Оптический пинцет

редактировать

Оптический пинцет (первоначально называвшийся однолучевой градиентной силовой ловушкой ) - это научные инструменты, в которых используется сфокусированный луч лазера для удержания и перемещения микроскопических объектов, таких как атомы, наночастицы и капли, аналогично пинцету. Если объект удерживается в воздухе или вакууме без дополнительной опоры, это можно назвать оптической левитацией .

. Лазерный свет обеспечивает силу притяжения или отталкивания (обычно на порядка пико ньютонов ), в зависимости от относительного показателя преломления между частицей и окружающей средой. Левитация возможна, если сила света противостоит силе тяжести. Захваченные частицы обычно имеют размер мкм или меньше. Диэлектрические и поглощающие частицы также могут быть захвачены.

Оптический пинцет используется в биологии и медицине (например, для захвата и удержания одной бактерии или клетки например, сперматозоид, клетка крови или ДНК ), наноинженерия и нанохимия (для изучения и создания материалов от одиночных молекул ), квантовой оптики и квантовой оптомеханики (для изучения взаимодействия отдельных частиц со светом). Разработка оптического пинцета Артуром Ашкином была отмечена Нобелевской премией по физике 2018.

Содержание

1 История и развитие
2 Физика
- 2.1 Общее описание
- 2.2 Детальный вид
  - 2.2.1 Лучевая оптика
  - 2.2.2 Приближение электрического диполя
  - 2.2.3 Приближение гармонического потенциала
- 2.3 Оптическая левитация
3 Установки
- 3.1 Альтернативные режимы лазерного луча
- 3.2 Мультиплексный оптический пинцет
- 3.3 Одномодовые оптические волокна
- 3.4 Многомодовые волоконно-оптические ловушки
- 3.5 Сортировка ячеек
- 3.6 Эванесцентные поля
- 3.7 Косвенный доступ
- 3.8 Оптическая привязка
- 3.9 Флуоресцентный оптический пинцет
4 См. Также
5 Ссылки
6 Внешние ссылки

История и развитие

Об обнаружении оптического рассеяния и градиентных сил на частицах микронного размера впервые было сообщено в 1970 году. Артур Ашкин, ученый, работающий в Bell Labs. Спустя годы Ашкин и его коллеги сообщили о первом наблюдении того, что сейчас принято называть оптическим пинцетом: сильно сфокусированный луч света, способный удерживать микроскопические частицы стабильными в трех измерениях. В 2018 году за эту разработку Ашкину была присуждена Нобелевская премия по физике.

Один из авторов этой основополагающей статьи 1986 года, Стивен Чу, продолжил использовать оптическое выщипывание в своей работе по охлаждению и захвату нейтральных атомов. Это исследование принесло Чу Нобелевскую премию по физике 1997 года вместе с Клодом Коэн-Таннуджи и Уильямом Д. Филлипсом. В интервью Стивен Чу описал, как Ашкин впервые представил оптическое выщипывание как метод захвата атомов. Ашкину удавалось улавливать более крупные частицы (от 10 до 10 000 нанометров в диаметре), но Чу выпало расширить эти методы до улавливания нейтральных атомов (0,1 нанометра в диаметре) с использованием резонансного лазерного света и магнитной градиентной ловушки (см. Магнитооптическая ловушка ).

В конце 1980-х Артур Ашкин и Джозеф М. Дзедзич продемонстрировали первое применение этой технологии в биологических науках, использовав ее для улавливания индивидуального вируса табачной мозаики и бактерия Escherichia coli. На протяжении 1990-х годов и позже такие исследователи, как Карлос Бустаманте, Джеймс Спудич и Стивен Блок, первыми начали использовать оптическую ловушку силовой спектроскопии для характеризуют биологические моторы молекулярного масштаба. Эти молекулярные двигатели широко используются в биологии и отвечают за передвижение и механическое действие внутри клетки. Оптические ловушки позволили этим биофизикам наблюдать силы и динамику наноразмерных двигателей на уровне одной молекулы ; Оптическая силовая спектроскопия ловушек с тех пор привела к большему пониманию стохастической природы этих молекул, генерирующих силу.

Оптический пинцет оказался полезным и в других областях биологии. Они используются в синтетической биологии для создания тканеподобных сетей искусственных клеток и для слияния синтетических мембран вместе для инициирования биохимических реакций. Они также широко используются в генетических исследованиях и исследованиях структуры и динамики хромосом. В 2003 году методы оптического пинцета были применены в области сортировки клеток; создавая картину большой оптической интенсивности на площади образца, клетки можно сортировать по их внутренним оптическим характеристикам. Оптический пинцет также использовался для исследования цитоскелета, измерения вязкоупругих свойств биополимеров и исследования подвижности клеток. Биомолекулярный анализ, в котором кластеры наночастиц, покрытых лигандом, оптически захватываются и оптически обнаруживаются после образования кластеров, индуцированных целевой молекулой, был предложен в 2011 году и экспериментально продемонстрирован в 2013 году.

