Оптические пинцеты

Фотография наночастицы (диаметром 103 нм), захваченной оптическим пинцетом. Наночастицу можно рассматривать как крошечное яркое пятно посередине. Для дополнительного контроля сверху и снизу частицы размещаются два медных электрода.

Оптические пинцеты (первоначально называвшиеся однолучевой градиентной силовой ловушкой ) — это научные инструменты , которые используют высокосфокусированный лазерный луч для удержания и перемещения микроскопических и субмикроскопических объектов, таких как атомы , наночастицы и капли, аналогично пинцету . Если объект удерживается в воздухе или вакууме без дополнительной поддержки, это можно назвать оптической левитацией .

Лазерный свет создает силу притяжения или отталкивания (обычно порядка пиконьютонов между ), в зависимости от относительного показателя преломления частицей и окружающей средой. Левитация возможна, если сила света противодействует силе гравитации . Захваченные частицы обычно имеют размер микрона или даже меньше. Диэлектрические и поглощающие частицы также могут быть захвачены.

Оптические пинцеты используются в биологии и медицине (например, для захвата и удерживания одной бактерии , клетки , такой как сперматозоид или клетка крови , или молекулы, такой как ДНК ), наноинженерии и нанохимии (для изучения и создания материалов из отдельных молекул ). , квантовая оптика и квантовая оптомеханика (для изучения взаимодействия одиночных частиц со светом). Разработка оптического пинцета Артуром Эшкиным была отмечена Нобелевской премией по физике 2018 года .

История и развитие

Об обнаружении оптического рассеяния и градиентных сил на частицах микронного размера впервые сообщил в 1970 году Артур Эшкин, учёный, работающий в Bell Labs . Спустя годы Эшкин и его коллеги сообщили о первом наблюдении того, что сейчас обычно называют оптическим пинцетом: плотно сфокусированного луча света, способного удерживать микроскопические частицы стабильными в трех измерениях. В 2018 году за эту разработку Эшкину была присуждена Нобелевская премия по физике.

Один из авторов этой плодотворной статьи 1986 года, Стивен Чу , продолжил использовать оптический пинцет в своей работе по охлаждению и улавливанию нейтральных атомов. Это исследование принесло Чу Нобелевскую премию по физике 1997 года вместе с Клодом Коэном-Таннуджи и Уильямом Д. Филлипсом . В интервью Стивен Чу рассказал, как Эшкин впервые придумал оптический пинцет как метод улавливания атомов. Эшкину удалось поймать более крупные частицы (диаметром от 10 до 10 000 нанометров), но Чу пришлось расширить эти методы, включив в них захват нейтральных атомов (диаметром 0,1 нанометра) с использованием резонансного лазерного света и магнитно-градиентной ловушки (см. Магнито-градиентную ловушку). оптическая ловушка ).

В конце 1980-х годов Артур Эшкин и Джозеф М. Дзеджич продемонстрировали первое применение этой технологии в биологических науках, используя ее для улавливания отдельного вируса табачной мозаики и Escherichia coli . бактерии На протяжении 1990-х годов и позднее такие исследователи, как Карлос Бустаманте , Джеймс Спудич и Стивен Блок, впервые применили спектроскопию силы оптической ловушки для характеристики биологических двигателей молекулярного масштаба. Эти молекулярные моторы широко распространены в биологии и отвечают за передвижение и механическое действие внутри клетки. Оптические ловушки позволили этим биофизикам наблюдать силы и динамику наноразмерных двигателей на уровне одиночных молекул ; С тех пор силовая спектроскопия с оптической ловушкой привела к лучшему пониманию стохастической природы этих молекул, генерирующих силу.

Оптические пинцеты оказались полезными и в других областях биологии. Они используются в синтетической биологии для создания тканеподобных сетей искусственных клеток. и соединять синтетические мембраны вместе инициировать биохимические реакции. Они также широко используются в генетических исследованиях. и исследования структуры и динамики хромосом. В 2003 году методы оптического пинцета были применены в области сортировки клеток; создавая большую картину оптической интенсивности на площади образца, клетки можно сортировать по их собственным оптическим характеристикам. Оптические пинцеты также использовались для исследования цитоскелета , измерения вязкоупругих свойств биополимеров . и изучить подвижность клеток . В 2011 году был предложен биомолекулярный анализ, в котором кластеры наночастиц, покрытых лигандом, оптически захватываются и оптически обнаруживаются после кластеризации, индуцированной целевой молекулой. и экспериментально продемонстрировано в 2013 году.

Оптические пинцеты также используются для захвата атомов , охлажденных лазером , в вакууме, в основном для применения в квантовой науке. Некоторые достижения в этой области включают захват отдельного атома в 2001 году, захват двумерных массивов атомов в 2002 г., захват сильновзаимодействующих запутанных пар в 2010 г., захват точно собранных двумерных массивов атомов в 2016 году и трехмерные массивы в 2018 году. Эти методы были использованы в квантовых симуляторах для получения программируемых массивов из 196 и 256 атомов в 2021 году. и представляют собой многообещающую платформу для квантовых вычислений.

Исследователи работали над преобразованием оптических пинцетов из больших и сложных инструментов в более мелкие и простые инструменты для использования теми, у кого меньший исследовательский бюджет.

