Only Perception: 槽狀波導 -- 利用光來移動與陷住 DNA 分子

2009-01-13

槽狀波導 -- 利用光來移動與陷住 DNA 分子

Using light to move and trap DNA molecules
http://www.physorg.com/news150129386.html

January 2nd, 2009 By Bill Steele

奈米研究的主要目標之一是創造出一種「實驗室晶片（lab on a chip）」，其中，極小的生物樣本得通過微小通道（channels）以進行處理。這將使得可攜的、作用迅速的偵測器的製造成為可能。那能用於致病生物或食源性（food-borne）病原體之檢測、快速 DNA 定序與進行現在得耗費數小時或數日的其他試驗。

奈米尺度下的障礙之一是：移動東西的困難性。機械性幫浦無法充分縮小。所以 David Erickson，康乃爾機械與航太工程助教授以及同僚 Michal Lipson，康乃爾電機與電腦工程副教授，轉向「光流體（optofluidics）」，利用光壓來移動與操縱生物分子。

現在他們已證明，光束能陷住（trap）並且移動直徑只有 75 奈米這麼小的物體，包括 DNA 分子 -- 這是這套系統所操縱過的最小材料，研究者表示。他們的實驗在 2009 1/1 該期的 Nature 上描述。

之所以可行是因為光本身矛盾的雙重天性。光可以想成一道稱為光子的粒子束，那可施力，或如同波一樣，是正在擴大與縮小中的電場與磁場。如果光被限制在一個寬度比光波長還要窄的波導（waveguide）中，光波會溢流，而且能施加一股超越此波導的力。想像一個奈米等級的印第安納瓊斯（Indiana Jones）被一個光子而非花崗岩球逐入一條奈米隧道（nanotunnel ），如果印第爬進一個有光子在其中移動的隧道上面，他仍會被追著跑，因為光子比它自己的隧道還要大。

Erickson 與 Lipson 首先在在一塊晶片上切割微流體通道並且直接波導置於通道下方。發表在 Optics Express (Oct. 15, 2007) 的早先研究中，研究者證明，波導中的光能移動置於裝滿液體的通道中，直徑約 3 微米的聚苯乙烯球體。不過他們發現，能延伸超過波導的光波，其「纖弱的場（evanescent field）」無法延伸夠遠，或著攜帶足夠的能量來捕獲與操縱較小的生物分子。

所以他們轉向一個由 Lipson 所創造的新裝置："槽狀波導（slot waveguide）" -- 兩條平行的矽棒相距 60 奈米，權充二個平行的波導。沿著每個波導行進的光波均擴張超越波導的邊界，但因為平行波導如此靠近，這些光波會重疊而且絕大部份的能量會集中在槽裡面。除了創造一道更強烈的光束外，此結構使光束能在空氣中或水中沿著既定路線前進。

在一示範中，畢業生 Allen Yang、Sean Moore、Bradley Schmidt 與其他研究同僚使槽狀波導橫跨微流體通道，並證明沿著波導前進，來自於紅外線雷射的光能夠從流經波導的水流中陷住直徑 75 奈米的聚苯乙烯球體以及尺寸相當的 DNA 分子。槽狀波導中的光延展到槽的上方，並對進入其中的粒子施以一向下的力。研究者表示，因為光壓接著使被陷住的粒子沿著槽移動，所以這樣一種裝置能在流動中將生物分子分離，並將它們送往別的地方處理。他們補充，更進一步的研究將使得它能夠透過長度來分離 DNA 分子以進行快速的 DNA 定序。

這項研究由 NSF 所贊助，該基金會也支持 Cornell Nanoscale Facility，此裝置在那裡製造。

※ 相關報導：

＊ Optical manipulation of nanoparticles and biomolecules in sub-wavelength slot waveguides
http://www.nature.com/nature/journal/v457/n7225/abs/nature07593.html

Allen H. J. Yang, Sean D. Moore, Bradley S. Schmidt,
Matthew Klug, Michal Lipson & David Erickson
Nature 457, 71-75 (1 January 2009)
doi: 10.1038/nature07593