Оптичні мікроманипулятори

0
3

В останньому випуску журналу Nature Photonics з’явилася невеличка добірка статей з маніпулювання мікрочастинок лазерними променями. Всі статті знаходяться у вільному доступі, принаймні зараз.

Ось короткий опис.

Ключовий інструмент у цій галузі — так званий оптичний пінцет, вузько сфокусований лазерний промінь, у фокусі якого утримується мікрочастинка, окремі молекули або багато молекул. Тримаються вони в фокусі самостійно за рахунок того, що в неоднорідному світловому полі виникають сили, втягуючі діелектричні частинки в область самого сильного поля. З окремими атомами, правда, ситуація дещо складніша, потрібна чітка підстроювання частоти лазера під резонанс, а також потрібно охолодити атоми, щоб вони не вилітали з оптичної потенційної ями.

Придумав оптичний пінцет Артур Ашкин (в добірці є інтерв’ю з ним) в 1978 році, реалізований він був 1986. Подальший розвиток цієї методики призвело як мінімум до двох нобелівських премій: премія 1997 року за охолодження і утримування атомів в оптичній пастці і премія 2001 року за створення атомних бозе-конденсатів.

Як тільки оптичний пінцет був створений, його одразу ж застосували в біофізиці. У фокусі лазерного променя можна утримувати живі клітини або навіть окремі біологічно важливі молекули. Їх можна пересувати, обертати, розсовувати в сторони (двома променями), утримувати проти течії рідини і т. д. Більше того, стверджується навіть, що можна маніпулювати окремими органеллами всередині клітин — виходить така собі внутрішньоклітинна хірургія!

Експеримент по розтягування молекули ДНК і графік сили в залежності від довжини розтягування. Зображення з Nature Photonics 5, 318-321 (2011).

Такі експерименти дозволяють вимірювати механічні властивості молекул і клітин (в пиконьютоновом діапазоні сил), вивчати зникнення і формування структури при розплутуванні і спутывании довгих молекул під навантаженням, і так далі. І причому все це робиться не на підкладці, не з допомогою механічних контактів, а буквально в підвішеному стані. Зараз ці біофізичні застосування оптичного пінцета дійшли до такої стадії, що вдається керувати зміщенням молекул з точністю до ангстреми і, приміром, відчувати окремі кроки довжиною 3,4 А, які робить РНК-полімераза при своєму русі вздовж спіралі ДНК. Всім цим досягненням присвячений огляд Optical tweezers study life under tension з добірки.

Крім безпосередньо прикладного застосування, вивчаються і розвиваються додаткові можливості оптичних пінцетів, пов’язані з тонкою настройкою амплітудного та фазового розподілу світлової хвилі поблизу фокуса. Ось тільки один приклад, описаний в огляді Shaping the future of manipulation. Існують так звані бездифракционные пучки, які центральна яскрава серцевина тягнеться на ненормально довгі дистанції без дефокусування. У найпростішому випадку (бесселевы пучки) ця серцевина пряма, але є і більш хитрі пучки, в яких серцевина крива, в пучках Ейрі, наприклад, вона має форму параболи. Більш того, буквально днями в PRL з’явилася стаття, в якій стверджується, що цієї серцевини можна надати форму довільній опуклої кривої!

Отримання і розповсюдження деяких бездифракційних пучків: вгорі бесселев пучок, внизу — пучок Ейрі. Яскрава серцевина йде практично без дефокусування. Зображення з Nature Photonics 5, 335-342 (2011).

Так ось, якщо це реалізувати, то захоплена в яскравий канал частинка буде переноситися вздовж нього, не йдучи в бік. Це дозволить безконтактно(!) переміщати клітини на відстані в декілька міліметрів, змушуючи їх проходити через різні камери автоматичного микрофлюидного пристрою і піддаватися різним впливам.

Ще один напрям розвитку оптичних пінцетів — використання лазерного променя з орбітальним кутовим моментом, про який я тут недавно розповідав. Цій темі присвячений огляд Tweezers with a twist. Такі промені корисні тим, що вони дозволяють контролювати обертання частинок, а також дозволяють утримувати їх не в точці, уздовж кільця.

Нарешті, в збірці є ще статті про плазмонні і про оптоелектронні пінцети.

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here