Оптические пинцеты

Фотография наночастицы (диаметр 103 нм), пойманная в ловушку оптическим пинцетом. Наночастица можно рассматривать как крошечное яркое пятно в середине. Для дополнительного контроля два меди -электрода расположены выше и ниже частицы.

Оптические пинцеты (первоначально называемые ловушкой силы градиента ) являются научными инструментами , которые используют высоко сфокусированный лазерный луч для удержания и перемещения микроскопических и субмикроскопических объектов, таких как атомы , наночастицы и капли, аналогично пинцерам . Если объект удерживается в воздухе или вакууме без дополнительной поддержки, его можно назвать оптической левитацией .

Лазерный свет обеспечивает привлекательную или отталкивающую силу (обычно по порядку Pico Newtons ), в зависимости от относительного показателя преломления между частицами и окружающей средой. Левитация возможна, если сила света противостоит силе гравитации . Захватываемые частицы обычно имеют микрон или даже меньше. Диэлектрические и поглощающие частицы также могут быть пойманы в ловушку.

Оптические пинцеты используются в биологии и медицине (например, для захвата и удержания одной бактерии , клетки, похожих на сперматозоиду или клетку крови , или молекулу, такую ​​как ДНК ), наноинженерию и нанохимию (для изучения и построения материалов из отдельных молекул ) и Квантовая оптика квантовая оптомеханика (для изучения взаимодействия отдельных частиц со светом). Развитие оптического питания Артура Ашкина была похвала Нобелевской премией 2018 года по физике .

История и развитие

Обнаружение оптического рассеяния и градиентных сил на частицах микронного размера впервые сообщили в 1970 году Артуром Ашкином, ученым, работающим в Bell Labs . Спустя годы ашкин и коллеги сообщили о первом наблюдении за то, что в настоящее время обычно называют оптическим пинцом: плотно сфокусированный луч света, способного удерживать микроскопические частицы, стабильные в трех измерениях. В 2018 году Ашкин был удостоен Нобелевской премии по физике за это развитие.

Один автор этой основополагающей статьи 1986 года, Стивен Чу , продолжит использовать оптическое питание в своей работе по охлаждению и нейтральным атомам захвата. Это исследование получило Чу Нобелевскую премию 1997 года по физике наряду с Клодом Коэн-Таннуджи и Уильямом Д. Филлипсом . В интервью Стивен Чу рассказал, как Ашкин сначала представлял оптическое питание как метод для ловушки атомов. Ашкин смог поймать более крупные частицы (диаметром от 10 до 10 000 нанометров), но он упал на Чу, чтобы расширить эти методы до захвата нейтральных атомов (0,1 нанометра в диаметре), используя резонансные лазерные свети Оптическая ловушка ).

В конце 1980 -х годов Артур Ашкин и Джозеф М. Дзиедзич продемонстрировали первое применение технологии к биологическим наукам, используя ее для ущерба индивидуальной табачной мозаике и Escherichia coli . бактерии В течение 1990-х годов и впоследствии такие исследователи, как Карлос Бустаманте , Джеймс Спудич и Стивен Блок, пионеровали использование спектроскопии оптической ловушки для характеристики биологических двигателей молекулярного масштаба. Эти молекулярные двигатели являются вездесущими по биологии и ответственны за локомоцию и механическое действие в клетке. Оптические ловушки позволили этим биофизикам наблюдать за силами и динамикой наноразмерных двигателей на уровне одной молекулы ; С тех пор оптическая силовая спектроскопия приводила к большему пониманию стохастической природы этих приглушенных молекул.

Оптические пинцеты оказались полезными и в других областях биологии. Они используются в синтетической биологии для построения тканевых сетей искусственных клеток, и объединить синтетические мембраны вместе инициировать биохимические реакции. Они также широко используются в генетических исследованиях и исследования по структуре хромосом и динамике. В 2003 году в области сортировки клеток были применены методы оптических пинцетов; Создавая большую картину оптической интенсивности по площади образца, клетки могут быть отсортированы по их внутренним оптическим характеристикам. Оптические пинцет также использовались для исследования цитоскелета , измерение вязко-эластичных свойств биополимеров , и изучить подвижность клеток . Биомолекулярный анализ, в котором кластеры наночастиц, покрытых лигандом и экспериментально продемонстрировано в 2013 году.

