[論文レビュー] Optical funnel to guide and focus virus particles for X-ray laser imaging

Salah Awel, Sebastian Lavin-Varela+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Photodynamic Therapy Research Studies被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、低圧環境下でウイルス粒子を誘導・集束するための光学的ファンネルを、低発散性の空心コア1次ベッセルビームを用いて提案する。光力学的力を利用することで、X線自由電子レーザー（XFEL）画像化への効率を向上させる。実験的に、高速なエアロゾル化ウイルスビームの三次元的圧縮が達成され、X射線自由電子レーザー（XFEL）画像化用途における粒子密度が著しく向上した。

ABSTRACT

The need for precise manipulation of nanoparticles in gaseous or near-vacuum environments is encountered in many studies that include aerosol morphology, nanodroplet physics, nanoscale optomechanics, and biomolecular physics. Photophoretic forces, whereby momentum exchange between a particle and surrounding gas is induced with optical light, were recently shown to be a robust means of trapping and manipulating nanoparticles in air. We previously proposed a photophoretic 'optical funnel' concept for the delivery of bioparticles to the focus of an x-ray free-electron laser (XFEL) beam for femtosecond x-ray diffractive imaging. Here, we describe the formation of a high-aspect-ratio optical funnel and provide a first experimental demonstration of this concept by transversely compressing and concentrating a high-speed beam of aerosolized viruses by a factor of three in a low-pressure environment. These results pave the way toward improved sample delivery efficiency for XFEL imaging experiments as well as other forms of imaging and spectroscopy.

研究の動機と目的

• X線自由電子レーザー（XFEL）における単粒子イメージング（SPI）の現在のサンプル供給システムの低効率性に対処する。X線パルスの0.1%未満が粒子に到達する。
• 光学的力を利用し、真空中または低圧環境下でナノ粒子ビームの密度と精度を向上させる手法を開発する。
• 光力学的力に基づく光学的ファンネルが、高速エアロゾル化ウイルスを誘導・集束できることを実験的に検証する。
• 粒子のXFELビーム焦点への効率的な供給を向上させることで、SPIにおけるデータ収集速度とアトムスケール解像度の画像化を実現する。

提案手法

• トポロジカル電荷 l = 1 の1次ラゲル・ガウス・ボルテックスビームをスパイラル位相プレートとアキソンレンズを用いて生成し、光学的ファンネルを形成する。
• 縮小コリメータを介してビームを再像像形成することで、相互作用長を延長し、z軸に沿って連続的に変化するビーム径を持つ高アスペクト比のファンネルを構築する。
• レーザー光ビームを粒子ビームと逆向きに伝播させることで、周囲の気体分子との運動量移動により、粒子を減速させるとともにビーム軸方向に押しやる光力学的力を発生させる。
• 5 kHzのストロボスコピックイメージングにより、粒子の軌道を捉え、ビーム圧縮および速度変化の分析を可能にする。
• 粒子および空気からのレイリー散乱を用い、1μm未満の分解能で光学的ファンネルの位置および強度プロファイルをマッピングする。
• フォーリエ光学シミュレーションを用いて、粒子誘導のためのビームプロファイルおよび相互作用幾何学をモデル化・最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光力学的力に基づく光学的ファンネルは、低圧環境下で高速エアロゾル化ウイルス粒子を効果的に圧縮・誘導できるか？
• RQ2 相互作用長が延長されたベッセルビームを用いることで、ガウスビームと比較して粒子集束がどの程度向上するか？
• RQ3 逆向きのレーザー光ビームが存在する条件下で、光力学的力が粒子の軸方向速度および横方向分布にどのように影響を与えるか？
• RQ4 粒子または空気からの散乱光を用いて、光学的ファンネルの焦点位置および強度プロファイルを正確にマッピングできるか？
• RQ5 この光学的ファンネル構成で達成可能な最大ビーム圧縮係数は何か？

主な発見

• 光学的ファンネルは、低圧環境（0.4–1 mbar）下で、高速なエアロゾル化グランルービルス粒子ビームに対して三次元的圧縮を達成した。
• 粒子ビームは初期直径約100 µmから、半値全幅（FWHM）約33 µmに圧縮され、効果的な濃縮が確認された。
• 光学的ファンネルは顕著な減速を引き起こし、1 Wのレーザー出力あたり軸方向速度が最大810 s⁻¹減少した。これは強い光力学的力を示している。
• 粒子および空気からのレイリー散乱を用いて、1μm未満の分解能で光学的ファンネルの焦点面をマッピングした。これにより、正確なアライメントとキャリブレーションが可能になった。
• 1.5 mbarのチャンバープレスチャで安定した動作を示し、レーザーOFF条件下でも粒子ビーム速度は17.4 ± 0.93 m/sを維持した。
• 本手法は粒子供給効率を顕著に向上させ、完全なアトムスケール解像度のデータセットを収集するのに要する時間は、桁違いに短縮された。