Лазерні щипці
Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Лазерні щипці (англ. Laser tweezers), інколи “оптичні щипці”, “оптичний пінцет” або “оптична пастка” – науковий прилад, що дозволяє маніпулювати мікроскопічними об’єктами за допомогою лазерного світла (звичайно лазерного діоду). Вони дозволяють прикладати сили від фемтоньютонів до наноньютонів та вимірювати відстані від кількох нанометрів до мікронів. У останні роки лазерні щипці здобули значного успіху серед біофізиків, вивчаючих структуру та принципи роботи білків.
[ред.] Історія
Ще у 17 столітті біло запропоновано, що світло може прикладати тиск на речовину, у роботі “De Cometis” данський астроном Кеплер запропонував, що хвости комет відхиляються під дією сонячного світла. Хоча пізніше виявилося, що це не єдиний механізм цього відхилення, ідея Кеплера була важливою для розвитку астрономії. Наприклад, було знайдено, що зоряний радіаційний тиск — один з найголовніших механізмів, що відповідають за динаміку частинок в міжзоряному просторі. Через два сторіччя Максвелл розрахував значення світлового тиску за допомогою своєї теорії електромагнітних явищ. Цей ефект був експериментально виміряний в 1910 російським фізиком Лебедевим, який продемонстрував тиск, який світло прикладатє на тіла.
Після будови лазера Басовим та Прохоровим в 1953 році з’явилося джерело світла достатньо потужне та виробляюче достатньо колімований пучок світла для маніпуляції макроскопічних об’єктів. І тільки в 1970, виявлення оптичних розсіюючих сил і градієнтних сил на частинках мікронних розмірів було опубліковане в науковій літературі Артуром Ашкіним (Arthur Ashkin), співпрацівником Bell Labs [4]. Роки пізніше, Ашкін і колеги повідомили про перше спостереження того, що зараз називається оптична пастка, тобто сфокусованого пучка світла, здібного до стійкого утримання мікроскопічних частинок (10 нм—10 мкм) в трьох вимірюваннях [5].
Подібний принцип використається і для лазерного охолодження, метода доведення температури до значень недосяжних іншими засобами, запропонований радянським фізиком Летоховим в 1968 і реалізований тій же групою Ашкіна в 1978, та продовженою Стівеном Чу (Steven Chu) (колись співробітником Ашкіна), який за цю роботу отримав Нобелівську премію 1997 року.
У 1980-х роках Стівен Блок (Steven Block) і Говард Берг (Howard Berg) вперше застосували технологію лазерних щипців у біології використовуючи її, щоб схопити бактерію з метою вивчення бактерійних джгутиків. Вже в 1990-х дослідники, такі як Карлос Бустаманте (Carlos Bustamante), Джеймс Спудіч (James Spudich) і Стівен Блок відкрили використання оптичної силової спектроскопії, щоб характеризувати біологічні двигуни молекулярного масштабу. Ці молекулярні мотори усюдисущі в біології, і відповідають за пересування клітин, зміну їх форми та за транспорт в межах клітини. Оптичні пастки дозволили цим біофізикам спостерігати сили і динаміку молекулятних моторів, розглядаючи одну молекулу за раз. Оптична силова спектроскопія дозволила краще зрозуміти природу генеруючих сили молекул, що мають стохастичну (випадкову) природу.
Лазерні щипці довелись корисними також і в інших областях біології. Наприклад, в 2003 методи лазерних щипців були використані для сортування клітин. Створюючи велику оптичну інтенсивність над областю, наповненою мікробіологічним зразком, клітини можуть сортуватися за своїми власними оптичними характеристиками (див [6] та [7]). Лазерні щипці також були використані, для дослідження цитоскелету, вимірювання в’язко-еластичних властивостей біо-полімерів та вивчення пересування клітин.