Оптические пинцет также используются для ловушки атомов лазерного охлаждения в вакууме, в основном для применений в квантовой науке. Некоторые достижения в этой области включают в себя захват одного атома в 2001 году, захват двухмерных массивов атомов в 2002 году, захват сильно взаимодействующих запутанных пар в 2010 году, В 2016 году захватывало 2-мерные массивы атомов в 2016 году и 3-мерные массивы в 2018 году. Эти методы использовались в квантовых симуляторах для получения программируемых массивов 196 и 256 атомов в 2021 году. и представляют многообещающую платформу для квантовых вычислений.

Исследователи работали над преобразованием оптических пинцетов из крупных, сложных инструментов в более мелкие, более простые, для использования теми, у кого меньшие бюджеты на исследования.

Физика

Диэлектрические объекты притягиваются к центру луча, немного над талией луча, как описано в тексте. Сила, применяемая на объекте, линейно зависит от его смещения из центра ловушек, как и в случае с простой пружинной системой. Это восстанавливающая сила и, следовательно, равна $-k_{\mathrm {trap} }x$.

Общее описание

Оптические пинцеты способны манипулировать нанометрами и диэлектрическими частицами микронного размера и даже отдельными атомами, оказывая чрезвычайно мелкие силы через высоко сфокусированный лазерный луч. Луч обычно сосредоточен на том, чтобы отправлять его через цель микроскопа . Рядом с самой узкой точкой сфокусированного луча, известной как талия луча , амплитуда колебания электрического поля быстро варьируется в пространстве. Диэлектрические частицы притягиваются вдоль градиента к области наиболее сильного электрического поля, которая является центром пучка. Лазерный свет также имеет тенденцию применять силу на частицы в луче вдоль направления распространения пучка. Это связано с сохранением импульса : фотоны, которые поглощаются или рассеяны крошечным импульсом диэлектрической частицы в диэлектрическую частицу. Это известно как сила рассеяния и приводит к тому, что частица будет смещена, немного ниже по течению от точного положения талии пучка, как видно на рисунке.

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

Для количественных научных измерений большинство оптических ловушек работают таким образом, что диэлектрическая частица редко перемещается далеко от центра ловушек. Причина этого заключается в том, что сила, приложенная к частице, является линейной по отношению к ее смещению из центра ловушки, пока смещение невелико. Таким образом, оптическую ловушку можно сравнить с простой пружиной, которая следует за законом Гука .

Дополнительная информация о силе рассеяния света: радиационное давление

Подробный вид

Правильное объяснение поведения оптического улавливания зависит от размера захваченной частицы относительно длины волны света, используемой для ее ущерба. В тех случаях, когда размеры частицы намного больше, чем длина волны, достаточно простой обработки из лучей. Если длина волны света намного превышает размеры частиц, частицы можно рассматривать как электрические диполи в электрическом поле. Для оптического захвата диэлектрических объектов размеров в пределах порядка длины волны луча захвата, единственные точные модели включают обработку либо зависимых от времени, либо временных гармонических уравнений Максвелл с использованием соответствующих граничных условий.

Ray Optics

Оптика Ray Optics (сфокусированный лазер). Когда шарика смещена из центра луча (правое изображение), более широкое изменение импульса более интенсивных лучей вызывает применение чистой силы обратно к центру лазера. Когда бусинка расположена в боковом центре на луче (левое изображение), результирующая боковая сила равен нулю. Но сфокусированный лазер по -прежнему вызывает силу, указывающую в сторону от лазера.

Рэй Оптика Объяснение (сфокусированный лазер). В дополнение к сохранению шарика в центре лазера, сфокусированный лазер также удерживает бусин в фиксированном осевом положении: изменение импульса сфокусированных лучей вызывает силу к лазерному фокусированию, оба когда бусинка находится спереди (слева изображение) или позади (правильное изображение) Таким образом, бусинка будет немного отставать от фокуса, где эта сила компенсирует силу рассеяния.

В тех случаях, когда диаметр захваченной частицы значительно больше, чем длина волны света, явление захвата можно объяснить с использованием лучей оптики. Как показано на рисунке, отдельные лучи света, излучаемые из лазера, будут преломляться , когда он входит и выходит из диэлектрического шарика. В результате луч будет выйти в направлении, отличном от которого он возник. Поскольку свет имеет импульс, связанный с ним, это изменение в направлении указывает на то, что его импульс изменился. Из -за третьего закона Ньютона на частице должно быть равное и противоположное изменение импульса.