Физика

Диэлектрические объекты притягиваются к центру луча, немного выше перетяжки луча, как описано в тексте. Сила, приложенная к объекту, линейно зависит от его смещения от центра ловушки, как и в случае с простой пружинной системой. Это восстанавливающая сила, поэтому она равна $-k_{\mathrm {trap} }x$.

Общее описание

Оптические пинцеты способны манипулировать диэлектрическими частицами нанометрового и микронного размера и даже отдельными атомами, прилагая чрезвычайно малые силы с помощью высокосфокусированного лазерного луча. Луч обычно фокусируется, пропуская его через объектив микроскопа . Вблизи самой узкой точки сфокусированного луча, известной как перетяжка луча , амплитуда колеблющегося электрического поля быстро меняется в пространстве. Частицы диэлектрика притягиваются по градиенту к области наибольшего электрического поля, которая является центром луча. Лазерный свет также имеет тенденцию оказывать воздействие на частицы луча вдоль направления распространения луча. Это происходит из-за сохранения импульса : фотоны, которые поглощаются или рассеиваются крошечной диэлектрической частицей, передают диэлектрической частице импульс. Это известно как сила рассеяния и приводит к тому, что частица немного смещается вниз по потоку от точного положения перетяжки пучка, как видно на рисунке.

Оптические ловушки являются очень чувствительными инструментами и способны манипулировать и обнаруживать субнанометровые смещения субмикронных диэлектрических частиц. По этой причине их часто используют для манипулирования и изучения отдельных молекул путем взаимодействия с шариком, прикрепленным к этой молекуле. ДНК и белки и ферменты , которые с ним взаимодействуют, обычно изучаются таким способом.

Для количественных научных измерений большинство оптических ловушек работают таким образом, что диэлектрическая частица редко уходит далеко от центра ловушки. Причина этого в том, что сила, приложенная к частице, линейна по отношению к ее смещению от центра ловушки, пока это смещение мало. Таким образом, оптическую ловушку можно сравнить с простой пружиной, подчиняющейся закону Гука .

Дополнительная информация о силе рассеяния света: Давление излучения.

Детальный вид

Правильное объяснение поведения оптического захвата зависит от размера захваченной частицы относительно длины волны света, используемого для ее улавливания. В тех случаях, когда размеры частицы значительно превышают длину волны, достаточно простой лучевой оптики. Если длина волны света намного превышает размеры частиц, частицы можно рассматривать как электрические диполи в электрическом поле. Для оптического захвата диэлектрических объектов с размерами в пределах порядка длины волны захватывающего луча единственные точные модели включают обработку либо зависящих от времени, либо гармонических по времени уравнений Максвелла с использованием соответствующих граничных условий.

Лучевая оптика

Объяснение лучевой оптики (несфокусированный лазер). Когда шарик смещается от центра луча (правое изображение), большее изменение импульса более интенсивных лучей приводит к приложению результирующей силы обратно к центру лазера. Когда борт центрирован по балке (изображение слева), результирующая боковая сила равна нулю. Но несфокусированный лазер по-прежнему вызывает силу, направленную в сторону от лазера.

Объяснение лучевой оптики (сфокусированный лазер). Помимо удержания шарика в центре лазера, сфокусированный лазер также удерживает шарик в фиксированном осевом положении: изменение импульса сфокусированных лучей вызывает силу, направленную к фокусу лазера, как тогда, когда шарик находится спереди (слева изображение) или позади (правое изображение) фокуса лазера. Таким образом, шарик останется немного позади фокуса, где эта сила компенсирует силу рассеяния.

В тех случаях, когда диаметр захваченной частицы значительно превышает длину волны света, явление захвата можно объяснить с помощью лучевой оптики. Как показано на рисунке, отдельные лучи света, испускаемые лазером, будут преломляться при входе и выходе из диэлектрической бусины. В результате луч выйдет в направлении, отличном от того, в котором он возник. Поскольку свет имеет связанный с ним импульс , это изменение направления указывает на то, что его импульс изменился. Согласно третьему закону Ньютона , импульс частицы должен изменяться одинаково и в противоположных направлениях.

Большинство оптических ловушек работают с интенсивностью профиля гауссова пучка (режим TEM ₀₀ ). В этом случае, если частица смещается из центра луча, как в правой части рисунка, на частицу действует результирующая сила, возвращающая ее в центр ловушки, поскольку более интенсивные лучи сообщают большее изменение импульса в сторону в центре ловушки, чем менее интенсивные лучи, которые придают меньшее изменение импульса вдали от центра ловушки. Чистое изменение импульса, или сила, возвращает частицу в центр ловушки.

Если частица расположена в центре луча, то отдельные лучи света преломляются через частицу симметрично, что приводит к отсутствию суммарной боковой силы. Суммарная сила в этом случае действует в осевом направлении ловушки, что компенсирует силу рассеяния лазерного света. Компенсация этой силы осевого градиента силой рассеяния является причиной стабильного захвата шарика немного ниже по потоку от перетяжки балки.

Стандартный пинцет работает с захватывающим лазером, распространяющимся внаправление силы тяжести а перевернутый пинцет работает против силы тяжести.