[ред.] Будова лазерних щипців
[ред.] Фізичні принципи
Маленькі діелектричні сфери взаємодіють з електричним полем, створеним пучком світла, за рахунок вимушеного дипольного моменту, індукованого на сфері. В результаті взаємодії цього диполя з полем, сфера тягнеться уздовж електричного градієнту поля до точки найвищої інтенсивності світла. Крім градієнтної сили, на сферу також діє розсіююча сила, викликана відбиттям світла від її поверхні. Ця сила штовхає сферу уздовж пучка світла. Проте, якщо промінь сильно сфокусований, градієнт інтенсивності долає силу штовхання [8].
Більш детальний аналіз засновується на двох механізмах, запропонованих Ашкіним, залежно від розміру частинки. У атмосферній науці відомо, що частинка в повітрі розсіює світло відповідно своєму розміру. Якщо розмір розсіюючих частинок набагато менший, ніж довжина хвилі світла, це називається релеєвським розсіянням (від імені британського фізика лорда Релея), що приводить до кутового розділення кольорів. Цей ефект відповідає за червні барви заходу сонця і блакитний колір неба (добірне розсіювання). Коли світло розсіюється на частинках (пил, дим, водні крапельки), що мають розмір більший, ніж довжина хвилі світла , це мієвське розсіяння (від імені німецького фізика Густава Міе). Мієвське розсіювання відповідає за білизну хмар.
![Маніпулювання мікросферою лазерними щипцями [1]](../../../upload/thumb/e/e7/LT7.gif/250px-LT7.gif)
Дотримуючись тій же ідеї, Ашкін запропонував, що оптичне мікроманіпулювання може бути проаналізоване двома окремими методами, а саме, підхідом хвильової оптики для мієвських частинок (діаметр частинки d > λ довжини хвилі світла) і приближенням електричного диполя для релеєвських частинок (d < λ).
В межах аналізу хвилевої оптики, розгляд процесів заломлення і відбиття світла від мікросфери достатній, щоб проаналізувати втягування в оптичну пастку (див. зображення вище).
Найпростіший розрахунок діючих сил в межах підходу хвильової оптики ґрунтується на геометричній оптиці. Розгляд променя вказує на направлену зміну імпульсу світла. Таким чином, ця зміна імпульсу світла (фотона як частинки), згідно другому другому закону Ньютона, приводитиме до фізичної сили. Такою самою буде і сила реакції сфери, що діє на світлові промені.
Використовуючи просту діаграму променів і вектора сили, на мікросферу діють дві різні оптичні сили завдяки інерції падаючого та заломленого світла. Як це видно з діаграми, результуюча сила тягне сферу у напрямку області найвищої інтенсивності променя. Така сила називається градієнтною силою.
Щоб досліджуваний об'єкт був нерухомий, необхідно зкомпенсувати силу спричинену тиском світла. Це може бути зроблено за рахунок двох зустрічних пучків світла, що штовхають сферу у протилежних напрямках, або за допомогою сильно сфокусованого гаусовського пучка (з високою числовою апертурою, NA>1.0), щоб компенсувати силу відбитого світла високою градієнтною силою.
З другого боку, в релеєвському режимі, частинки не обмежені у формах. Взагалі, для найменших частинок потрібна найменша сила притягання. В більшості випадків, для пояснення робочого механізму лазерних щипців для будь-якої форми частинок використовуються модель наведеного диполя. Електромагнітна радіація індукуватиме диполь, або поляризацію, у діалектичній частинці. Сила взаємодії цього диполя зі світлом приводить до градієнтної сили притягання.
Деталу інформацію про прилад оптичної пастки лабораторії Стівена Блока див. [9].
[ред.] Лазерні щипці, засновані на альтернативних режимах роботи лазера
З часу будови перших лазерних щипців, заснованих на одному гаусовсьму пучку (фундаментальна лазерна мода TEM00) А.Ашкіним в 1986 [10], концепція однопучкових лазерних щипців розвинулася за рахунок використання лазерних мод високого порядку, тобто ермітовських гаусовських пучків (TEMxy), лаг’єровських гаусовських пучків (Lg, TEMpl) і бесселевських пучків (Jn).