Эффект Капицы-Дирака, эффективно продемонстрированный в 2001 году, использует стоячие волны света для воздействия на пучок частиц.

Исследователи также работали над преобразованием оптических пинцетов из больших, сложных инструментов в более мелкие и простые, для использования теми, у кого меньше средств на исследования.

Физика

Диэлектрические объекты привлекают центр луча, немного выше талии луча, как описано в тексте. Сила, приложенная к объекту, линейно зависит от его смещения от центра ловушки, как и в случае простой пружинной системы. Это восстанавливающая сила и, следовательно, равна

- ktrapx {\ displaystyle -k _ {\ mathrm {trap}} x}

{\ displaystyle -k _ {\ mathrm {trap}} x}

Общее описание

Оптические пинцеты способны манипулировать нанометровыми и микронными размерами. диэлектрические частицы за счет приложения чрезвычайно малых сил посредством сильно сфокусированного лазерного луча. Луч обычно фокусируется, пропуская его через объектив микроскопа. Самая узкая точка сфокусированного луча, известная как перетяжка луча, содержит очень сильный градиент электрического поля. Диэлектрические частицы притягиваются по градиенту к области самого сильного электрического поля, которая является центром пучка. Лазерный свет также имеет тенденцию прикладывать силу к частицам в луче вдоль направления распространения луча. Это происходит из-за сохранения импульса : фотоны, которые поглощаются или рассеиваются крошечной диэлектрической частицей, передают импульс диэлектрической частице. Это известно как сила рассеяния и приводит к тому, что частица немного смещается вниз по потоку от точного положения перетяжки луча, как показано на рисунке.

Оптические ловушки - очень чувствительные инструменты, способные манипулировать и обнаруживать субнанометровые смещения субмикронных диэлектрических частиц. По этой причине они часто используются для манипулирования и изучения отдельных молекул путем взаимодействия с бусинкой, прикрепленной к этой молекуле. ДНК и белки и ферменты, которые с ней взаимодействуют, обычно изучаются таким образом.

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

Подробный вид

Правильное объяснение поведения оптического захвата зависит от размера захваченной частицы относительно длина волны света, используемая для его улавливания. В случаях, когда размеры частицы намного превышают длину волны, достаточно простой обработки лучевой оптикой. Если длина волны света намного превышает размеры частицы, 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 временных гармоник 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 вызывает результирующую силу нанести обратно к центру лазера. Когда борт центрируется по бокам на балке (левое изображение), результирующая боковая сила равна нулю. Но несфокусированный лазер по-прежнему вызывает силу, направленную от лазера.

Объяснение лучевой оптики (сфокусированный лазер). Помимо удержания шарика в центре лазера, сфокусированный лазер также удерживает шарик в фиксированное осевое положение: изменение импульса сфокусированных лучей вызывает силу в направлении лазерного фокуса, когда шарик находится спереди (левое изображение) или позади (правое изображение) лазерного фокуса. Таким образом, шарик будет оставаться немного позади фокуса, где эта сила компенсирует силу рассеяния.

В случаях, когда диаметр захваченной частицы значительно больше, чем длина волны света, явление захвата можно объяснить с помощью лучевой оптики. Как показано на рисунке, отдельные лучи света, испускаемые лазером, будут преломляться, когда они входят и выходят из диэлектрического валика. 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, у частицы должно быть равное и противоположное изменение импульса.

Большинство оптических ловушек работают с профилем интенсивности гауссова пучка (режим TEM 00). В этом случае, если частица перемещается из центра пучка, как показано в правой части рисунка, частица имеет результирующую силу, возвращающую ее к центру ловушки, поскольку более интенсивные пучки передают большее изменение импульса в сторону центр ловушки, чем менее интенсивные пучки, которые передают меньшее изменение импульса вдали от центра ловушки. Общее изменение импульса или силы возвращает частицу в центр ловушки.

Если частица расположена в центре луча, то отдельные лучи света симметрично преломляются через частицу, в результате чего отсутствует результирующая боковая сила. Суммарная сила в этом случае действует в осевом направлении ловушки, что нейтрализует силу рассеяния лазерного света. Компенсация этой силы осевого градиента с помощью силы рассеяния - это то, что заставляет валик стабильно захватываться немного ниже по потоку от перетяжки луча.