Большинство оптических ловушек работают с интенсивностью профиля гауссового луча (режим TEM ₀₀ ). В этом случае, если частица вытесняется из центра луча, как в правой части рисунка, у частица есть чистая сила, возвращающая ее в центр ловушки, потому что более интенсивные лучи придают больший изменение импульса в сторону Центр ловушки, чем менее интенсивные балки, которые придают меньший импульс, изменяющийся от центра ловушки. Чистое изменение импульса или сила возвращает частицу в центр ловушек.

Если частица расположена в центре луча, то отдельные лучи света преломляют через симметрически частицы, что не приводит к чистой боковой силе. Чистая сила в этом случае находится вдоль осевого направления ловушки, что отменяет силу рассеяния лазерного света. Отмена этой осевой силы градиента с силой рассеяния - это то, что приводит к стабильно захвату шарика, слегка вниз по течению от талии пучка.

Стандартные пинцетки работают с лазером, распространяемым в направление гравитации и перевернутые пинцетки работают против гравитации.

Электрический дипольный аппроксимация

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

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

Сила на диполе может быть рассчитана путем замены двух терминов на электрическое поле в приведенном выше уравнении, по одному для каждого заряда. Поляризация ​ диполя $\mathbf {p} =q\mathbf {d} ,$ где $\mathbf {d}$ это расстояние между двумя зарядами. Для точечного диполя расстояние бесконечно , $\mathbf {x} _{1}-\mathbf {x} _{2}.$ Принимая во внимание, что эти два обвинения имеют противоположные знаки, сила принимает форму

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

Обратите внимание, что $\mathbf {E_{1}}$ Отменить. Умножение на заряд, $q$, конвертирует положение, $\mathbf {x}$, 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 предполагалось, что диэлектрическая частица является линейной (т.е. $\mathbf {p} =\alpha \mathbf {E}$).

На последних этапах будут использоваться два равенства: (1) равенство векторного анализа , (2) Закон об 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 в приведенном выше уравнении силы. Уравнение Максвелла будет заменено на второй термин в векторном равенстве. Тогда два термина, которые содержат производные временных, могут быть объединены в один термин.

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

Второй термин в последнем равенстве - это производная времени количества, которая связана с мультипликативной постоянной с вектором Poynting , которая описывает мощность на единицу площади, проходящую через поверхность. Поскольку сила лазера постоянна, когда выборка по частотам намного дольше, чем частота света лазера ~ 10 ¹⁴ Гц, производная этого термина в среднем до нуля, а сила может быть написана 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 второй части мы включили индуцированный дипольный момент (в единицах MKS) 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 частиц, $n_{0}$ является индексом преломления частицы и $m=n_{0}/n_{1}$ это относительный показатель преломления между частицами и средой. Квадрат величины электрического поля равна интенсивности луча в зависимости от положения. Следовательно, результат указывает на то, что сила на диэлектрической частице при обработке как точечный диполь пропорциональна градиенту вдоль интенсивности луча. Другими словами, градиентная сила, описанная здесь, имеет тенденцию привлекать частицу к области самой высокой интенсивности. В действительности сила рассеяния света работает против градиентной силы в осевом направлении ловушки, что приводит к равновесному положению, которое немного смещено ниже по течению от максимума интенсивности. Под приближением Рэлея мы также можем написать 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 является изотропным, чистый импульс передается в прямом направлении. На квантовом уровне мы представляем градиентную силу как прямое рассеяние Рэлея, в котором идентичные фотоны создаются и уничтожаются одновременно, в то время как в рассеянном (радиационном) заставляет падающие фотоны двигаться в том же направлении и «рассеять» изотропически. При сохранении импульса частица должна накапливать первоначальный импульс фотонов, вызывая вперед силу в последнем.

Гармоническое потенциальное приближение

Полезным способом изучения взаимодействия атома в гауссовом луче является рассмотрение гармонического потенциального приближения профиля интенсивности, которое испытывает атом. В случае двухуровневого атома, потенциальный опыт связан с его сменой AC Stark ,

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

где $\Gamma$ естественная ширина линии возбужденного состояния, $\mu$ Электрическая дипольная связь, $\omega _{o}$ частота перехода, и $\delta$ Разрушение или разница между лазерной частотой и частотой перехода.

