البصرية محاصرة من الجسيمات النانوية

الهدف العام من هذا الإجراء هو إنشاء نظام حبس بصري بفتحة (aperture optical trapping) لحبس جسيمات يبلغ حجمها حوالي 20 نانومتر. ولتحقيق ذلك، يتم إضافة كاشف إلى نظام حبس بصري بالليزر موجود مسبقاً لتمكين عملية القياس. بعد ذلك، يتم توزيع محلول الجسيمات النانوية المراد قياسه في غرفة مائعية دقيقة تحتوي على مصيدة ثنائية الثقوب النانوية، ثم تُحمَّل الغرفة على نظام الحبس البصري.

عندما تدخل جسيمة في الفتحة المضاءة، يزداد نفاذ الضوء بشكل كبير بسبب التحميل العازل. وإذا حاولت الجسيمة مغادرة الفتحة، فإن انخفاض النفاذ يؤدي إلى تغيير في الزخم باتجاه الخارج من الثقب، ووفقاً لقانون نيوتن الثالث، ينتج عن ذلك قوة تسحب الجسيمة عائدة إلى الثقب مما يؤدي إلى احتجازها. وتتسبب الجسيمة في إزاحة حمراء لمنحنى النفاذ، وهو ما يمكن مراقبته.

وبناءً على ذلك، يمكن أن يصبح المصيدة بمثابة مستشعر. وفي نهاية المطاف، يمكن الحصول على نتائج تظهر أحداث احتجاز الجسيمات النانوية، بما في ذلك عملية تفكك البروتينات المحتجزة، كما يتضح من التغيرات في شدة الليزر عبر الثقب النانوي المزدوج. وتكمن الميزة الرئيسية لهذه التقنية مقارنة بالطرق الحالية، مثل الاحتجاز البصري بقوة التدرج، في قدرتها على احتجاز جسيمات نانوية أصغر وبشدة ليزر أقل.

يمكن لهذه الطريقة أن تساعد في الإجابة على أسئلة رئيسية في الكيمياء الحيوية، مثل كيفية طي البروتينات المفردة وتفاعلها، وكيفية إصابة الجسيمات الفيروسية للخلايا الحية؟ وبشكل عام، قد يواجه الأفراد صعوبة في تطبيق هذه الطريقة نظراً لصعوبة دمج الثقب النانوي المزدوج في نظام احتجاز ليزري موجود. يعتمد إعداد الاحتجاز البصري على مجموعة الملاقط البصرية من Thor Lab، والمجهزة بوحدة قياس القوة.

يُستخدم صمام ثنائي ضوئي انهياري لاستبدال كاشف الربع في وحدة قياس القوة. عند إعداد نظام الاحتجاز الضوئي، يجب ارتداء واقي العينين في كل مرة يكون فيها الليزر قيد التشغيل. تأكد من بقاء الشعاع ضمن منطقة آمنة من خلال العمل في غرفة مغلقة وحصر الشعاع داخل إعداد الاحتجاز قدر الإمكان، كما يجب تجنب ارتداء المجوهرات العاكسة.

يتم ارتداء قفازات اللاتكس. ولضمان نظافة الجهاز البصري، يتم تجهيز مجموعة الملاقط الضوئية ووحدة قياس القوة. ووفقاً لتعليمات الشركة المصنعة، فإن مجموعة الملاقط الضوئية المجمعة تعتمد تصميماً مجهرياً ضوئياً مقلوباً وتتكون مما يلي: ليزر حبس، وعدسة شيئية غمر زيتي 100 x، ومنصة تحديد مواقع العينة ثلاثية المحاور، وكاميرا CCD.

يرجى ملاحظة أن الحماية من التفريغ الكهروستاتيكي مستحسنة عند التعامل مع صمامات الليزر الثنائية. تتيح وحدة قياس القوة معايرة الملاقط الضوئية باستخدام الكشف الموضعي للمستوى البؤري الخلفي للمكثف. ويُستخدم صمام ثنائي ضوئي انهياري (avalanche photo DDE) قائم على السيليكون أو صمام ثنائي ضوئي (PD) بدلاً من وحدات قياس القوة.

قم بتوصيل مرشح مقاومة-مكثف أو مرشح RC لكاشف موضع الربع، وذلك باستخدام مقاومة بقيمة 200 kilo oh ومكثف بقيمة 100 picofarad. يُستخدم هذا المرشح لتقليل الضوضاء عالية التردد وتسهيل رصد أحداث الاحتجاز على راسم الإشارات (oscilloscope). استخدم كبلاً محورياً لتوصيل مرشح RC بعد كاشف A PD. ثم استخدم كابلات محورية ومحول T لتوصيل راسم الإشارات ووحدة الحصول على البيانات بمرشح RC.

