rotor em função da distância partícula-laser e conduziram uma série de experimentos e simulações para entender o impacto da força eletrocinética, força de depleção e força termoelétrica ajustando a carga superficial do substrato e componentes da solução.
Aplicabilidade geral do OTER a uma variedade de rotores com diversas formas, tamanhos e materiais. (A) Imagens de fluorescência sucessivas de uma partícula de PS rotativa de 1 μm marcada por nanopartículas fluorescentes para a visualização de rotação. (B) Imagens ópticas sucessivas de uma partícula de 500 nm PS/Au Janus em rotação. (C) Imagens ópticas de campo escuro sucessivas de uma partícula de 300 nm PS/Au Janus em rotação. (D) Intensidade RGB em tempo real das imagens ópticas de campo escuro da partícula Janus. O retângulo de traço branco em (C) marca a área selecionada a partir da qual a intensidade RGB é gravada. (E) Imagens ópticas sucessivas de uma célula de levedura em rotação. (F) Imagens ópticas sucessivas de um B. subtilis em rotação. (G) Imagens ópticas sucessivas de um dímero rotativo composto por duas partículas de sílica de 2 μm. “ON” e “OFF” indicam que o feixe de laser está ligado e desligado, respectivamente. (H) Imagens ópticas sucessivas de um trímero rotativo composto por três partículas PS de 1 μm. As linhas tracejadas e as setas pretas representam os eixos e direções de rotação, respectivamente. Barras de escala, 1 μm (A, B, E, F e H), 500 nm (C) e 2 μm (G). Soluções, 15% PEG/5% PBS (A a C, G e H) e 5% PEG/5% PBS (E e F). Crédito:Avanços Científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abn8498
Aplicações de OTER Ding et al mostraram o impacto do OTER em células biológicas e partículas sintéticas de diversos materiais, tamanhos e formas. Eles exibiram a rotação de rotores em nanoescala, como partículas Janus de poliestireno-ouro, usando microscopia óptica de campo escuro. O método OTER também é aplicável a células vivas, incluindo cepas vivas de fungos, bactérias e até células humanas em meios de cultura de células contendo íons. Além disso, o método é adequado para rotores com arquiteturas complexas, incluindo rotação fora do plano de dímeros, trímeros e hexâmeros de partículas. Usando o método, Ding et al prevêem a regulação precisa do rotor e do feixe de laser para realizar o perfil 3D de células biológicas e partículas sintéticas de alta resolução.
Perspectivas Desta forma, Hongru Ding e colegas aproveitaram a termodifusão de íons e moléculas em soluções para desenvolver uma carga termorresponsiva em interfaces sólido-líquido. A estratégia opto-termoelétrica permitiu a rotação de objetos em micro e nanoescala em um ambiente líquido com ótica simples e de baixo consumo. O método é superior às técnicas convencionais existentes com aplicabilidade universal para sensoriamento de imagens e aplicações biomédicas. A equipe espera que a abordagem optotérmica desempenhe um papel significativo em estudos biológicos in vitro para girar células e partículas sintéticas em biofluidos nativos com íons e biomoléculas.
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