Интенсивность профиля гауссового луча характеризуется длиной волны $(\lambda )$, минимальная талия $(w_{o})$и сила луча $(P_{o})$Полем Следующие формулы определяют профиль луча:

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

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

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

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

Чтобы приблизить этот гауссовый потенциал как в радиальных, так и в осевых направлениях пучка, профиль интенсивности должен быть расширен до второго порядка в $z$ и $r$ для $r=0$ и $z=0$ соответственно и приравнивается к гармоническому потенциалу ${\frac {1}{2}}m(\omega _{z}^{2}z^{2}+\omega _{r}^{2}r^{2})$Полем Эти расширения оцениваются, предполагая фиксированную мощность.

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

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

Это означает, что при решении гармонических частот (или частот ловушек при рассмотрении оптических ловушек для атомов) частоты даются 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 радиальных и осевых направлений как функция только для шкалы пучки талии как:

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

Оптическая левитация

Чтобы поднять частицу в воздухе, силы тяжести должна противостоять силу гравитации, вытекающие из переноса фотонного импульса . Обычно фотонно -радиационное давление сфокусированного лазерного луча достаточного количества интенсивности противодействует силе тяжести вниз, а также предотвращает боковую (от стороны в сторону) и вертикальную нестабильность, чтобы обеспечить стабильную оптическую ловушку, способную удерживать мелкие частицы в суспензии.

прозрачные диэлектрические сферы (от нескольких до 50 микрометров в диаметре), такие как сферы с плавлеными кремнеземами В рамках этого типа используются , капли масла или воды. Лазерное излучение может быть зафиксировано на длине волны, например, ионо -лазерного лазера аргона или настраиваемого лазера красителя . лазерной работы Требуемая мощность составляет 1 ватт, сфокусированный на пятнах нескольких десятков микрометров. Явления, связанные с морфологией, зависимыми от резонансов в сферической оптической полости, были изучены несколькими исследовательскими группами.

Для блестящего объекта, такого как металлическое микрохр, стабильная оптическая левитация не была достигнута. Оптическая левитация макроскопического объекта также теоретически возможна, и может быть усилен наноструктуризацией.

Материалы, которые были успешно левитированы, включают черный ликер, оксид алюминия, вольфрам и никель.

Оптотермические пинцеты

За последние два десятилетия оптические силы объединяются с термофоретическими силами, чтобы обеспечить захват при пониженных лазерных мощностях, что приводит к минимизированному повреждению фотонов. Внедряя легкие поглощающие элементы (либо частицы, либо субстраты), создаются микромасштабные градиенты температуры, что приводит к термофорезу . Как правило, частицы (включая биологические объекты, такие как клетки, бактерии, ДНК/РНК), дрейфуют к холоду, что приводит к отталкиванию частиц с использованием оптических пинцетов. Преодоление этого ограничения, различные методы, такие как формирование луча и модификация раствора с помощью электролитов и поверхностно -активных веществ были использованы для успешного ловушки объектов. Лазерное охлаждение также было достигнуто с помощью кристаллов иттрия, легированных иттербием, для генерации холодных пятен с использованием лазеров для достижения улавливания при уменьшении фотообесцвечивания . Температура выборки также была снижена для достижения оптического захвата для значительно увеличенного выбора частиц с использованием оптотермических пинцетов для применений доставки лекарств .

Настройки

Общая оптическая диаграмма пинцера с только самыми основными компонентами.

Самая основная оптическая настройка пинцетера, вероятно, будет включать в себя следующие компоненты: лазер (обычно nd: yag ), расширитель луча, некоторая оптика, используемая для управления местоположением луча в плоскости образца, объектива микроскопа и конденсатор для создания ловушки в Плость образца, детектор положения (например, квадрантный фотодиод ) для измерения перемещений пучка и источник освещения микроскопа в сочетании с камерой ПЗС .

ND : YAG -лазер (длина волны 1064 нм) является распространенным выбором лазера для работы с биологическими образцами. Это связано с тем, что такие образцы (в основном вода) имеют низкий коэффициент поглощения на этой длине волны. Рекомендуется низкое поглощение, чтобы свести к минимуму повреждение биологического материала, иногда называемого оптимом . Возможно, наиболее важным соображением в оптическом дизайне пинцово -пинцера является выбор цели. Стабильная ловушка требует, чтобы градиентная сила, которая зависит от численной апертуры (NA) объектива, была больше, чем сила рассеяния. Подходящие цели обычно имеют NA от 1,2 до 1,4.