Приближение электрического диполя

В тех случаях, когда диаметр захваченной частицы значительно меньше длины волны света, условия рэлеевского рассеяния выполняются и частицу можно рассматривать как точечный диполь в неоднородном электромагнитном поле . Сила, действующая на один заряд в электромагнитном поле, известна как сила Лоренца .

$\mathbf {F_{1}} =q\left(\mathbf {E} (\mathbf {x} _{1})+{\frac {d\mathbf {x_{1}} }{dt}}\times \mathbf {B} \right).$

Силу, действующую на диполь, можно рассчитать, подставив в приведенное выше уравнение два члена для электрического поля, по одному для каждого заряда. Поляризация равна диполя $\mathbf {p} =q\mathbf {d} ,$ где $\mathbf {d}$ расстояние между двумя зарядами. Для точечного диполя расстояние бесконечно мало , $\mathbf {x} _{1}-\mathbf {x} _{2}.$ Учитывая, что два заряда имеют противоположные знаки, сила принимает вид

${\begin{aligned}\mathbf {F} &=q\left(\mathbf {E} (\mathbf {x} _{1})-\mathbf {E} (\mathbf {x} _{2})+{\frac {d(\mathbf {x} _{1}-\mathbf {x} _{2})}{dt}}\times \mathbf {B} \right)\\&=q\left(\mathbf {E} (\mathbf {x} _{1})+\left((\mathbf {x} _{1}-\mathbf {x} _{2})\cdot \nabla \right)\mathbf {E} -\mathbf {E} (\mathbf {x} _{1})+{\frac {d(\mathbf {x} _{1}-\mathbf {x} _{2})}{dt}}\times \mathbf {B} \right).\\\end{aligned}}$

Обратите внимание, что $\mathbf {E_{1}}$ отменить. Умножив на заряд, $q$, преобразует позицию, $\mathbf {x}$, в поляризацию, $\mathbf {p}$,

${\begin{aligned}\mathbf {F} &=\left(\mathbf {p} \cdot \nabla \right)\mathbf {E} +{\frac {d\mathbf {p} }{dt}}\times \mathbf {B} \\&=\alpha \left[\left(\mathbf {E} \cdot \nabla \right)\mathbf {E} +{\frac {d\mathbf {E} }{dt}}\times \mathbf {B} \right],\\\end{aligned}}$

где во втором равенстве предполагается, что диэлектрическая частица линейна (т.е. $\mathbf {p} =\alpha \mathbf {E}$).

На заключительных шагах будут использоваться два равенства: (1) равенство векторного анализа , (2) закон индукции Фарадея .

1. $\left(\mathbf {E} \cdot \nabla \right)\mathbf {E} =\nabla \left({\frac {1}{2}}E^{2}\right)-\mathbf {E} \times \left(\nabla \times \mathbf {E} \right)$
2. $\nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}$

Во-первых, векторное равенство будет вставлено для первого члена приведенного выше уравнения силы. Уравнение Максвелла будет заменено на второй член векторного равенства. Тогда два члена, содержащие производные по времени, можно объединить в один.

${\begin{aligned}\mathbf {F} &=\alpha \left[{\frac {1}{2}}\nabla E^{2}-\mathbf {E} \times \left(\nabla \times \mathbf {E} \right)+{\frac {d\mathbf {E} }{dt}}\times \mathbf {B} \right]\\&=\alpha \left[{\frac {1}{2}}\nabla E^{2}-\mathbf {E} \times \left(-{\frac {d\mathbf {B} }{dt}}\right)+{\frac {d\mathbf {E} }{dt}}\times \mathbf {B} \right]\\&=\alpha \left[{\frac {1}{2}}\nabla E^{2}+{\frac {d}{dt}}\left(\mathbf {E} \times \mathbf {B} \right)\right].\\\end{aligned}}$

Второе слагаемое в последнем равенстве — это производная по времени величины, которая связана через мультипликативную константу с вектором Пойнтинга , который описывает мощность на единицу площади, проходящую через поверхность. Поскольку мощность лазера постоянна при дискретизации на частотах, значительно превышающих частоту излучения лазера ~10 ¹⁴ Гц, производная этого члена в среднем равна нулю, и силу можно записать как

$\mathbf {F} ={\frac {1}{2}}\alpha \nabla E^{2}={\frac {2\pi n_{1}a^{3}}{c}}\left({\frac {m^{2}-1}{m^{2}+2}}\right)\nabla I(\mathbf {r} ),$

где во вторую часть мы включили индуцированный дипольный момент (в единицах МКС) сферической диэлектрической частицы: $\mathbf {p} =\alpha \mathbf {E} (\mathbf {r} ,t)=4\pi n_{1}^{2}\epsilon _{0}a^{3}(m^{2}-1)/(m^{2}+2)\mathbf {E} (\mathbf {r} ,t)$, где $a$ - радиус частицы, $n_{0}$ - показатель преломления частицы и $m=n_{0}/n_{1}$ – относительный показатель преломления между частицей и средой. Квадрат величины электрического поля равен интенсивности луча как функции положения. Таким образом, результат показывает, что сила, действующая на диэлектрическую частицу, если рассматривать ее как точечный диполь, пропорциональна градиенту интенсивности луча. Другими словами, описанная здесь градиентная сила имеет тенденцию притягивать частицу к области наибольшей интенсивности. В действительности сила рассеяния света работает против градиентной силы в осевом направлении ловушки, в результате чего положение равновесия немного смещается вниз по потоку от максимума интенсивности. В приближении Рэлея мы также можем записать силу рассеяния как