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

Электродипольное приближение

В случаях, когда диаметр захваченной частицы значительно меньше длины волны света, выполняются условия рэлеевского рассеяния и частица может рассматриваться как точка диполя в неоднородном электромагнитном поле. Сила, приложенная к одиночному заряду в электромагнитном поле, известна как сила Лоренца,

F 1 = q (E 1 + d x 1 d t × B). {\ displaystyle \ mathbf {F_ {1}} = q \ left (\ mathbf {E_ {1}} + {\ frac {d \ mathbf {x_ {1}}} {dt}} \ times \ mathbf {B}) \ right).}

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

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

F = q (E 1 (x, y, z) - E 2 (x, y, z) + d (x 1 - x 2) dt × B) = q (E 1 (x, y, z) + (( x 1 - x 2) ⋅ ∇) E - E 1 (x, y, z) + d (x 1 - x 2) dt × B). {\ Displaystyle {\ begin {align} \ mathbf {F} = q \ left (\ mathbf {E_ {1}} \ left (x, y, z \ right) - \ mathbf {E_ {2}} \ left (x, y, z \ right) + {\ frac {d (\ mathbf {x} _ {1} - \ mathbf {x} _ {2})} {dt}} \ times \ mathbf {B} \ right) \\ = q \ left (\ mathbf {E_ {1}} \ left (x, y, z \ right) + \ left ((\ mathbf {x} _ {1} - \ mathbf {x} _ { 2}) \ cdot \ nabla \ right) \ mathbf {E} - \ mathbf {E_ {1}} \ left (x, y, z \ right) + {\ frac {d (\ mathbf {x} _ {1 } - \ mathbf {x} _ {2})} {dt}} \ times \ mathbf {B} \ right). \\\ end {align}}}

{\ begin {align} \ mathbf {F } = q \ left (\ mathbf {E_ {1}} \ left (x, y, z \ righ t) - \ mathbf {E_ {2}} \ left (x, y, z \ right) + {\ frac {d (\ mathbf {x} _ {1} - \ mathbf {x} _ {2})} {dt}} \ times \ mathbf {B} \ right) \\ = q \ left (\ mathbf {E_ {1}} \ left (x, y, z \ right) + \ left ((\ mathbf {x } _ {1} - \ mathbf {x} _ {2}) \ cdot \ nabla \ right) \ mathbf {E} - \ mathbf {E_ {1}} \ left (x, y, z \ right) + { \ frac {d (\ mathbf {x} _ {1} - \ mathbf {x} _ {2})} {dt}} \ times \ mathbf {B} \ right). \\\ конец {выровнено}}

Обратите внимание, что $E 1 {\ displaystyle \ mathbf {E_ {1}}}$ $\ mathbf {E_ {1}}$ отменить. Умножение на заряд, $q {\ displaystyle q}$ $q$ , преобразует положение, $x {\ displaystyle \ mathbf {x}}$ $\ mathbf {x}$ , в поляризацию, $п {\ displaystyle \ mathbf {p}}$ $\ mathbf {p}$ ,

F = (p ⋅ ∇) E + dpdt × B = α [(E ⋅ ∇) E + d E dt × B], {\ displaystyle {\ begin { выровнено} \ 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 {align}}}

{\ begin {align} \ 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], \\\ конец {выровнено}}

где во втором равенстве предполагалось, что диэлектрическая частица является линейной (т.е. $p = α E {\ displaystyle \ mathbf {p} = \ alpha \ mathbf {E}}$ $\ mathbf {p} = \ alpha \ mathbf {E}$ ).

На заключительных этапах будут использоваться два равенства: (1) Равенство векторного анализа, (2) Закон индукции Фарадея.

$(E ⋅ ∇) E Знак равно ∇ (1 2 E 2) - E × (∇ × E) {\ displaystyle \ left (\ mathbf {E} \ cdot \ nabla \ right) \ mathbf {E} = \ nabla \ left ({\ frac {1 } {2}} E ^ {2} \ right) - \ mathbf {E} \ times \ left (\ nabla \ times \ mathbf {E} \ right)}$ $\ left (\ mathbf {E} \ cdot \ nabla \ right) \ mathbf {E} = \ nabla \ left ({\ frac {1} {2}} E ^ {2} \ right) - \ mathbf {E} \ times \ left (\ nabla \ times \ mathbf {E} \ right)$
$∇ × E = - ∂ B ∂ t { \ displaystyle \ nabla \ times \ mathbf {E} = - {\ frac {\ partial \ mathbf {B}} {\ partial t}}}$ $\ nabla \ times \ mathbf {E} = - {\ frac {\ partial \ mathbf {B}} {\ partial t}}$

Сначала для первого члена силы будет вставлено векторное равенство уравнение выше. Уравнение Максвелла будет подставлено вместо второго члена в векторном равенстве. Тогда два члена, содержащие производные по времени, можно объединить в один член.