Хотя доступны альтернативы, возможно, самый простой метод обнаружения положения включает визуализацию лазера захвата, выходящего из камеры образца на квадрантный фотодиод. Боковые отклонения луча измеряются аналогично тому, как это делается с использованием атомной силовой микроскопии (AFM) .

Расширение луча, излучаемого от лазера, чтобы заполнить апертуру цели, приведет к более плотному, ограниченному дифракционным пятном. В то время как боковой перевод ловушки относительно образца может быть достигнут путем перевода слайда микроскопа, большинство настройки пинцэзера имеют дополнительную оптику, предназначенную для перевода луча, чтобы дать дополнительную степень свободы трансляции. Это можно сделать путем перевода первого из двух линз, помеченных как «рулевое управление луча» на рисунке. Например, перевод этого объектива в боковой плоскости приведет к отклоненному луче из того, что нарисовано на рисунке. Если расстояние между линзами рулевого управления луча и целью будет выбран должным образом, это будет соответствовать аналогичному отклонению перед вступлением в цель и полученной боковой трансляции в плоскости образца. Положение балки талии, которая является фокусом оптической ловушки, может быть отрегулировано путем осевого смещения начальной линзы. Такое осевое смещение заставляет луч слегка расходится или сходится, результатом которого является осеально смещенное положение на талии пучка в камере образца.

Визуализация плоскости образца обычно выполняется посредством освещения с помощью отдельного источника света, связанного с оптическим пути в противоположном направлении, используя дихроичные зеркала . Этот свет инцидент на камере CCD и может быть просмотрен на внешнем мониторе или используется для отслеживания позиции захваченной частицы с помощью видеосессии .

Альтернативные режимы лазерного луча

Большинство оптических пинцетов используют ТЕМ ₀₀ обычные гауссовые балки . Однако ряд других типов лучей использовались для ловушки частиц, в том числе лазерные лучи высокого порядка, то есть Hermite-Gaussian Beams (TEM _XY ), лучи Laguerre-Gaussian (LG) (TEM _PL ) и лучи Бесселя .

Оптические пинцетки, основанные на лучах Laguerre-Gaussian, обладают уникальной способностью ловить частицы, которые являются оптически отражающими и поглощающими. Laguerre-Gaussian Beam также обладают четко определенным орбитальным угловым импульсом , который может вращать частицы. Это достигается без внешнего механического или электрического рулевого управления луча.

Балки Bessel и более высокого порядка также обладают уникальной способностью пинцета. Они могут ловить и вращать несколько частиц, которые составляют миллиметры друг от друга и даже вокруг препятствий.

Микромашины могут быть обусловлены этими уникальными оптическими лучами из -за их внутреннего вращающего механизма из -за спинового и орбитального углового импульса света.

Мультиплексированный оптический пинцет

Типичная настройка использует один лазер для создания одного или двух ловушек. Как правило, два ловушки генерируются путем разделения лазерного луча на два ортогонально поляризованных луча. Оптические операции по ликвидации с более чем двумя ловушками могут быть реализованы либо обменом временем одним лазерным лучом среди нескольких оптических пинцетов, или дифразирующим расщеплением луча на несколько ловушек. С акусто-оптическими дефлекторами или зеркалами, вызванными гальванометром , один лазерный луч может быть разделен среди сотен оптических пинцетов в фокальной плоскости или распространяться в расширенную одномерную ловушку. Специально разработанные дифракционные оптические элементы могут разделить один входной луче на сотни непрерывно освещенных ловушек в произвольных трехмерных конфигурациях. Голограмма, образующая ловушку, также может указать структуру режима каждой ловушки индивидуально, тем самым создавая массивы оптических вихрей, оптических пинцетов и ловушек голографической линии. При реализации с помощью пространственного светового модулятора такие голографические оптические ловушки также могут перемещать объекты в трех измерениях. Усовершенствованные формы голографических оптических ловушек с произвольными пространственными профилями, где контролируются гладкость интенсивности и фазы, находят применение во многих областях науки, от микроманипуляции до ультрафолдских атомов . Ультраколдские атомы также могут быть использованы для реализации квантовых компьютеров.