$\mathbf {F} _{\text{scat}}(\mathbf {r} )={\frac {k^{4}\alpha ^{2}}{6\pi cn_{0}^{3}\epsilon _{0}^{2}}}I(\mathbf {r} ){\hat {z}}={\frac {8\pi n_{0}k^{4}a^{6}}{3c}}\left({\frac {m^{2}-1}{m^{2}+2}}\right)^{2}I(\mathbf {r} ){\hat {z}}.$

Поскольку рассеяние изотропно, суммарный импульс передается в прямом направлении. На квантовом уровне мы представляем градиентную силу как прямое рассеяние Рэлея, при котором идентичные фотоны создаются и уничтожаются одновременно, тогда как при силе рассеяния (излучения) падающие фотоны движутся в одном направлении и «рассеиваются» изотропно. Благодаря сохранению импульса частица должна накапливать первоначальные импульсы фотонов, вызывая в последних силу, направленную вперед.

Приближение гармонического потенциала

Полезный способ изучить взаимодействие атома в гауссовом пучке — это рассмотреть приближение гармонического потенциала профиля интенсивности, который испытывает атом. В случае двухуровневого атома испытываемый потенциал связан с его переменным штарковским сдвигом ,

$\mathbf {\Delta E} _{\text{AC Stark}}={\frac {3\pi c^{2}\Gamma }{2\omega _{0}^{3}\delta }}\mathbf {I(r,z)}$

где $\Gamma$ – естественная ширина линии возбужденного состояния, $\mu$ – электрическая дипольная связь, $\omega _{o}$ - частота перехода, а $\delta$ – это расстройка или разница между частотой лазера и частотой перехода.

Интенсивность гауссова профиля луча характеризуется длиной волны $(\lambda )$, минимальная талия $(w_{o})$, и мощность луча $(P_{o})$. Следующие формулы определяют профиль балки:

$I(r,z)=I_{0}\left({\frac {w_{0}}{w(z)}}\right)^{2}e^{-{\frac {2r^{2}}{w^{2}(z)}}}$

$w(z)=w_{0}{\sqrt {1+\left({\frac {z}{z_{R}}}\right)^{2}}}$

$z_{R}={\frac {\pi w_{0}^{2}}{\lambda }}$

$P_{0}={\frac {1}{2}}\pi I_{0}w_{0}^{2}$

Чтобы аппроксимировать этот гауссов потенциал как в радиальном, так и в осевом направлениях луча, профиль интенсивности необходимо расширить до второго порядка по $z$ и $r$ для $r=0$ и $z=0$ соответственно и приравнивается к гармоническому потенциалу ${\frac {1}{2}}m(\omega _{z}^{2}z^{2}+\omega _{r}^{2}r^{2})$. Эти расширения оцениваются с учетом фиксированной мощности.

${\frac {1}{2!}}{\frac {\partial ^{2}U}{\partial z^{2}}}{\Biggr |}_{r,z=0}z^{2}={\frac {\alpha }{2\epsilon _{0}c}}{\frac {2P_{0}\lambda ^{2}}{\pi ^{3}w_{0}^{6}}}z^{2}={\frac {1}{2}}m\omega _{z}^{2}z^{2}$

${\frac {1}{2!}}{\frac {\partial ^{2}U}{\partial r^{2}}}{\Biggr |}_{r,z=0}r^{2}={\frac {\alpha }{2\epsilon _{0}c}}{\frac {4P_{0}}{\pi w_{0}^{4}}}r^{2}={\frac {1}{2}}m\omega _{r}^{2}r^{2}$

Это означает, что при определении частот гармоник (или частот ловушек при рассмотрении оптических ловушек для атомов) частоты задаются как:

$\omega _{r}={\sqrt {\frac {4\alpha P_{0}}{\pi \epsilon _{0}cmw_{0}^{4}}}}$

$\omega _{z}={\sqrt {\frac {2\alpha P_{0}\lambda ^{2}}{m\pi ^{3}\epsilon _{0}cw_{0}^{6}}}}$

так что относительные частоты ловушек для радиального и аксиального направлений зависят только от масштаба перетяжки луча как:

${\frac {\omega _{r}}{\omega _{z}}}={\sqrt {2}}{\frac {w_{0}\pi }{\lambda }}$

Оптическая левитация

Чтобы поднять частицу в воздух, нисходящей силе гравитации должны противодействовать силы, возникающие в результате фотона передачи импульса . Обычно давление фотонного излучения сфокусированного лазерного луча достаточной интенсивности противодействует нисходящей силе гравитации, а также предотвращает боковую (из стороны в сторону) и вертикальную нестабильность, что позволяет создать стабильную оптическую ловушку, способную удерживать мелкие частицы во взвешенном состоянии.

