スターウォーズのジェダイが「フォース」を使って遠くから物体を制御するのと同じように、科学者は光または「オプティカルフォース」を使って非常に小さな粒子を動かすことができる。 「光ピンセット」として知られるこの画期的なレーザー技術の発明者は、2018年のノーベル物理学賞を受賞した。 光ピンセットは、金原子などのナノ粒子を組み立てて操作するために、生物学、医学、および材料科学で使用される。 ただし、この技術は、トラップされた粒子と周囲の環境の屈折特性の違いに依存している。現在、科学者らは、背景環境と同じ屈折特性を持つ粒子を操作して、根本的な技術的課題を克服できる新しい技術を発見した。
「高度にドープされたアップコンバージョンナノ粒子を使用した屈折率の不一致を超えた光ピンセット（Optical Tweezers Beyond Refractive Index Mismatch Using Highly Doped Upconversion Nanoparticles）」と題されたこの研究 は、2021年2月18日にNature Nanotechnology のオンラインで公開された。
「この画期的な進歩は、特に医学などの分野で大きな可能性を秘めている」と、シドニー工科大学（UTS）の共著者であるFanWang医学博士は述べている。 「DNA鎖や細胞内酵素など、細胞内の微細な物体の力を押したり、引いたり、測定したりする機能は、糖尿病や癌などのさまざまな病気の理解と治療に進歩をもたらす可能性がある。従来の機械式マイクロプローブを使用した細胞操作は侵襲的であり、位置決めの分解能は低い。細胞内の分子運動タンパク質の力などには使えず、細胞膜の剛性などを測定することしかできない。」と彼は述べた。
研究チームは、ナノ結晶に希土類金属イオンをドープすることにより、ナノ粒子の屈折特性と発光を制御する独自の方法を開発した。 この最初の基本的な課題を克服した後、チームはイオンのドーピング濃度を最適化して、はるかに低いエネルギーレベルで効率を30倍に高めたナノ粒子のトラップを実現した。
「従来、20ナノメートルの金粒子をトラップするには数百ミリワットのレーザー出力が必要だ。我々の新しいテクノロジーにより、数十ミリワットの出力を使用して20ナノメートルの粒子をトラップできる」とUTS電気データ工学部の共著者である博士課程候補者のXuchen Shan氏は述べている。
「我々の光ピンセットは、水溶液中のナノ粒子に対して記録的な高感度または『剛性』も達成した。驚くべきことに、この方法で発生する熱は、古い方法と比較してごくわずかであったため、我々の光ピンセットには多くの利点がある。」と彼は述べた。
ニューサウスウェールズ大学の共同執筆者であるPeter Reece博士は、この概念実証研究は、生物学研究者にとってますます洗練されてきている分野において重要な進歩であると述べている。
「高効率のナノスケールフォースプローブの開発の見通しは非常にエキサイティングだ。フォースプローブが細胞内構造と細胞小器官を標的とするように標識され、これらの細胞内構造の光学的操作を可能にすることが期待される。」と彼は述べた。
UTS生物医学材料およびデバイス研究所（IBMD）の所長であり、主要共著者であるDayong Jin教授は、この研究が細胞内生体力学の超解像機能イメージングの新しい機会を開くと述べている。
「IBMDの研究は、フォトニクスと材料技術の進歩を生物医学的応用に変換することに焦点を当てており、この種の技術開発はこのビジョンとよく一致している。」とJin 教授は語っている。
「基礎科学の質問に答え、フォトニクスと材料科学の新しいメカニズムを発見したら、次にそれらを適用する。この新しい進歩により、ライブセルなど高精度の操作とナノスケールの生体力学測定のための細胞と細胞内コンパートメントのナノスケールオブジェクトをトラップするための低電力で低侵襲の方法を使用できるようになるだろう。」
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ナノ結晶中のイオンの共鳴は、強力な光トラップ力を生み出す。 (Credit: Dr Fan Wang).
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