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Jan 20, 2024

Captura óptica e controle de fluorescência com luz estruturada vetorial

Relatórios Científicos volume 12,

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 17690 (2022) Citar este artigo

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Aqui nós funcionalizamos esferas de polímero em microescala com pontos quânticos em nanoescala e demonstramos captura e pinça óptica, com medição de fluorescência in-situ, em uma configuração totalmente digital e totalmente óptica. Descrevemos a química necessária para facilitar isso, desde a desativação do ambiente de captura óptica até o controle de tamanho, adesão e aglomeração. Apresentamos uma nova configuração de captura óptica holográfica que aproveita a luz estruturada vetorialmente, permitindo a entrega de formas sintonizáveis ​​de luz de puramente escalar a puramente vetorial, incluindo feixes de topo plano invariantes de propagação para iluminação uniforme e paisagens de gradiente de intensidade personalizadas. Por fim, mostramos como isso tem o potencial de extinguir o branqueamento em uma única armadilha de comprimento de onda por efeitos lineares (modo espacial) em vez de não lineares, avançando o campo nascente da óptica para a química.

A captura ou pinça óptica descreve a manipulação de partículas de tamanho nano a micro por meio da transferência de momento da luz fortemente focada. A pinça óptica foi demonstrada pela primeira vez por Arthur Ashkin em 1970 com um feixe gaussiano1 e meio século depois esse feixe ainda domina os experimentos de captura óptica2. No entanto, o emprego de luz estruturada3 (variando a intensidade, fase e polarização da luz) em pinças ópticas tornou possível não apenas capturar, mas também mover, girar e direcionar partículas. Essas armadilhas de luz estruturadas são uma técnica bem estabelecida hoje4,5 e como a maioria dos feixes estruturados são criados por meio de um holograma, eles foram apelidados de pinças ópticas holográficas (HOTs)6,7.

Com HOTs, uma matriz de armadilhas pode ser criada para capturar várias partículas simultaneamente, podendo alterar dinamicamente esse padrão de matriz, permitindo a manipulação altamente controlada de partículas8,9,10,11. Feixes estruturados que se reconstroem após serem distorcidos por uma partícula aprisionada (feixes de Bessel) permitiram o aprisionamento em vários planos12, enquanto o feixe de Bessel de campo distante pode ser usado como um escudo óptico auxiliando no aprisionamento em ambientes lotados13. Feixes de luz estruturados não apenas mostraram aumentar a força da armadilha14, mas feixes Airy, por exemplo, podem guiar uma partícula ao longo de uma certa trajetória, permitindo a remoção seletiva de partículas em uma amostra15,16; com feixes de pétalas é possível capturar partículas com diferentes índices de refração simultaneamente17 e ondas congeladas podem aumentar a estabilidade e o controle 3D da armadilha18. O fato de que a luz carrega momento linear é bem conhecido e é a razão pela qual a luz pode prender partículas, no entanto, a luz também pode carregar momento angular orbital (OAM), como feixes Laguerre-Gaussian (LG). Ao empregar esses feixes portadores de OAM, pinças ópticas também ganham controle rotacional de partículas19,20,21,22.

Até agora, a pesquisa do HOT concentrou-se principalmente em feixes estruturados modulados em amplitude e fase - chamados de feixes escalares. Por outro lado, os feixes vetoriais também são estruturados em polarização, o que significa que eles têm um padrão de polarização variável espacialmente. A captura com feixes vetoriais é a via mais recente de luz estruturada explorada em pinças ópticas e já provou ser benéfica para a comunidade de captura4,5,23. O feixe vetorial radialmente polarizado, por exemplo, é famoso por atingir o menor tamanho de ponto quando fortemente focado24,25, esta propriedade tem sido usada para criar armadilhas ópticas axiais mais fortes26,27. O primeiro HOT vetorial foi demonstrado por Bhebhe et al.28, que permitiu o aprisionamento óptico com uma matriz dinâmica de feixes vetoriais e/ou escalares.

O uso de luz estruturada em pinças ópticas tornou-a uma técnica poderosa, além disso, a combinação dessa ferramenta com a espectroscopia de fluorescência tornou possível não apenas exercer forças sobre uma partícula, mas também observar mudanças químicas e estruturais de moléculas dentro da armadilha. Por esta razão, pinças ópticas combinadas com fluorescência de molécula única é uma ferramenta inestimável e pioneira na pesquisa de biologia hoje29,30,31. A integração da microscopia de fluorescência em pinças ópticas não é, no entanto, trivial, uma vez que a luz de aprisionamento tem uma intensidade de até seis ordens de grandeza superior à da luz de excitação usada em experimentos de fluorescência32. O aprisionamento de luz de alta intensidade resulta em fotobranqueamento dos fluoróforos, que é um processo irreversível pelo qual os fluoróforos se tornam não fluorescentes33. Embora não totalmente compreendido, o fotobranqueamento geralmente ocorre quando elétrons já excitados continuam a absorver fótons e a dissociação resultante leva à perda permanente do sinal de fluorescência34. A solução mais popular para minimizar o fotobranqueamento em pinças ópticas é usar duas fontes diferentes - um laser não ressonante de alta intensidade para captura e uma fonte ressonante de baixa intensidade para excitação34,35. Essas duas fontes são então separadas no espaço36,37,38 ou no tempo39,40. Poucas pesquisas investigaram a possibilidade de usar luz estruturada para ajudar na integração da espectroscopia de fluorescência em pinças ópticas, e nenhuma até o momento explora a natureza vetorial da luz estruturada, grupos apenas investigaram o uso de um vórtice ou feixe de aprisionamento 'rosquinha' para reduzir o fotobranqueamento41, 42,43. Recentemente, Zhang e Milstein mostraram que o tempo de vida de fotobranqueamento de um corante orgânico posicionado 1 \(\upmu \text{m}\) abaixo do centro da armadilha pode ser estendido por captura com um feixe de vórtice, enquanto ainda usa captura separada e fontes de excitação43.