прозрачные диэлектрические сферы микрометрового размера (диаметром от нескольких до 50 микрометров), такие как сферы плавленого кварца В экспериментах этого типа используются лазерного излучения может быть фиксированной, , капли масла или воды. Длина волны например, у лазера на ионах аргона или у перестраиваемого лазера на красителе . лазера Требуемая мощность составляет порядка 1 Вт, сфокусированного на пятне размером в несколько десятков микрометров. Явления, связанные с морфологически-зависимыми резонансами в сферическом оптическом резонаторе, изучались несколькими исследовательскими группами.

Для блестящего объекта, такого как металлическая микросфера, устойчивая оптическая левитация не была достигнута. Теоретически возможна и оптическая левитация макроскопического объекта. и может быть улучшен с помощью наноструктурирования.

В число материалов, которые успешно левитировали, входят черный щелок, оксид алюминия, вольфрам и никель.

Оптотермические пинцеты

За последние два десятилетия оптические силы объединились с термофоретическими силами, чтобы обеспечить захват при пониженной мощности лазера, что приводит к минимизации фотонного повреждения. Путем введения светопоглощающих элементов (частиц или подложек) создаются микромасштабные градиенты температуры, что приводит к термофорезу . Обычно частицы (включая биологические объекты, такие как клетки, бактерии, ДНК/РНК) дрейфуют в сторону холода, что приводит к отталкиванию частиц с помощью оптического пинцета. Чтобы преодолеть это ограничение, используются различные методы, такие как формирование луча и модификация раствора с помощью электролитов и поверхностно-активных веществ. были использованы для успешной ловли объектов. Лазерное охлаждение также было достигнуто с помощью кристаллов фторида иттрия-лития, легированных иттербием, для создания холодных пятен с использованием лазеров для достижения захвата с уменьшенным фотообесцвечиванием . Температура образца также была снижена для достижения оптического захвата и значительного увеличения отбора частиц с помощью оптотермических пинцетов для доставки лекарств .

Настройки

Общая схема оптического пинцета, состоящая только из самых основных компонентов.

Самая простая установка оптического пинцета, вероятно, будет включать в себя следующие компоненты: лазер (обычно Nd:YAG ), расширитель луча, некоторую оптику, используемую для управления местоположением луча в плоскости образца, объектив микроскопа и конденсор для создания ловушки в плоскости образца. плоскость образца, детектор положения (например, квадрантный фотодиод ) для измерения смещения луча и источник освещения микроскопа, соединенный с ПЗС-камерой .

Лазер Nd:YAG (длина волны 1064 нм) является распространенным лазером для работы с биологическими образцами. Это связано с тем, что такие образцы (в основном состоящие из воды) имеют низкий коэффициент поглощения на этой длине волны. Рекомендуется низкое поглощение, чтобы свести к минимуму повреждение биологического материала, иногда называемое оптическим . Возможно, наиболее важным моментом при проектировании оптического пинцета является выбор объектива. Стабильная ловушка требует, чтобы градиентная сила, которая зависит от числовой апертуры (NA) объектива, была больше, чем сила рассеяния. Подходящие цели обычно имеют NA от 1,2 до 1,4.

Хотя альтернативы доступны, возможно, самый простой метод определения положения включает в себя отображение улавливающего лазера, выходящего из камеры образца, на квадрантный фотодиод. Боковые отклонения луча измеряются аналогично тому, как это делается с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) .

Расширение луча, излучаемого лазером, до заполнения апертуры объектива приведет к получению более узкого пятна с ограниченной дифракцией. Хотя боковое перемещение ловушки относительно образца может быть достигнуто за счет перемещения предметного стекла микроскопа, большинство пинцетов имеют дополнительную оптику, предназначенную для перемещения луча, чтобы обеспечить дополнительную степень свободы перемещения. Это можно сделать, переместив первую из двух линз, обозначенных на рисунке как «Управление лучом». Например, перемещение этой линзы в боковой плоскости приведет к отклонению луча вбок от того, что изображено на рисунке. Если расстояние между линзами управления лучом и объективом выбрано правильно, это будет соответствовать аналогичному отклонению перед входом в объектив и результирующему боковому перемещению в плоскости образца. Положение перетяжки пучка, то есть фокуса оптической ловушки, можно регулировать осевым смещением исходной линзы. Такое осевое смещение приводит к незначительному расхождению или сближению пучка, в результате чего происходит смещение по оси перетяжки пучка в камере образца.

Визуализация плоскости образца обычно осуществляется путем освещения отдельным источником света, включенным в оптический путь в противоположном направлении с помощью дихроичных зеркал . Этот свет падает на камеру CCD и может быть просмотрен на внешнем мониторе или использован для отслеживания положения захваченной частицы с помощью видеослежения .

Альтернативные режимы лазерного луча

В большинстве оптических пинцетов используются TEM ₀₀ обычные гауссовы лучи . Однако для улавливания частиц использовался ряд других типов лучей, в том числе лазерные лучи высокого порядка, т.е. лучи Эрмита-Гаусса (TEM _xy ), лучи Лагерра-Гаусса (LG) (TEM _pl ) и лучи Бесселя .