Оптические волокна в одиночном режиме

Стандартная оптоволоконная ловушка зависит от того же принципа, что и оптическое улово, но с гауссовым лазерным лучом, поставляемым через оптическое волокно . Если один конец оптического волокна отличается в грани, похожей на линзу , почти гауссовый луч, переносимый одним стандартным волокном с одним режимом, будет сфокусирован на некотором расстоянии от наконечника волокна. Эффективной численной апертуры такой сборки обычно недостаточно, чтобы обеспечить полную трехмерную оптическую ловушку, но только для 2D -ловушки (оптическое захват и манипулирование объектами будут возможны только тогда, когда, например, они находятся в контакте с поверхностью). Истинный трехмерный оптический захват, основанный на одном волокне, с точкой захвата, которая не находится почти в контакте с наконечником волокна, было реализовано на основе непрерывного расположения кольцевого волокна и геометрии полного внутреннего повторного рефлекса.

С другой стороны, если концы волокна не формируются, лазер, выходящий из волокна, будет расходиться, и, следовательно, стабильная оптическая ловушка может быть реализована только путем уравновешивания градиента и силы рассеяния с двух противоположных концов волокна. Градиентная сила задержит частицы в поперечном направлении, в то время как осевая оптическая сила исходит от силы рассеяния двух размножающих пучков, возникающих из двух волокон. Равновесное Z-положение такого захваченного шарика-это то, где две силы рассеяния равны друг другу. Эта работа была впервые заведена A. Constable et al. , Opt Летал 18 , 1867 (1993), а затем J.Guck et al. , Физ. Преподобный Летт 84 , 5451 (2000), который использовал эту технику для растяжения микрочастиц. Манипулируя входной мощностью в два конца волокна, будет увеличиваться «оптическое растяжение», которое можно использовать для измерения вязкоупругих свойств клеток, причем чувствительность достаточна для различения различных отдельных фенотипов цитоскелета. т.е. человеческие эритроциты и фибробласты мыши. Недавний тест добился большого успеха в дифференцировании раковых клеток от нездоровых из двух противоположных, не ориентированных лазерных лучей.

Многомодовые ловушки на основе волокна

Оптическая клеточная ротатор представляет собой лазерную ловушку на основе волокна, которая может удерживать и точно ориентировать живые клетки для томографической микроскопии.

В то время как более ранние версии лазерных ловушек на основе волокна использовались исключительно в одиночных режимах, M. kreysing и коллеги недавно показали, что тщательное возбуждение дальнейших оптических мод в короткой части оптического волокна позволяет реализовать нетривиальную геометрию захвата. Исследователями смогли ориентироваться на различные типы клеток человека (отдельные клетки и кластеры) на микроскоп. Основным преимуществом так называемой технологии «оптического клеточного ротатора» по сравнению с стандартными оптическими пинцетами является отделение улова от оптики визуализации. Это, его модульная конструкция и высокая совместимость дивергентных лазерных ловушек с биологическим материалом указывают на большой потенциал этого нового поколения лазерных ловушек в медицинских исследованиях и науке о жизни. Недавно технология оптического ротатора клеток была реализована на основе адаптивной оптики , что позволяет динамически реконфигурировать оптическую ловушку во время работы и адаптировать ее к образцу.

Сортировка клеток

Одна из наиболее распространенных систем сортировки клеток использует проточную цитометрию с помощью флуоресцентной визуализации . В этом методе суспензия биологических клеток сортируется по двум или более контейнерам, основываясь на конкретных флуоресцентных характеристиках каждой клетки во время вспомогательного потока. Используя электрический заряд, который ячейка «поймана» в, клетки затем отсортируют на основе измерений интенсивности флуоресценции. Процесс сортировки осуществляется электростатической системой отклонения, которая переносит ячейки в контейнеры на основе их заряда.

В процессе сортировки с оптически, клетки проводятся в оптический ландшафт IE 2D или 3D оптические решетки. Без какого-либо индуцированного электрического заряда ячейки будут сортироваться на основе их собственных свойств показателя преломления и могут быть повторной конфигурируемостью для динамической сортировки. Оптическая решетка может быть создана с использованием дифракционной оптики и оптических элементов.

С другой стороны, K. Ladavac et al. Использовал пространственный световой модулятор для проецирования рисунка интенсивности, чтобы обеспечить процесс оптической сортировки. К. Сяо и Д.Г. Грир применял голографическую видеопользо-микроскопию, чтобы продемонстрировать, что этот метод может сортировать коллоидные сферы с разрешением частично на тысячу для размера и показателя преломления.