Лазерні щипці, засновані на лаг’єровських гаусовських пучках, мають унікальну можливість втягування в пастку оптично відбиваючих і поглинаючих частинок. Лаг’єровські гаусовські пучки також мають власний орбітальний момент, який може обертати частинки [11] [12]. Цей ефект наблюдається без зовнішнього механічного або електричного регулювання променя. Відмітьте, що передаючи світло з круговою поляризацією, використовуючи хвилеву пластинку, можливо дозволити гаусовському пучку мати спіновий орбітальний момент.
Окрім лаг’єровських гаусовських пучків, бесселевські пучки як нульового, так і вищих порядків мають орбітальний момент, та також унікальну властивість утримувати багато частинок на деякій відстані одночасно [13] [14].
Орбітальний момент пучків високого порядку також дозволяє їм керувати штучними наномашинами [15].
[ред.] Мультиплексні лазерні щипці
![Голографічні лазерні щипці [2]](../../../upload/thumb/9/9a/LT6.jpg/280px-LT6.jpg)
Типова установка має тільки один або два лазерних променя. Складніші експерименти вимагають багато пасток працюючих одночасно. Це може бути досягнуте використовуючи єдиний лазер, світло якого проходить через акусто-оптичний модулятор або через електронно керовані дзеркала. За допомогою цих пристроїв, лазерне випромінювання може бути розбите, у часі, на кілька променів. За допомогою дифракційних оптичних елементів — розбиття на кілька променів у просторі [16] [17] [18] [19].
[ред.] Лазерні щипці, засновані на оптичних волокнах
У цьому типі пристрою лазерне випромінювання подається через оптичне волокно. Якщо один кінець оптичного волокна формує випуклу поверхню, то така форма дозволить зфокусувати світло до оптичної пастки з високою числовою апертурою.
Якщо ж кінці волокна не випуклі, лазерне світло відхилятиметься, і тому стійка оптична пастка може бути зроблена тільки за допомогою двох кінців волокон по обидва боки оптичної пастки, балансуючих градієнтні сили і сили відбиття. Градієнтні сили утримують частинки у поперечному напрямі, тоді як осьова оптична сила прибуває від сили відбиття двох стрічних пучків світла, що виходять та поширюються із двох волокон. Рівноважна z-позиція сфери у такий пастці – позиція, де обидві сили відбиття дорівнюють одна одній. Такі лазерні щипці були вперше зроблені А.Констеблем і Дж. Глюком, які використовували цю методику для розтягнення мікрочастинок. Маніпулюючи вхідною потужністю з обох кінців волокна можливо регулювати розтягуючу силу. Така система може використовуватися, щоб виміряти в'язкоеластичні властивості клітин, з чутливістю, достатньою, щоб розрізнити між різними фенотипами цитоскелету. Недавнє випробування досягло великого успіху в диференціації ракових клітин від неракових [20].
[ред.] Лазерні щипці у сортуванні клітин
![Принцип роботи установки оптичного сортування клітин [3]. Ламінарні потоки (з камер A і B), один з яких несе клітини, протікають крізь розділову камеру (РК), розміром ~ 100 мкм. У цей камері створюються тримірні оптичні грати (у даному випадку об'ємноцентрована тетрагональна решітка, о.ц.т.), за допомогою якій один тип клітин штовхається до потоку A.](../../../upload/thumb/3/3b/LT7.jpg/310px-LT7.jpg)
Одна з найбільш поширених систем сортування клітин використовує метод цитомертрії та детекцію флюоресцентного світла. У цьому методі суспензія біологічних клітин сортується у кілька контейнерів згідно флюоресцентних характеристиках кожної клітини у потоці. Процес сортування контролюється електростатичною системою відхилення, яка скеровує клітину до певного контейнеру зміною напруги прикладеного електричного поля.