Оптические пинцеты, основанные на пучках Лагерра-Гаусса, обладают уникальной способностью улавливать частицы, обладающие оптическими отражающими и поглощающими свойствами. Пучки Лагерра-Гаусса также обладают четко определенным орбитальным угловым моментом , который может вращать частицы. Это достигается без внешнего механического или электрического управления балкой.

Лучи Бесселя как нулевого, так и более высокого порядка также обладают уникальной способностью к пинцету. Они могут улавливать и вращать несколько частиц, находящихся на расстоянии нескольких миллиметров друг от друга, и даже вокруг препятствий.

Микромашины могут управляться этими уникальными оптическими лучами благодаря их внутреннему механизму вращения, обусловленному спином и орбитальным угловым моментом света.

Мультиплексный оптический пинцет

Типичная установка использует один лазер для создания одной или двух ловушек. Обычно две ловушки создаются путем разделения лазерного луча на два ортогонально поляризованных луча. Операции оптического пинцета с более чем двумя ловушками могут быть реализованы либо путем распределения одного лазерного луча по времени между несколькими оптическими пинцетами, или путем дифракционного разделения луча на несколько ловушек. С помощью акустооптических дефлекторов или зеркал, управляемых гальванометром , один лазерный луч может быть разделен между сотнями оптических пинцетов в фокальной плоскости или же распространиться в протяженную одномерную ловушку. Специально разработанные дифракционные оптические элементы могут разделить один входной луч на сотни непрерывно освещаемых ловушек в произвольных трехмерных конфигурациях. Голограмма, образующая ловушку, также может определять модовую структуру каждой ловушки индивидуально, создавая тем самым, например, массивы оптических вихрей, оптические пинцеты и голографические линейные ловушки. При использовании пространственного модулятора света такие голографические оптические ловушки также могут перемещать объекты в трех измерениях. Усовершенствованные формы голографических оптических ловушек с произвольными пространственными профилями, в которых контролируется плавность интенсивности и фазы, находят применение во многих областях науки, от микроманипуляций до ультрахолодных атомов . Ультрахолодные атомы также могут быть использованы для реализации квантовых компьютеров.

Одномодовые оптические волокна

Стандартная волоконно-оптическая ловушка основана на том же принципе, что и оптический захват, но с использованием гауссовского лазерного луча, проходящего через оптическое волокно . Если одному концу оптического волокна придать форму линзы , почти гауссов луч, передаваемый одномодовым стандартным волокном, будет сфокусирован на некотором расстоянии от кончика волокна. Эффективной числовой апертуры такой сборки обычно недостаточно для создания полной трехмерной оптической ловушки, а только для двухмерной ловушки (оптический захват и манипулирование объектами будут возможны только тогда, когда, например, они находятся в контакте с поверхностью). Настоящий трехмерный оптический захват на основе одного волокна с точкой захвата, которая почти не касается кончика волокна, был реализован на основе нестандартного расположения волокна с кольцевой сердцевиной и геометрии полного внутреннего отражения.

С другой стороны, если концы волокна не отформованы, лазер, выходящий из волокна, будет расходиться, и, таким образом, стабильную оптическую ловушку можно реализовать только путем уравновешивания градиента и силы рассеяния от двух противоположных концов волокна. Градиентная сила захватывает частицы в поперечном направлении, тогда как осевая оптическая сила возникает из-за силы рассеяния двух встречных лучей, выходящих из двух волокон. Равновесное z-положение такого захваченного шарика - это то место, где две силы рассеяния равны друг другу. Эту работу начали проводить А. Констебль и др. , Опт. Летт. 18,1867 (1993), а затем J.Guck et al. , физ. Преподобный Летт. 84 , 5451 (2000), которые использовали этот метод для растяжения микрочастиц. Управляя подаваемой мощностью на два конца волокна, будет увеличиваться «оптическое растяжение», которое можно использовать для измерения вязкоупругих свойств клеток, с чувствительностью, достаточной для различения различных индивидуальных фенотипов цитоскелета. т.е. эритроциты человека и фибробласты мыши. Недавний тест показал большой успех в дифференциации раковых клеток от нераковых с помощью двух противоположных, несфокусированных лазерных лучей.

Ловушки на основе многомодового волокна

Оптический ротатор клеток — это волоконная лазерная ловушка, которая может удерживать и точно ориентировать живые клетки для томографической микроскопии.

В то время как более ранние версии волоконных лазерных ловушек использовали исключительно одномодовые лучи, М. Крейсинг и его коллеги недавно показали, что осторожное возбуждение дополнительных оптических мод в коротком отрезке оптического волокна позволяет реализовать нетривиальную геометрию захвата. Благодаря этому исследователи смогли ориентировать под микроскопом различные типы клеток человека (отдельные клетки и кластеры). Основным преимуществом так называемой технологии «оптического вращения ячеек» перед стандартными оптическими пинцетами является отделение захвата от оптики формирования изображения. Это, его модульная конструкция и высокая совместимость расходящихся лазерных ловушек с биологическим материалом указывают на большой потенциал этого нового поколения лазерных ловушек в медицинских исследованиях и науках о жизни. Недавно на основе адаптивной оптики была реализована технология вращения оптической ячейки , позволяющая динамически переконфигурировать оптическую ловушку в процессе работы и адаптировать ее к образцу.