Основным механизмом сортировки является расположение точек оптической решетки. Поскольку ячейка протекает через оптическую решетку, существуют силы из -за силы сопротивления частиц , которая непосредственно конкурирует с силой оптического градиента (см. Физику оптических пинцетов) из точки оптической решетки. Сдвинув расположение точки оптической решетки, существует предпочтительный оптический путь, где оптические силы являются доминирующими и предвзятыми. С помощью потока ячеек существует результирующая сила, которая направлена ​​вдоль того, что предпочитает оптический путь. Следовательно, существует связь скорости потока с силой оптического градиента. Регулируя две силы, одна сможет получить хорошую эффективность оптической сортировки.

Конкуренция сил в среде сортировки нуждается в тонкой настройке, чтобы добиться успеха в высокоэффективной оптической сортировке. Потребность в основном относится к балансу сил; Сила сопротивления из -за потока жидкости и силы оптического градиента из -за расположения пятно интенсивности.

Ученые из Университета Сент -Эндрюса получили значительное финансирование от британского исследовательского совета по инженерным и физическим наукам ( EPSRC ) для оптической сортировки. Эта новая технология может конкурировать с обычной флуоресцентной сортировкой клеток.

Эванерстные поля

Эвизионное поле остатка это оптическое поле , которое «утечка» во время общего внутреннего отражения . Это «утечка» света исчезает с экспоненциальной скоростью. Поле Evanescent обнаружило ряд применений в визуализации разрешения нанометра (микроскопия); Оптическая микроманипуляция (оптические пинцеты) становятся все более актуальными в исследованиях.

У оптических пинцет можно создавать непрерывное еванертное поле, когда свет распространяется с помощью оптического волновода (множественное общее внутреннее отражение ). Получающееся в результате провалочного поля имеет направленное чувство и будет продвигать микрочастицы вдоль его пропагандирующего пути. Эта работа была впервые впервые записана С. Каватой и Т. Сугиурой, в 1992 году, которые показали, что поле может быть связано с частицами в непосредственной близости от порядка 100 нанометров. Эта прямая связь поля рассматривается как тип фотонного туннелирования через разрыв от призмы до микрочастиц. Результатом является направленная оптическая движущая сила.

Недавняя обновленная версия оптических пинцетов Evanescent Field использует расширенные оптические ландшафтные модели для одновременного направления большого количества частиц в предпочтительное направление без использования волновода . Это называется без лизы оптического улавливания («лот»). Указывающему движению частиц помогает введение постановления Рончи , которое создает четко определенные оптические потенциальные скважины (заменив волновода). Это означает, что частицы приводятся в силу с эванерстным полем, находясь в ловушке линейными яркими полосами. На данный момент есть ученые, работающие и на сфокусированных сфокусированных областях.

В недавних исследованиях поля Evanescent, генерируемое лазером среднего инфракрасного поля, использовалась для сортировки частиц с помощью молекулярного вибрационного резонанса избирательно. Средний инфракрасный свет обычно используется для идентификации молекулярных структур материалов, поскольку вибрационные моды существуют в средней инфракрасной области. Исследование Statsenko et al. Описано усиление оптической силы молекулярным колебательным резонансом, захватывая режим растяжения связи Si-O-Si при 9,3 мкм. Показано, что микросфер кремнезема, содержащие значительные связи Si-O-Si, движутся в десять раз быстрее, чем полистирольные микросферы, из-за молекулярного колебательного резонанса. Более того, эта же группа также исследовала возможность оптической силы хроматографии на основе молекулярного вибрационного резонанса.

Другой подход, который был недавно предложен, использует поверхностные плазмоны, которая представляет собой усиленную эванерскую волну, локализованную на металлическом/диэлектрическом графике. Усиленное силовое поле, испытываемое коллоидными частицами, подвергшимися воздействию поверхностных плазпов На плоском металлическом/диэлектрическом границе раздела был впервые измерен с использованием фотонного силового микроскопа, причем общая силовая величина обнаруживается в 40 раз более сильнее по сравнению с нормальной эвенической волной. Совместно на поверхности золотыми микроскопическими островами можно иметь селективный и параллельный захват на этих островах. Силы последних оптических пинцетов лежат в линейке Femtonewton.

Эвизионное поле также может быть использовано для улавливания холодных атомов и молекул вблизи поверхности оптического волновода или оптического нановолокна .

Косвенный подход

Мин Ву, Калифорнийского университета в Беркли, профессор электротехники и компьютерных наук изобрел новые оптоэлектронные пинцеты.