F = α [1 2 ∇ E 2 - E × (∇ × E) + d E dt × B] = α [1 2 ∇ E 2 - E × (- d B dt) + d E dt × B] = α [1 2 ∇ E 2 + ddt (E × B)]. {\ displaystyle {\ begin {align} \ 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 {align}}}

{\ begin {выровнено } \ 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]. \\\ конец {выровнен}}

Второй член в последнем равенстве - время производная величины, которая связана через мультипликативную константу с вектором Пойнтинга, который описывает мощность на единицу площади, проходящей через поверхность. Поскольку мощность лазера постоянна при выборке на частотах, намного превышающих частоту лазерного света ~ 10 Гц, производная этого члена в среднем равна нулю, и силу можно записать как

F = 1 2 α ∇ E 2 знак равно 2 π N 0 a 3 c (м 2 - 1 м 2 + 2) ∇ I (r), {\ displaystyle \ mathbf {F} = {\ frac {1} {2}} \ alpha \ nabla E ^ {2} = {\ frac {2 \ pi n_ {0} a ^ {3}} {c}} \ left ({\ frac {m ^ {2} -1} {m ^ {2} +2}} \ right) \ nabla I (\ mathbf {r}),}

\ mathbf {F} = {\ frac {1} {2} } \ alpha \ nabla E ^ {2} = {\ frac {2 \ pi n_ {0} a ^ {3}} {c}} \ left ({\ frac {m ^ {2} -1} {m ^ {2} +2}} \ right) \ nabla I (\ mathbf {r}),

где во второй части мы учли наведенный дипольный момент (в единицах MKS) сферической диэлектрической частицы: $α = 4 π n 0 2 ϵ 0 a 3 (м 2 - 1) / (m 2 + 2) E (r, t) {\ displaystyle \ alpha = 4 \ pi n_ {0} ^ {2} \ epsilon _ {0} a ^ { 3} (m ^ {2} -1) / (m ^ {2} +2) \ mathbf {E} (\ mathbf {r}, t)}$ ${\ displaystyle \ alpha = 4 \ pi n_ {0} ^ {2} \ epsilon _ {0} a ^ {3} (m ^ {2} -1) / (m ^ {2} +2) \ mathbf { E} (\ mathbf {r}, t)}$ , где $a {\ displaystyle a}$ $a$ - радиус частицы, $n 0 {\ displaystyle n_ {0}}$ $n_ {0}$ - показатель преломления частицы и $m = n 0 / n 1 {\ displaystyle m = n_ {0} / n_ {1}}$ ${\ displaystyle m = n_ {0} / n_ {1}}$ - относительный показатель преломления между частицей и d средний. Квадрат величины электрического поля равен силе луча в зависимости от положения. Таким образом, результат показывает, что сила, действующая на диэлектрическую частицу, если рассматривать ее как точечный диполь, пропорциональна градиенту интенсивности пучка. Другими словами, описанная здесь градиентная сила стремится притягивать частицу к области наибольшей интенсивности. На самом деле сила рассеяния света действует 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

F scat (r) = k 4 α 2 6 π cn 0 3 ϵ 0 2 I (r) z ^ = 8 π n 0 k 4 a 6 3 с (м 2 - 1 м 2 + 2) 2 I (г) z ^. {\ displaystyle \ 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}}.}

\ 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, чистый импульс передается в прямом направлении. На квантовом уровне мы представляем градиентную силу как прямое рэлеевское рассеяние, при котором идентичные фотоны создаются и аннигилируют одновременно, тогда как в силе рассеяния (излучения) падающие фотоны движутся в том же направлении и «рассеиваются» изотропно. Путем сохранения импульса частица должна накапливать исходные импульсы фотонов, вызывая в них прямую силу.

Приближение гармонического потенциала

Полезный способ изучения взаимодействия атома в Гауссов пучок - это приближение гармонического потенциала профиля интенсивности, которое испытывает атом. В случае двухуровневого атома испытываемый потенциал связан с его сдвигом Штарка переменного тока,

Δ E AC Штарка = 3 π c 2 Γ μ 2 ω 0 3 δ I (r, z) {\ displaystyle \ mathbf {\ Delta E} _ {\ text {AC Stark}} = {\ frac {3 \ pi c ^ {2} \ Gamma \ mu} {2 \ omega _ {0} ^ {3} \ delta} } \ mathbf {I (r, z)}}

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

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

Интенсивность профиля гауссова луча характеризуется длиной волны $(λ) {\ displaystyle (\ lambda)}$ $(\ lamb da)$ , минимальной талией $(wo) {\ displaystyle (w_ {o})}$ $(w_ {o})$ , и мощность луча $(P o) {\ displaystyle (P_ {o})}$ $(P_ {o})$ . Следующие формулы определяют профиль балки:

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

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

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

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

z R = π вес 0 2 λ {\ displaystyle z_ {R} = {\ frac {\ pi w_ {0} ^ {2} } {\ lambda}}}

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

P 0 = 1 2 π I 0 вес 0 2 {\ displaystyle P_ {0} = {\ frac {1} {2}} \ pi I_ {0} w_ {0} ^ {2}}

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 должен быть расширен до второго порядка по $z {\ displaystyle z}$ $z$ и $r {\ displaystyle r}$ $р$ для $r = 0 {\ displaystyle r = 0}$ $r = 0$ и $z = 0 {\ displaystyle z = 0}$ $z = 0$ соответственно и приравнивается к гармоническому потенциалу $1 2 m (ω z 2 z 2 + ω r 2 r 2) {\ displaystyle {\ frac {1} {2}} m (\ omega _ {z } ^ {2} z ^ {2} + \ omega _ {r} ^ {2} r ^ {2})}$ ${\ frac {1} {2}} м (\ omega _ {z} ^ {2} z ^ {2} + \ omega _ {r} ^ {2} r ^ {2})$ . Эти расширения оцениваются с учетом фиксированной мощности.