أصبح النظام الآن جاهزاً لتحميل العينة. تتكون فتحة الثقب النانوي المزدوج من ثقبين نانويين تم حفرهما في غشاء من الذهب بواسطة شعاع أيوني مركز. يبلغ سمك الغشاء 100 nanometers وهو مدعوم بركيزة زجاجية.

تتداخل الثقوب النانوية لإنتاج نتوئين حادين. وسيتم احتجاز الجسيمات النانوية في الفجوة الموجودة بين هذين النتوئين بواسطة ضوء الليزر الساقط على الثقب النانوي المزدوج.

يجب أيضاً خرط سمات تسجيل كبيرة في الغشاء المعدني للمساعدة في تحديد موقع الثقب النانوي المزدوج تحت المجهر الضوئي. يجب أن تبعد هذه السمات حوالي 100 microns عن الثقب النانوي المزدوج. صب 10 grams من قاعدة poly dimethyl suboxane أو PDMS وغراماً واحداً من عامل المعالجة في كوب مخصص للاستخدام لمرة واحدة، ثم اخلط المزيج لبضع دقائق.

بعد ذلك، قم بتفريغ الخليط في غرفة تفريغ حتى تختفي جميع الفقاعات. بعد ذلك، صب 1.5 grams من PDMS في طبق بتري بقطر تسعة سنتيمتر. قم بطلاء PDMS بطريقة الطلاء الدوراني على قاع طبق بتري بسرعة 950 RPM لمدة 65 seconds بعد البدء بالدوران.

لا تُعد السماكة أمراً حرجاً طالما أنها أقل من 80 ميكرون. ضع بلطف من ثلاث إلى خمس شرائح غطاء من رقم 1.5 فوق الـ PDMS بحيث لا تتداخل، ثم قم بالتفريغ لمدة 30 دقيقة.

إذا تحركت أغطية الشريحة وانزلقت أثناء عملية التفريغ وتراكمت فوق بعضها البعض، قم بتحريكها عن بعضها البعض برفق. تأكد من الحفاظ على طبقة PDMS تحت أغطية الشريحة رقيقة ومنتظمة. بعد ذلك، قم بتفريغ طبق بتري مرة أخرى لمدة 30 دقيقة.

أخرج طبق بتري من غرفة التفريغ وسخنه على لوح تسخين لمدة 20 دقيقة عند 85 درجة مئوية لمعالجة الـ PDMS. بمجرد أن يتصلب الـ PDMS، استخدم شفرة حلاقة للقطع على طول حواف إحدى شرائح الغطاء. بعد ذلك، استخدم ملاقط دقيقة الرأس أو شفرة لرفع الشريحة برفق، حيث ستلتصق طبقة رقيقة من الـ PDMS بشريحة الغطاء.

ضع غطاء الشريحة الزجاجية المزود بـ PDMS في طبق بتري جديد. ثم باستخدام شفرة حلاقة، قم بقطع نافذة بمقاس 3 mm في 3 mm في الـ PDMS. ستشكل هذه النافذة الغرفة التي سيُحفظ فيها محلول الجسيمات النانوية.

استخدم قاطع ليزر لتصنيع حامل شرائح مجهرية من الأكريليك به ثقب بقطر ثلاثة أرباع بوصة في المركز. قم بتغطية محيط الثقب بشريط لاصق مزدوج الوجه. استخدم شفرة حلاقة لإزالة أي زيادات من الشريط اللاصق.

ضع شريحة المجهر المُصنعة على إحدى شرائح التغطية المطلية بـ PDMS والمجهزة مسبقاً بحيث تكون طبقة PDMS محصورة بين الزجاج والأكريليك. وباستخدام ماصة دقيقة، أضف بضع قطرات من محلول كرات البوليسترين النانوية بتركيز 0.05%weight per volume إلى نافذة PDMS.

أضف قطرة واحدة فوق الغشاء الذهبي حيث توجد الثقوب النانوية. ضع العينة الذهبية فوق شرائح التغطية بحيث تكون الثقوب النانوية داخل نافذة الـ PDMS. تأكد من عدم وجود فقاعات داخل الحجرة.

ثم اضغط عينة الذهب مقابل الغطاء. قم بسحب ومسح أي محلول زائد نظراً لاستخدام عدسة شيئية غمر زيتية. أضف قطرة من الزيت على الجانب الآخر من الغطاء الزجاجي فوق نافذة PDMS.

لاحظ موقع الثقوب النانوية. أدخل الشريحة في حامل الشرائح بحيث يكون الزيت متجهًا للأسفل، ثم اخفض حامل الشرائح حتى يتلامس زيت الغمر مع المجهر.