У оптично керованій системі сортування, клітини пропускають через дво- або тримірні оптичні грати. Без індукованого електричного напруження, клітини сортуються засновуючись на їх властивостях заломлення світла. Група Кішана Долакіа розробила методику використання дифракційної оптики і інших оптичних елементів, щоб створити такі оптичні грати [21]. З другого боку, група Грієра побудувала сортувальну систему використовуючи просторовий світловий модулятор [22].
Головний механізм сортування — розташування вузлів оптичних гратів. Коли потік клітин проходить через оптичні грати, сили тертя частинок безпосередньо конкурують з оптичною градієнтною силою від сусіднього вузла оптичних гратів. Змінюючи розташування вузлів, можливо створити оптичну доріжку, по який будуть рухатися клітини. Але така доріжка буде ефективною тільки для клітин з певним коефіцієнтом заломлення, які і будуть ефективно відхилятися. Регулюючи швидкість потоку клітин і потужність світла можливо отримати хороше оптичне сортування клітин.
Змагання сил в системі сортування потребує точного налагодження, щоб досягти високої ефективності оптичного сортування. Зараз в Університеті Св. Андрю (Великобританія) створена велика дослідницька група для роботи над цією проблемою. У випадку успіху ця технологія зможе замінити традиційне флюоресцентне сортування клітин [23] [24].
[ред.] Лазерні щипці, засновані на еванесцентних полях
Еванесцентне поле — оптичне поле, що проникає вглиб поверхні, від якої світло відбувається при повному внутрішньому відбитті [25] [26]. Це світло затухає за експоненційним законом. Еванесцентне поле знайшло цілий ряд застосувань у оптичній мукроскопії нанометрових об’єктів, оптична мікроманіпуляція (лазерні щипці) становиться ще одним його застосуванням.
У лазерних щипцях безперервне еванесцентне поле може бути створено, коли світло розповсюджується через оптичний хвилевод (багаторазове повне внутрішнє відбиття). Результуюче еванесцентне поле має направлений імпульс, та рухатиме мікрочастинки уздовж напрямку свого поширення. Цей ефект був відкритий вченими С.Кавата і Т.Сугіура в 1992 [27]. Вони показали, що поле може зв'язувати частинки в тонкому шарі близько 100 нанометрів. Це пряме з'єднання поля розглядається як тунелювання фотонів до частинок через проміжок відбиваючої світло призми. В результаті виникає направлена оптична сила.
Недавня версія лазерних щипців заснованих на еванесцентному полі використовує широку поверхню оптичного поля, що дозволяє одночасно зкеровувати багато частинок в бажаному напрямі без використання хвилеводу. Ця методика названа як безлінзове оптичне утримання (англ. Lensless optical trapping, LOT) [28]. Точно направленому руху частинок допомагає лінування Рончі (англ. Ronchi Ruling), або створення чітких оптичних потенційних ям у скляній пластинці. Зараз вчені також працюють над фокусуванням еванесцентних полей.
[ред.] Непрямий підхід до лазерних щипців
Мінг Ву (Ming Yu), професор факультету Радіотехніки і Інформатики Університету Каліфорнії, Берклі створив нові оптоелектронні щипці.
Ву перетворив оптичну енергію від малопотужних світлових діодів (LED) в електричну енергію через фотопровідну поверхню. Ідея — дозволити діоду вмикати фотопровідний матеріал у його проекції. Оскільки оптичний паттерн легко піддається перетворенню через оптичне проектування, цей метод дозволяє високу гнучкість вмикання різних оптичних ландшафтів.
Процес маніпуляції виконується змінами електричного поля, що вмикається світловим паттерном. Частинки будуть або притягнені, або відштовхнуті від збудженого вузла залежно від свого електричного заряду. Частинки, завішіні в рідині, будуть чутливі до електричного заряду завдяки іонам в рідині, процес, відомий як діелектрофорез.