∂ 2 I ∂ z 2 | р знак равно 0 знак равно 2 п 0 λ 2 π 3 вес 0 6 z 2 = 1 2 м ω Z 2 Z 2 {\ Displaystyle {\ frac {\ partial ^ {2} I} {\ partial z ^ {2}}} {\ Biggr |} _ {r = 0} = {\ frac {2P_ {0} \ lambda ^ {2}} {\ pi ^ {3} w_ {0} ^ {6}}} z ^ {2} = {\ frac {1} {2}} m \ omega _ {z} ^ {2} z ^ {2}}

{\ displaystyle {\ frac {\ partial ^ {2} I} {\ partial z ^ {2}}} {\ Biggr |} _ {r = 0} = {\ frac {2P_ {0} \ lambda ^ {2}} {\ pi ^ {3} w_ {0} ^ {6}} } z ^ {2} = {\ frac {1} {2}} m \ omega _ {z} ^ {2} z ^ {2}}

∂ 2 I ∂ r 2 | Z знак равно 0 знак равно 4 п 0 π вес 0 4 р 2 знак равно 1 2 м ω р 2 р 2 {\ displaystyle {\ frac {\ partial ^ {2} I} {\ partial r ^ {2}}} {\ Biggr |} _ {z = 0} = {\ frac {4P_ {0}} {\ pi w_ {0} ^ {4}}} r ^ {2} = {\ frac {1} {2}} м \ omega _ {r} ^ {2} r ^ {2}}

{\ displaystyle {\ frac {\ partial ^ {2} I} {\ partial r ^ {2}}} {\ Biggr |} _ {z = 0} = {\ frac {4P_ {0}} {\ pi w_ {0} ^ {4}}} r ^ {2} = {\ frac {1} {2}} m \ omega _ {r} ^ {2} r ^ {2}}

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

ω r = 8 п 0 π mw 0 4 {\ displaystyle \ omega _ {r} = {\ sqrt {\ frac {8P_ {0}} {\ pi mw_ {0} ^ {4}}}}}

\ omega _ {r} = {\ sqrt {\ frac {8P_ { 0}} {\ pi mw_ {0} ^ {4}}}}

ω z = 4 п 0 λ 2 м π 3 вес 0 6 {\ displaystyle \ omega _ {z} = {\ sqrt {\ frac {4P_ {0} \ lambda ^ {2}} {m \ pi ^ {3} w_ {0 } ^ {6}}}}}

{\ displaystyle \ omega _ {z} = {\ sqrt {\ frac {4P_ {0} \ lambda ^ {2}} {m \ pi ^ {3} w_ {0} ^ {6}}}}}

так, чтобы относительные частоты захвата для радиального и осевого направлений как функция только масштаба перетяжки пучка, как:

ω r ω z = 2 w 0 π λ {\ displaystyle {\ frac {\ omega _ {r}} {\ omega _ {z}}} = {\ sqrt {2}} {\ frac {w_ {0} \ pi} {\ lambda}}}

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

Оптическая левитация

Чтобы поднять частицу в воздух, направленной вниз силе тяжести должны противодействовать силы, возникающие в результате передачи фотона импульса. Обычно давление излучения фотона сфокусированного лазерного луча достаточной интенсивности противодействует направленной вниз силе тяжести, а также предотвращает боковую (из стороны в сторону) и вертикальную нестабильность, обеспечивая стабильную оптическую ловушку, способную удерживания мелких частиц в суспензии.

Микрометровые (от нескольких до 50 микрометров в диаметре) прозрачные диэлектрические сферы, такие как сферы из плавленого кварца, капли масла или воды, используются в экспериментах этого типа.. Лазерное излучение может иметь фиксированную длину волны, например, лазер на ионах аргона или перестраиваемый лазер на красителях. Требуемая мощность лазера составляет порядка 1 Вт, сфокусированного до размера пятна в несколько десятков микрометров. Явления, связанные с зависимыми от морфологии резонансами в сферическом оптическом резонаторе, изучались несколькими исследовательскими группами.

Для блестящего объекта, например металлической микросферы, стабильная оптическая левитация не была достигнута. Оптическая левитация макроскопического объекта также теоретически возможна, и ее можно улучшить с помощью наноструктурирования.