الهدف هو محاذاة منصة الشريحة تقريبياً بحيث تكون علامات التسجيل المحفورة في غشاء الذهب أسفل الشيئية. باستخدام برنامج الحصول على الصور مثل Thor site، المضمن كجزء من مجموعة الاحتجاز، ابحث عن علامات التسجيل الموجودة على غشاء الذهب واتبع خطوط المؤشر وصولاً إلى الثقوب النانوية.

ضع الشريحة بحيث تكون علامات المؤشر والمساحات المفتوحة الأخرى بعيدة عن مركز الشاشة. قد يؤدي النفاذ المفرط للضوء إلى تلف الـ A PD؛ قم بتشغيل الليزر. ونظراً لأن المرآة ثنائية اللون ليست مثالية، فمن المفترض أن تظهر بقعة بالقرب من مركز الشاشة ناتجة عن شعاع الليزر.

باستخدام برنامج التحكم في منصة البيزو، يتم تدقيق المحاذاة بشكل أكبر على المحاور الثلاثة كافة. وعندما تكون المحاذاة صحيحة، سيتم رصد أقصى جهد لـ PD، مما يشير إلى أعلى نفاذية عبر الفتحة النانوية.

بعد إعداد النظام وتحميل العينة، يمكن البدء في الحصول على بيانات الاحتجاز البصري. وبمساعدة علامات المؤشر، قم بوضع البقعة بالقرب من موقع ثقب نانوي معروف. ستكون الثقوب النانوية المزدوجة صغيرة جداً بحيث لا يمكن تمييزها بوضوح، وستظهر كنقاط صغيرة على الشاشة.

يُشار إلى نفاذية الضوء عبر العينة من خلال مستوى الإشارة على جهاز راسم الإشارات (oscilloscope). قم بمزيد من المحاذاة للعينة من أجل تحقيق أقصى قدر من نفاذية الضوء. توخَّ الحذر من علامات المؤشر والخدوش المرئية وغير المرئية لأن نفاذية الضوء ستكون عالية في هذه المناطق، بينما ستُظهر الثقوب النانوية قفزات مفاجئة في نفاذية الضوء مقارنة بالخدوش.

أحدث تغييرات أكثر تدريجياً باستخدام صفيحة الموجة. اضبط استقطاب الضوء لتحقيق أعلى نفاذية للضوء نظراً لأن بنية الثقوب النانوية المزدوجة مستقطبة. وللحصول على البيانات، قم بأخذ عينات من جهد الـ APDs باستخدام وحدة الحصول على البيانات للفترة الزمنية المطلوبة.

تكون أوقات الاستحواذ عادةً في حدود مئات الثواني. في هذه الحالة، يتم استخدام برنامج مخصص لاستحواذ البيانات ويتم أخذ عينات الجهد بمعدل 2000 مرة في الثانية. باستخدام MATLAB، قم بتصفية البيانات المستحوذ عليها باستخدام مرشح KY Gole وقم برسمها مقابل الزمن على رسم بياني لإظهار احتجاز جسيمات البوليسترين النانوية بحجم 20 nanometer، حيث تم قياس النفاذية عبر الثقب النانوي المزدوج كدالة في الزمن.

بعد ذلك، تم رسم مخطط للنقل الضوئي باستخدام كاشف ضوئي (PD). بمرور الوقت، يتسم حدث الاحتجاز بأنه مفاجئ وبحافة حادة تظهر تحولاً واضحاً بين مستويين من قدرة النقل كما هو موضح في هذا المثال، وغالباً ما تحدث زيادة في ضوضاء الإشارة في حالة الاحتجاز. وتنتج هذه الزيادة في الضوضاء عن الحركة البراونية للجسيم المحتجز.

لاحظ أنه في حالة عدم وجود جسيم محتجز، فإن مصدر الضوضاء هذا لا يكون موجوداً. قد تظهر بعض الشوائب في النتائج التي لا تشير إلى أحداث الاحتجاز. يجب استبعاد النتائج التي تظهر انزياحاً يظهر على شكل تغيرات بطيئة في النفاذية على مدى عدة دقائق كما هو موضح هنا. بعد اتباع هذا الإجراء، يمكن إجراء طرق أخرى مثل مطيافية رامان والمطيافية الفلورية من أجل الإجابة على أسئلة إضافية حول طبيعة الجسيم النانوي المحتجز بعد تطويره.

لقد مهدت هذه التقنية الطريق للباحثين لدراسة الجسيمات النانوية ذات الصلة بيولوجيًا على مستوى الجزيء الواحد؛ على سبيل المثال، لاستشعار ارتباط البروتين ودراسة العدوى الفيروسية، وكلاهما على مستوى الجزيء الواحد. بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية دمج مصيدة بصرية مزدوجة من نوع nho في نظام ليزر T مجهري مقلوب لاحتجاز الجسيمات النانوية المفردة.