Лазерное вращение плавающих образцов: новый метод 3D-микроскопии высокого разрешения

Бесконтактное вращение микроскопических образцов с помощью одного лазерного луча стало возможным благодаря новой методике, разработанной физиками из Университета Монаша (Австралия) и Университета Париж-Сакле (Франция). Технология использует термовязкие потоки, возникающие при нагреве жидкости лазером, чтобы аккуратно поворачивать плавающие частицы, включая живые клетки, без механического воздействия. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications, и они обещают упростить трёхмерную микроскопию, сделав её более доступной и безопасной для хрупких биологических объектов.

Принцип действия: термовязкие потоки вместо пинцета

В основе метода лежит явление, известное как термовязкое течение. Когда инфракрасный лазерный луч фокусируется на границе раздела жидкости и воздуха, он локально нагревает воду, создавая градиент температуры. Этот градиент вызывает конвекционные потоки — так называемое течение Марангони, которое возникает из-за разницы поверхностного натяжения. В результате жидкость начинает двигаться, увлекая за собой плавающие микрообъекты.

Учёные показали, что одного лазерного луча достаточно, чтобы не только захватить образец, но и контролировать скорость его вращения, а также положение и ориентацию. В экспериментах с полистирольными микросферами и биологическими клетками вращение достигало нескольких оборотов в секунду, а точность позиционирования составляла доли микрона. При этом образцы не повреждались, так как лазер работает в инфракрасном диапазоне с умеренной мощностью.

Как лазер вращает образец без касания?

Ключевой элемент — фокусировка луча на границе вода-воздух внутри капли. Поглощение света вызывает локальный нагрев, который изменяет поверхностное натяжение. Возникающее течение Марангони создаёт вихревые потоки, которые захватывают плавающую частицу и заставляют её вращаться. Скорость вращения легко регулируется мощностью лазера: от нескольких милливатт для медленного поворота до десятков милливатт для быстрого вращения. Метод не требует специальной маркировки образца или добавления вспомогательных частиц — достаточно, чтобы объект плавал на поверхности.

Преимущества перед традиционными методами

Традиционные подходы к 3D-микроскопии, такие как конфокальная микроскопия или электронная микроскопия, требуют либо механического вращения образца, либо сложных сканирующих систем. Механическое вращение может повредить хрупкие биологические клетки, а сканирование часто имеет ограниченное разрешение по глубине. Оптический пинцет позволяет захватывать и перемещать микрообъекты, но для вращения обычно нужны специальные структуры на образце или многолучевые системы.

Новый метод использует только один лазерный луч и естественные термовязкие потоки, что значительно упрощает реализацию. Он работает при меньших плотностях мощности, чем оптический пинцет, что снижает риск повреждения образца. Кроме того, метод подходит для частиц произвольной формы, а не только сферических, что расширяет область применения.

Технические детали установки

Экспериментальная установка включает лазер с длиной волны 1064 нм (инфракрасный), объектив микроскопа с высоким увеличением и систему визуализации. Лазерный луч фокусируется на границе раздела с помощью того же объектива, который используется для наблюдения. Термовязкие потоки генерируются при мощности от нескольких милливатт до десятков милливатт. Вращение образца регистрируется высокоскоростной камерой, что позволяет отслеживать динамику в реальном времени.

По сравнению с оптическим пинцетом, который требует сложной калибровки и может повредить образец из-за высоких градиентов интенсивности, новый метод обеспечивает более щадящий захват. Он также позволяет вращать образцы произвольной формы, что важно для биологических объектов с неправильной геометрией.

Применение в биологии и медицине

Новая технология открывает возможности для трёхмерной визуализации клеток, органелл и микроорганизмов без их повреждения. Это позволит изучать морфологию клеток в естественном состоянии, наблюдать динамические процессы, такие как деление клеток или движение внутриклеточных структур, и проводить диагностику заболеваний на клеточном уровне. Например, вращая клетку, можно получить её полную 3D-модель с высоким разрешением, что полезно для выявления раковых изменений.

Для разработчиков микроскопов метод предлагает путь к созданию более простых и дешёвых систем 3D-визуализации. В долгосрочной перспективе технология может быть интегрирована в микрофлюидные устройства для сортировки и анализа клеток, где бесконтактное вращение позволит быстро оценивать морфологию множества образцов.

Какие биологические образцы можно изучать с помощью лазерного вращения?

Метод подходит для любых плавающих микрообъектов, включая клетки крови, бактерии, дрожжи, а также искусственные микросферы. Особенно ценным он может быть для изучения клеток в их естественной жидкой среде, например, в культуральной среде или биологических жидкостях. Поскольку вращение происходит без механического контакта, клетки остаются жизнеспособными, что позволяет проводить длительные наблюдения.

Перспективы развития

Исследователи планируют улучшить контроль над вращением, в частности, реализовать вращение вокруг нескольких осей и комбинировать с другими методами микроскопии, такими как флуоресцентная микроскопия. Это позволит получать ещё более детальные 3D-изображения. Также ведутся работы по адаптации метода для работы с образцами, погружёнными в жидкость, а не только плавающими на поверхности. В ближайшие годы можно ожидать появления коммерческих прототипов, которые будут использоваться в биологических лабораториях.

Итог

Лазерное вращение на основе термовязких потоков — это простой и эффективный способ бесконтактной 3D-микроскопии, который сочетает высокое разрешение с щадящим воздействием на образец. Технология может стать важным инструментом в биологии и медицине, позволяя изучать клетки в их естественном состоянии без риска повреждения. Благодаря своей простоте и универсальности, метод имеет потенциал для широкого внедрения в научные и клинические лаборатории.