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

Установки

Общая схема оптического пинцета, содержащая только самые основные компоненты.

Самая простая установка оптического пинцета, вероятно, будет включать в себя следующие компоненты: лазер (обычно Nd: YAG ), расширитель луча, некоторая оптика, используемая для управления положением луча в плоскости образца, объектив микроскопа и конденсор для создания ловушки в плоскости образца, детектор положения (например, квадрант фотодиод ) для измерения смещения луча и источника освещения микроскопа, подключенного к CCD-камере.

. Nd: YAG-лазер (длина волны 1064 нм) является распространенным выбором лазера для работы с биологическими образцы. Это связано с тем, что такие образцы (в основном состоящие из воды) имеют низкий коэффициент поглощения на этой длине волны. Рекомендуется низкая абсорбция, чтобы свести к минимуму повреждение биологического материала, иногда называемого. Возможно, наиболее важным фактором при проектировании оптического пинцета является выбор объектива. Для стабильной ловушки требуется, чтобы градиентная сила, зависящая от числовой апертуры (NA) объектива, была больше силы рассеяния. Подходящие объективы обычно имеют числовую апертуру от 1,2 до 1,4.

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

. Расширение луча, испускаемого лазером, до заполнения апертуры объектива приведет к более плотное, ограниченное дифракцией пятно. В то время как боковое перемещение ловушки относительно образца может быть достигнуто путем перемещения предметного стекла микроскопа, большинство установок для пинцета 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 «Beam Steering». Например, перемещение этой линзы в боковой плоскости приведет к лучу, отклоненному в боковом направлении 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 смещению в плоскости образца. Положение перетяжки луча, то есть фокуса оптической ловушки, можно регулировать осевым смещением исходной линзы. Такое осевое смещение приводит к небольшому расхождению или схождению луча, конечным результатом чего является смещение в осевом направлении перетяжки луча в камере для образца.

Визуализация плоскости образца обычно осуществляется посредством освещения через отдельный источник света, подключенный к оптическому пути 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 видео слежения.

Альтернативные режимы лазерного луча

Большинство оптических пинцетов используют обычных TEM 00 гауссовых пучков. Однако для улавливания частиц использовался ряд других типов лучей, включая лазерные лучи высокого порядка, т.е. лучи Эрмита-Гаусса (TEM xy), Лагерра-Гаусса (LG). лучи (TEM pl) и лучи Бесселя.

Оптические пинцеты, основанные на лучах Лагерра-Гаусса, обладают уникальной способностью захватывать частицы, которые являются оптически отражающими и поглощающими. Пучки Лагерра-Гаусса также обладают хорошо определенным орбитальным угловым моментом, который может вращать частицы. Это достигается без внешнего механического или электрического управления лучом.

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

Микромашины могут приводиться в движение этими уникальными оптическими лучами благодаря их внутреннему механизму вращения из-за вращения вращения и орбитального угла импульс света.

Мультиплексный оптический пинцет

Типичная установка использует один лазер для создания одной или двух ловушек. Обычно две ловушки образуются путем разделения лазерного луча на два ортогонально поляризованных луча. Операции оптического пинцета с более чем двумя ловушками могут быть реализованы либо путем разделения времени одного лазерного луча между несколькими оптическими пинцетами, либо путем дифракционного разделения луча на несколько ловушек. С помощью акустооптических дефлекторов или зеркал, приводимых в действие гальванометром , один лазерный луч может быть разделен между сотнями оптических пинцетов в фокальной плоскости или распространен в протяженную одномерную ловушку. Специально разработанные дифракционные оптические элементы могут разделить одиночный входной луч на сотни непрерывно освещаемых ловушек в произвольных трехмерных конфигурациях. Голограмма, образующая ловушку, также может определять структуру мод каждой ловушки индивидуально, создавая, например, массивы оптических вихрей, оптических пинцетов и голографических ловушек. При реализации с пространственным модулятором света такие голографические оптические ловушки также могут перемещать объекты в трех измерениях. Усовершенствованные формы голографических оптических ловушек с произвольными пространственными профилями, в которых регулируется плавность интенсивности и фазы, находят применение во многих областях науки, от микроманипуляции до ультрахолодных атомов.

