Tehnike mikromanipulacije su široko prihvaćene u nauci o materijalima, koloidnoj fizici i nauci o životu za različite primene, u rasponu od sklapanja nanostrukture i hvatanja čestica do prostorno-vremenske analize organizacije ćelija. Uvedeni optički indukovani termoviskozni tokovi, tj. citoplazmatsko strujanje izazvano fokusiranom svetlošću (FLUCS), može manipulisati citoplazmom u ćelijama i embrionima u razvoju.
Termoviskozni tokovi nastaju iz složene interakcije toplotnog širenja i promena viskoziteta izazvanih temperaturom kada se stimulans tačke zagrevanja više puta pomera kroz tanak film fluida. Konkretno, lokalizovano zagrevanje koje se generiše skeniranjem tačke IR lasera kroz uzorak izaziva malu lokalnu promenu u gustini i viskoznosti tečnosti, što dovodi do lokalno kompresibilnog toka fluida sa neto transportom tragova.
Iako FLUCS ima prednost u stvaranju usmerenih tokova sa visoko smanjenom invazivnošću, uzorci i dalje doživljavaju izvesnu temperaturnu modulaciju. Ovo može uticati na sisteme koji su veoma osetljivi na toplotu, kao što su termoosetljive ćelije sisara.
U novom radu objavljenom u eLight-u, tim naučnika predvođen profesorom Moricom Krejsingom sa Tehnološkog instituta u Karlsrueu razvio je skoro izotermne sekvence skeniranja koje bi mogle otvoriti put za nove meke materije i puteve biomedicine.
Istraživački tim je pokazao da bi optička strategija korak po korak mogla razdvojiti laserski indukovane tokove i zagrevanje. Oni koriste prethodno zanemarene stepene slobode koji prate optičko stvaranje polja protoka. Raspodela temperature je homogenizovana u oblasti od interesa (ROI) uvođenjem dodatnih suprotno usmerenih putanja, simetrično raspoređenih oko željene putanje.
Konkretno, tim je iskoristio odnose simetrije na do tri različite vremenske skale. To je dovelo do lokalno homogene distribucije temperature dok je izazvalo usmerene tokove sa linijama protoka koje su uglavnom nepromenjene u poređenju sa standardnim FLUCS. Dodatno, uzorak se hladi na potrebnu temperaturu pomoću eksternog Peltierovog sistema za hlađenje.
Istraživači su pokazali da je ova tehnologija, nazvana izotermni FLUCS (ISO-FLUCS), povezana sa najmanje 10 puta smanjenjem zagrevanja uz postizanje termoviskoznih tokova čije veličine znatno premašuju endogeno strujanje u Caenorhabditis elegans zigotes.
S obzirom na njegov drastično smanjen uticaj zagrevanja uz zadržavanje glavnih karakteristika FLUCS-a, istraživači veruju da će ISO-FLUCS postati novi standard za ove optičke mikromanipulacije u sistemima koji su visoko osetljivi na temperaturu u biologiji i nauci o materijalima.
ISO-FLUCS može drastično poboljšati homogenost temperature unutar uzoraka (standardna devijacija smanjena do 20 puta). Ovi rezultati su postignuti primenom tri nova sastojka u dobro uspostavljeni FLUCS: (i) rasplet protoka i grejanja, (ii) simetrizacija sekvence skeniranja u više vremenskih razmera i (iii) poništavanje rezidualnog polja visokog reda.
Neutralne linije skeniranja bile su prikladno uključene u obrazac kako bi se izravnao temperaturni gradijent u oblasti od interesa (stotine µm 2 ). Prostorno-vremenski simetrične sekvence skeniranja obezbedile su predvidljiva i visoko simetrična termoviskozna polja strujanja. Ranije je pokazano da je nivo zagrevanja u konvencionalnom FLUCS podnošljiv u osetljivim biološkim sistemima, kao što je razvoj C. elegans zigota.
Čisto razdvajanje protoka i lokalno grejanje koje nudi ISO-FLUCS ne samo da će postati novi neosporni standard za preciznu manipulaciju protoka unutar živog primerka. Takođe postavlja temelje za specifično adresiranje različitih klasa fizičkih stimulusa koji se odnose na mehaniku i sile i temperaturno zavisnu biohemiju jednačina brzine. Ovo će unaprediti mikroreologiju vođenu protokom tako što će eliminisati sve temperaturno zavisne reakcije materijala izazvane merenjima.
Pošto ISO-FLUCS funkcioniše u veoma uskom temperaturnom opsegu koji se može izuzetno dobro kontrolisati, takođe se očekuje da će naći široku primenu u proučavanju temperaturno osetljivih polimernih ili hidrogelova u obliku čestica. Tačno određivanje sol-gel tranzicije je od najveće važnosti za razumevanje novih svojstava na makro skali. Fina kontrola temperature u ISO-FLUCS se takođe može koristiti za istraživanje spinodalne dekompozicije mnogih sistema koji pokazuju veliku sklonost razdvajanju faza.
Istraživački tim veruje da će ISO-FLUCS zameniti FLUCS i postati novi standard za takve laserski indukovane optičke mikromanipulacije u najosetljivijim uzorcima. Pored toga, ISO-FLUCS rezonuje sa zajednicom koja brzo raste kako bi iskoristila moć temperaturnih stimulansa u manipulaciji koloidnim i živim sistemima na mikro i nanoskali. U budućnosti, tim predviđa da ISO-FLUCS utire put ka slučajevima medicinske upotrebe, kao što je ljudska reproduktivna medicina uz pomoć lasera.