Сортировка ячеек

Одна из наиболее распространенных систем сортировки клеток использует проточную цитометрию посредством флуоресцентной визуализации . В этом методе суспензия биологических клеток сортируется в два или более контейнеров на основе конкретных флуоресцентных характеристик каждой клетки во время вспомогательного потока. Используя электрический заряд, в котором «захвачены» клетки, клетки затем сортируются на основе измерений интенсивности флуоресценции. Процесс сортировки осуществляется с помощью электростатической системы отклонения, которая распределяет клетки по контейнерам в зависимости от их заряда.

В оптически активируемом процессе сортировки клетки попадают в оптический ландшафт, т.е. 2D или 3D оптические решетки. Без какого-либо индуцированного электрического заряда ячейки будут сортироваться на основе их собственных свойств показателя преломления, и их можно будет переконфигурировать для динамической сортировки. Оптическая решетка может быть создана с использованием дифракционной оптики и оптических элементов.

С другой стороны, К. Ладавак и др. использовали пространственный модулятор света, чтобы проецировать диаграмму интенсивности, чтобы обеспечить процесс оптической сортировки. К. Сяо и Д. Г. Гриер применили голографическую видеомикроскопию, чтобы продемонстрировать, что этот метод позволяет сортировать коллоидные сферы с разрешением в части на тысячу по размеру и показателю преломления.

Основным механизмом сортировки является расположение точек оптической решетки. Когда клетка проходит через оптическую решетку, возникают силы, возникающие из-за силы сопротивления частиц , которая напрямую конкурирует с силой оптического градиента (см. Физику оптических пинцетов) из точки оптической решетки. Изменяя расположение точек оптической решетки, создается предпочтительный оптический путь, в котором оптические силы являются доминирующими и смещенными. Благодаря потоку клеток возникает результирующая сила, направленная вдоль предпочтительного оптического пути. Следовательно, существует связь скорости потока с силой оптического градиента. Регулируя две силы, можно добиться хорошей эффективности оптической сортировки.

Конкуренция сил в сортировочной среде требует тонкой настройки, чтобы добиться высокой эффективности оптической сортировки. Необходимость в основном связана с балансом сил; сила сопротивления из-за потока жидкости и сила оптического градиента из-за расположения пятна интенсивности.

Ученые из Университета Сент-Эндрюс получили значительное финансирование от Исследовательского совета по инженерным и физическим наукам Великобритании ( EPSRC ) на создание оптической сортировочной машины. Эта новая технология может конкурировать с традиционной сортировкой клеток, активируемой флуоресценцией.

Исчезающие поля

Исчезающее поле представляет собой остаточное оптическое поле , которое «утекает» во время полного внутреннего отражения . Эта «утечка» света гаснет с экспоненциальной скоростью. Туманное поле нашло ряд применений в визуализации с нанометровым разрешением (микроскопия); оптические микроманипуляции (оптические пинцеты) становятся все более актуальными в научных исследованиях.

В оптических пинцетах можно создать непрерывное исчезающее поле, когда свет распространяется по оптическому волноводу (множественное полное внутреннее отражение ). Возникающее в результате исчезающее поле имеет направленное направление и будет продвигать микрочастицы по пути распространения. Впервые эта работа была предпринята С. Каватой и Т. Сугиурой в 1992 году, которые показали, что поле может быть связано с частицами, находящимися вблизи частиц порядка 100 нанометров. Эта прямая связь поля рассматривается как своего рода туннелирование фотонов через зазор от призмы к микрочастицам. Результатом является направленная оптическая движущая сила.

В недавней обновленной версии оптических пинцетов с исчезающим полем используются расширенные оптические ландшафтные диаграммы для одновременного направления большого количества частиц в предпочтительном направлении без использования волновода . Это называется безлинзовым оптическим захватом («LOT»). Упорядоченному движению частиц способствует введение правила Рончи , которое создает четко определенные оптические потенциальные ямы (заменяющие волновод). Это означает, что частицы приводятся в движение исчезающим полем, но захватываются линейными яркими полосами. В настоящее время ученые также работают над фокусированными исчезающими полями.

В недавних исследованиях исчезающее поле, генерируемое лазером среднего инфракрасного диапазона, использовалось для выборочной сортировки частиц посредством молекулярного колебательного резонанса. Средний инфракрасный свет обычно используется для идентификации молекулярных структур материалов, поскольку колебательные моды существуют в средней инфракрасной области. Исследование Стаценко и др. описал усиление оптической силы за счет молекулярного колебательного резонанса путем возбуждения моды растяжения связи Si-O-Si на длине волны 9,3 мкм. Показано, что микросферы кремнезема, содержащие значительную связь Si-O-Si, движутся до десяти раз быстрее, чем микросферы полистирола, за счет молекулярного колебательного резонанса. Более того, эта же группа также исследовала возможность оптической силовой хроматографии, основанной на молекулярном колебательном резонансе.