Одномодовые оптические волокна

Стандартная волоконно-оптическая ловушка основана на том же принципе, что и оптическая ловушка, но с гауссовым лазерным лучом, доставляемым через оптическое волокно . Если один конец оптического волокна отформован в фасет, подобный линзе ,, почти гауссов луч, переносимый одномодовым стандартным волокном, будет сфокусирован на некотором расстоянии от конца волокна. Эффективной числовой апертуры такой сборки обычно недостаточно для создания полностью 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 одиночного волокна с точкой захвата, которая почти не контактирует с концом волокна, был реализован на основе нестандартной конфигурации волокна с кольцевой сердцевиной и геометрии полного внутреннего отражения. 282>

С другой стороны, если концы волокна не отформованы, лазер, выходящий из волокна, будет расходиться, и, таким образом, стабильная оптическая ловушка может быть реализована только путем уравновешивания градиента и силы рассеяния от двух противоположных концов. волокна. Градиентная сила будет улавливать частицы в поперечном направлении, в то время как осевая оптическая сила возникает из-за силы рассеяния двух встречных лучей, выходящих из двух волокон. Равновесное положение по оси z такой захваченной бусинки - это то место, где две силы рассеяния равны друг другу. Первыми к этой работе выступили A. Constable et al., Opt. Lett. 18, 1867 (1993), а затем J.Guck et al., Phys. Rev. Lett. 84, 5451 (2000), которые использовали этот метод для растяжения микрочастиц. Манипулируя входной мощностью на двух концах волокна, будет увеличиваться «оптическое растяжение», которое можно использовать для измерения вязкоупругих свойств клеток с чувствительностью, достаточной для различения различных индивидуальных фенотипов цитоскелета. то есть эритроциты человека и фибробласты мыши. Недавнее испытание показало большой успех в дифференциации раковых клеток от незлокачественных клеток с помощью двух противоположных несфокусированных лазерных лучей.

Многомодовые ловушки на основе волокна

Вращатель оптических клеток - это волоконный лазер ловушка, которая может удерживать и точно ориентировать живые клетки для томографической микроскопии.

В то время как более ранняя версия волоконных лазерных ловушек использовала исключительно одномодовые лучи, М. Крейзинг и его коллеги недавно показали, что осторожное возбуждение дополнительных оптических мод в коротком элементе оптического волокна позволяет реализовать нетривиальную геометрию захвата. Благодаря этому исследователи смогли сориентировать под микроскопом различные типы клеток человека (отдельные клетки и скопления). Основным преимуществом технологии так называемого «оптического вращателя клеток» по сравнению со стандартными оптическими пинцетами является развязка захвата от оптики формирования изображений. 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 была реализована технология оптического вращателя клеток на основе адаптивной оптики, позволяющая динамически реконфигурировать оптическую ловушку во время работы и адаптировать ее к образцу.

Сортировка клеток

Одна из наиболее распространенных систем сортировки клеток использует проточную цитометрию через флуоресцентную визуализацию. В этом методе суспензия биологических клеток сортируется в два или более контейнеров в зависимости от конкретных флуоресцентных характеристик каждой клетки во время вспомогательного потока. Используя электрический заряд, в котором находится клетка, клетки затем сортируются на основе измерений интенсивности флуоресценции. Процесс сортировки осуществляется системой электростатического отклонения, которая направляет ячейки в контейнеры в зависимости от их заряда.

В процессе сортировки с оптическим управлением клетки перетекают в оптический ландшафт, то есть в двумерные или трехмерные оптические решетки. Без какого-либо индуцированного электрического заряда клетки будут сортировать на основе их собственных свойств показателя преломления и могут быть реконфигурируемы для динамической сортировки. Оптическая решетка может быть создана с использованием дифракционной оптики и оптических элементов.

С другой стороны, K. Ladavac et al. использовали пространственный модулятор света, чтобы спроектировать картину интенсивности, чтобы обеспечить процесс оптической сортировки. К. Сяо и Д.Гриер применили голографическую видеомикроскопию, чтобы продемонстрировать, что этот метод может сортировать коллоидные сферы с разрешением в доли на тысячу по размеру и показателю преломления.

Основным механизмом сортировки является расположение оптической решетки. точки. Когда ячейка протекает через оптическую решетку, возникают силы из-за силы сопротивления частиц , которая напрямую конкурирует с оптической градиентной силой (см. Физика оптического пинцета) от оптической решетки. точка. Смещая расположение точки оптической решетки, получается предпочтительный оптический путь, в котором оптические силы являются доминирующими и смещенными. С помощью потока ячеек возникает результирующая сила, которая направляется вдоль этого предпочтительного оптического пути. Следовательно, существует зависимость скорости потока от силы оптического градиента. Регулируя эти две силы, можно получить хорошую эффективность оптической сортировки.

Соревнование сил в среде сортировки требует точной настройки, чтобы добиться успеха в высокоэффективной оптической сортировке. Потребность в основном касается баланса сил; сила сопротивления из-за потока жидкости и сила оптического градиента из-за расположения пятна интенсивности.

Ученые из Университета Сент-Эндрюс получили значительные средства от Совета по исследованиям в области инженерных и физических наук Великобритании (EPSRC ) на установку оптической сортировочной машины. Эта новая технология могла бы составить конкуренцию традиционной сортировке клеток, активируемой флуоресценцией.