Ву превратил оптическую энергию из диодов излучающих света с низким содержанием питания (светодиодов) в электрическую энергию через фотопроводящую поверхность. Идея состоит в том, чтобы позволить светодиоду включать и выключать фотопроводящий материал через его тонкую проекцию. Поскольку оптический рисунок может быть легко преобразован с помощью оптической проекции, этот метод обеспечивает высокую гибкость переключения различных оптических ландшафтов.

Процесс манипуляции/пинцета осуществляется путем изменений между электрическим полем, введенным в действие схема света. Частицы будут либо привлечены или отталкиваются из точки привязанности из -за его индуцированного электрического диполя. Частицы, подвешенные в жидкости, будут подвержены градиенту электрического поля, это известно как диэлектрофорез .

Одним из явных преимуществ является то, что электрическая проводимость различна между различными видами ячеек. Живые клетки имеют более низкую проводящую среду, в то время как мертвые имеют минимум или нет проводящей среды. Система может быть в состоянии манипулировать примерно 10000 клетками или частицами одновременно.

См. Комментарии профессора Кишана Дхолакии о этой новой технике, К. Долакия, Природа Материалы 4, 579–580 (01 августа 2005 г.) Новости и взгляды.

«Система была способна перемещать вживую бактерии E. coli и частицы шириной 20 микрометров, используя оптическую выходную мощность менее 10 микроватт. Это сто тысяч из тысяч мощности, необходимой для [прямых] оптических пинцетей».

Другим заметно новым типом оптических пинцетов является оптотермические пинцеты, изобретенные Юэбинг Чжэн в Техасском университете в Остине . Стратегия состоит в том, чтобы использовать свет, чтобы создать градиент температуры и использовать термофоретическую миграцию вещества для оптического захвата. Команда также интегрировала термофорез с лазерным охлаждением , чтобы разработать опторефригеровы, чтобы избежать теплового ущерба для неинвазивного оптического захвата и манипуляций.

Оптическое связывание

Когда кластер микрочастиц попадает в монохроматический лазерный луч, организация микрочастиц в рамках оптического захвата сильно зависит от перераспределения оптических сил захвата среди микрочастиц. Это перераспределение световых сил среди кластера микрочастиц обеспечивает новое равновесие силы на кластере в целом. Таким образом, мы можем сказать, что кластер микрочастиц несколько связан с светом. Один из первых экспериментальных доказательств оптического связывания был сообщен Майкл М. Бернс, Жан-Марк Фурнье и Джена А. Головченко, хотя изначально это было предсказано Т. Тирунамачандраном. Одно из многих недавних исследований оптического связывания показало, что для системы хиральных наночастиц величина сил связывания зависит от поляризации лазерного луча и передачи самих взаимодействующих частиц, с потенциальными применениями в таких областях, как энантиомерное разделение и оптическое наноманипуляция.

Флуоресцентная оптическая пинцета

Чтобы одновременно манипулировать образцами и образцами изображения, которые демонстрируют флуоресценцию , оптические пинцет могут быть построены вместе с флуоресцентным микроскопом . Такие инструменты особенно полезны, когда речь идет о изучении отдельного или небольшого количества биологических молекул, которые были флуоресцентно помечены, или в приложениях, в которых флуоресценция используется для отслеживания и визуализации объектов, которые должны быть пойманы.

Этот подход был расширен для одновременного восприятия и визуализации динамических белковых комплексов с использованием длинных и сильных тетерс, генерируемых высокоэффективным многоэтапным ферментативным подходом и применяется к исследованиям машин дезагрегации в действии.

Пинцет в сочетании с другими методами визуализации

Помимо «стандартных» флуоресцентных оптических пинцетов в настоящее время строятся с несколькими цветными конфокальными, широкими, STED, FRET, TIRF или IRM.

Это позволяет применениям, таким как измерение: связывание локализации белка/ДНК, складывание белка, конденсация, генерация силы моторного белка, визуализация цитоскелетных нитей и моторной динамики, динамики микротрубочек, манипулирование каплей жидкости (реология) или слияние. Эти настройки трудно построить и традиционно встречаются в не коррелированных «академических» настройках. В последние годы даже строители дома (как биофизика, так и общие биологи) конвертируются в альтернативу и получают общее коррелированное решение с простым сбором данных и анализом данных.

Смотрите также

• Оптика атома
• Левитация
• Список лазерных статей
• Контроль
• Квантовая оптика

Внешние ссылки

• Видео: левитирование бриллиантов с лазерным лучом