Другой подход, который был недавно предложен, использует поверхностные плазмоны, которые представляют собой усиленную затухающую волну, локализованную на границе раздела металл/диэлектрик. Усиленное силовое поле, испытываемое коллоидными частицами, подвергающимися воздействию поверхностных плазмонов. На границе раздела плоский металл/диэлектрик впервые была измерена с помощью фотонного силового микроскопа, причем общая величина силы оказалась в 40 раз сильнее, чем у обычной затухающей волны. Нанося на поверхность рисунок микроскопических островков золота, можно обеспечить избирательный и параллельный захват этих островков. Силы последних оптических пинцетов лежат в фемтоньютонном диапазоне.

Эванесцентное поле также можно использовать для улавливания холодных атомов и молекул вблизи поверхности оптического волновода или оптического нановолокна .

Косвенный подход

Минг Ву, Калифорнийского университета в Беркли, профессор электротехники и информатики изобрел новый оптоэлектронный пинцет.

Ву преобразовал оптическую энергию маломощных светоизлучающих диодов (LED) в электрическую энергию через фотопроводящую поверхность. Идея состоит в том, чтобы позволить светодиоду включать и выключать фотопроводящий материал посредством его точной проекции. Поскольку оптический рисунок можно легко трансформировать с помощью оптической проекции, этот метод обеспечивает высокую гибкость переключения различных оптических ландшафтов.

Процесс манипуляции/пинцета осуществляется за счет изменения электрического поля, вызываемого световым узором. Частицы будут либо притягиваться, либо отталкиваться от точки срабатывания из-за индуцированного ею электрического диполя. Частицы, взвешенные в жидкости, будут чувствительны к градиенту электрического поля, это известно как диэлектрофорез .

Одним из явных преимуществ является то, что электропроводность разных типов клеток различна. Живые клетки имеют более низкую проводящую среду, а мертвые имеют минимальную проводящую среду или вообще ее не имеют. Система может одновременно манипулировать примерно 10 000 клетками или частицами.

См. комментарии профессора Кишана Дхолакии об этой новой методике, К. Дхолакия, Nature Materials 4, 579–580 (1 августа 2005 г.) Новости и взгляды.

«Система смогла перемещать живые бактерии E. coli и частицы шириной 20 микрометров, используя выходную оптическую мощность менее 10 микроватт. Это одна стотысячная мощности, необходимой для [прямого] оптического пинцета».

Еще одним заметно новым типом оптических пинцетов являются оптотермические пинцеты, изобретенные Юэбин Чжэном из Техасского университета в Остине . Стратегия состоит в том, чтобы использовать свет для создания температурного градиента и использовать термофоретическую миграцию вещества для оптического захвата. Далее команда объединила термофорез с лазерным охлаждением для разработки опто-холодильных пинцетов, позволяющих избежать термических повреждений при неинвазивном оптическом захвате и манипулировании.

Оптическая привязка

Когда кластер микрочастиц захватывается монохроматическим лазерным лучом, организация микрочастиц внутри оптического захвата сильно зависит от перераспределения сил оптического захвата между микрочастицами. Такое перераспределение сил света среди кластера микрочастиц обеспечивает новое силовое равновесие в кластере в целом. Таким образом, мы можем сказать, что кластер микрочастиц в некоторой степени связан вместе светом. Об одном из первых экспериментальных свидетельств оптического связывания сообщили Майкл М. Бернс, Жан-Марк Фурнье и Джин А. Головченко. хотя изначально это было предсказано Т. Тирунамачандраном. Одно из многих недавних исследований оптической связи показало, что для системы хиральных наночастиц величина сил связи зависит от поляризации лазерного луча и направленности самих взаимодействующих частиц. с потенциальным применением в таких областях, как разделение энантиомеров и оптическая наноманипуляция.

Флуоресцентный оптический пинцет

Чтобы одновременно манипулировать образцами, проявляющими флуоресценцию , и визуализировать их , оптический пинцет можно использовать вместе с флуоресцентным микроскопом . Такие инструменты особенно полезны, когда речь идет об изучении отдельных или небольших количеств биологических молекул, помеченных флуоресцентной меткой, или в приложениях, в которых флуоресценция используется для отслеживания и визуализации объектов, которые необходимо захватить.

Этот подход был расширен для одновременного обнаружения и визуализации динамических белковых комплексов с использованием длинных и прочных привязей, генерируемых высокоэффективным многоэтапным ферментативным подходом. и применялся к исследованию машин дезагрегации в действии.

Пинцет в сочетании с другими методами визуализации

Помимо «стандартных» флуоресцентных оптических пинцетов в настоящее время создаются многоцветные конфокальные, широкопольные, STED, FRET, TIRF или IRM.

Это позволяет использовать такие приложения, как измерение: связывания локализации белка/ДНК, сворачивания белка, конденсации, генерации силы моторного белка, визуализации филаментов цитоскелета и моторной динамики, динамики микротрубочек, управления каплями жидкости (реология) или слияния. Эти установки сложно построить, и они традиционно встречаются в некоррелированных «академических» установках. В последние годы даже строители домов (как биофизики, так и общие биологи) переходят на альтернативу и приобретают комплексное коррелированное решение с простым сбором и анализом данных.

См. также

• Атомная оптика
• Левитация
• Список лазерных статей
• Количественный контроль
• Квантовая оптика

Внешние ссылки

• Видео: Левитация АЛМАЗОВ лазерным лучом