Evanescent fields

Evanescent field - это остаточное оптическое поле, которое «просачивается» "во время полного внутреннего отражения. Эта «утечка» света гаснет с экспоненциальной скоростью. Мимолетное поле нашло ряд применений в построении изображений с нанометровым разрешением (микроскопия); оптические микроманипуляции (оптические пинцеты) становятся все более актуальными в исследованиях.

В оптическом пинцете непрерывное исчезающее поле может создаваться, когда свет распространяется через оптический волновод (множественное полное внутреннее отражение ). Результирующее исчезающее поле имеет направление и будет продвигать микрочастицы по своему пути распространения. Первыми в этой работе выступили С. Кавата и Т. Сугиура в 1992 году, которые показали, что поле может быть связано с близкими частицами на уровне порядка 100 нанометров.

Эта прямая связь поля есть рассматривается как тип туннелирования фотонов через зазор от призмы к микрочастицам. Результатом является направленная оптическая движущая сила.

Последняя обновленная версия В оптическом пинцете с непрозрачным полем используются расширенные оптические ландшафтные узоры для одновременного направления большого количества частиц в предпочтительном направлении без использования волновода . Это называется безобъективным оптическим треппингом (LOT). Упорядоченному движению частиц способствует введение Ronchi Ruling, которое создает четко определенные оптические потенциальные ямы (заменяя волновод). Это означает, что частицы движутся исчезающим полем, будучи захваченными линейными яркими полосами. В настоящее время ученые также работают над сфокусированными мимолетными полями.

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 плоской границе раздела металл / диэлектрик, было впервые измерено с помощью фотонного силового микроскопа, при этом общая величина силы оказалась в 40 раз сильнее по сравнению с нормальной затухающей волной. Путем нанесения на поверхность рисунка золотых микроскопических островков можно получить селективный и параллельный захват на этих островках. Силы последнего оптического пинцета лежат в диапазоне фемтоньютонов.

Эванесцентное поле также может использоваться для захвата холодных атомов и молекул вблизи поверхности оптического волновода или.

Косвенный подход

Мин Ву, Калифорнийский университет в Беркли Профессор электротехники и компьютерных наук изобрел новый оптоэлектронный пинцет.

Ву преобразовывал оптическую энергию от маломощных светодиодов (LED) 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 можно легко преобразовать с помощью оптической проекции, этот метод обеспечивает высокую гибкость переключения различных оптических ландшафтов.

Процесс манипуляции / выщипывания осуществляется посредством изменений электрического поля, вызываемого световым узором. Частицы будут либо притягиваться, либо отталкиваться от точки воздействия из-за индуцированного электрического диполя. Частицы, взвешенные в жидкости, будут восприимчивы к градиенту электрического поля, это известно как диэлектрофорез.

. Одно явное преимущество состоит в том, что электрическая проводимость различается между разными типами клеток. Живые клетки имеют более низкую проводящую среду, в то время как мертвые клетки имеют минимальную проводящую среду или не имеют ее. Система может управлять примерно 10 000 ячеек или частиц одновременно.

См. Комментарии профессора Кишана Дхолакиа об этой новой технике, К. Дхолакия, Nature Materials 4, 579–580 (01 августа 2005 г.) News and Views.

«Система была способна перемещать живые бактерии E. coli и частицы шириной 20 микрометров, используя выходную оптическую мощность менее 10 микроватт. Это одна стотысячная мощности, необходимой для [ прямой] оптический пинцет ».

Оптическое связывание

Когда кластер микрочастиц попадает в ловушку монохроматического лазерного луча, организация микрочастиц в оптическом захвате в значительной степени зависит от перераспределения силы оптического захвата микрочастиц. Это перераспределение световых сил между кластером микрочастиц обеспечивает новое силовое равновесие для кластера в целом. Таким образом, мы можем сказать, что кластер микрочастиц в некоторой степени связан светом. Об одном из первых экспериментальных доказательств оптического связывания сообщили Майкл М. Бернс, Жан-Марк Фурнье и Джен А. Головченко, хотя первоначально 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 направленности самих взаимодействующих частиц, с потенциальными применениями в таких областях, как энантиомеры. разделение и оптические наноманипуляции.

Флуоресцентный оптический пинцет

Чтобы одновременно манипулировать и отображать образцы, которые проявляют флуоресценцию, оптический пинцет может быть построен вместе с флуоресцентным микроскопом. Такие инструменты особенно полезны, когда дело доходит до изучения отдельных или небольшого количества биологических молекул, которые были флуоресцентно помечены, или в приложениях, в которых флуоресценция используется для отслеживания и визуализации объектов, которые должны быть захвачены.

Этот подход был расширен для одновременного зондирования и визуализации динамических белковых комплексов с использованием длинных и прочных привязок, созданных с помощью высокоэффективного многоступенчатого ферментативного подхода и примененных к исследованиям дезагрегационных машин в действии.

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

Видео : Левитирующие АЛМАЗЫ с помощью лазерного луча