Одно із застосувань цього методу — сортування живих та загинувших клітин. Сортування ґрунтується на тому, що живі клітини наповнені електролітом, мертві — ні, і можуть бути легко розділені. Ця система дозволяє маніпулювати 10.000 клітинами або частинками одночасно.
[ред.] Оптичне зв’язування
Коли гроно мікрочастинок утримається монохроматичним лазерним пучком, розташування мікрочастинок в межах оптичної пастки залежить від перерозподілу оптичних сил між частинками. Можливо сказати, що кластер мікрочастинок зв'язаний разом світлом. Перші свідоцтва оптичного зв’язування були повідомлений лабораторією Євгенія Головченко у Гарвардському університеті [29].
[ред.] Вимірювання оптичних сил
В даний час сила притягнення може бути виміряна як на одно- так і на двопучкових лазерних щипцях (Фотонний силовий мікроскоп) [30][31]. Недавно почалися роботи по вимірюванню оптичних сил в голографічних лазерних щипцях, щоб досягти високоякісного паралельного експериментального процесу [32],[33], [34],[35].
Основний принцип вимірювання оптичної сили лазерних щипців — передача імпульсу світла, пов'язана із заломленням світла на частинках. Зміна напрямку розповсюдження світла як в поперечному, так і в продольному напрямку забезпечує силу, що діє на об'єкт. Тому, щонайменш поперечна сила може бути виміряна виміряючи відхилення пучка, що пройшов крізь частинку. Таке відхилення може бути легко виміряне за допомогою детектору осьової позиції. Найпростіший з який — квадрантний фотодіод — пластинка, поділена на чотири сектори, з пучком світла сфокусованим в її центрі. При частинці у центрі на сектори падає рівна потужність світла, але якщо на частинку діє сила, потужності вже не рівні, і їх різниця пропорційна цій силі.
Такий принцип може застосовуватися з будь-якими лазерними щипцями. Найбільшою проблемою при таких вимірюваннях буде броунівський рух (шум). Тим не менш, сили порядку піконьютона та зсув порядку нанометрів звичайно можуть бути виміряними [36].
[ред.] Зовнішні ресурси
[ред.] Дослідницькі групи
- ATOM3D об’єднана дослідницька група 7 європейських оптичних лабораторій, працюючих з лазерними щипцями, що підтримується EC Sixth Framework Programme (FP6). [37]
- Лабораторія Блока, Стенфордський Університет, США [38]
- Лабораторія Бустаманте, Університет Каліфорнії, Берклі, США [39]
- Лабораторія Дюфресне, Йельський Університет, США [40]
- Лабораторія Фюрста, Університет Делавара, США [41]
- Лабораторія Грієра, Нью-йоркський Університет, США [42]
- Лабораторія Гросса, Університет Каліфорнії, Ірвайн, США [43]
- Лабораторія Ленга, MIT, США [44]
- Лабораторія Майнерса, Університет Мічигану, США [45]
- Лабораторія Оддершеде, Інститут Нільса Бора, Університет Копенгагена, Данія [46]
- Optical trapping Group, Університет Св. Андрю, Шотландія, Великобританія [47]
- Optical Tweezers Group, ICFO [48]
- Optical Tweezers, Університет міста Умеа, Швеція [49]
- Optical trapping Group, Університет Квінсланда, Австралія [50]
- Optics tweezing, Університет Глазго, Шотландія [51]
- Група OMITEC, Інститут наукових приладів, Чеська республіка [52]
- Лабораторія Перкінса, Університет Колорадо, Боулдер, США [53]
- Лабораторія Ванга, Корнельський Університет, США [54]
- Лабораторія Вуйте, The Vrije Universiteit Amsterdam, Нідерланди [55]
[ред.] Професійні огляди лазерних щипців
- A. Ashkin, "Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers"[56]
- Neuman, K.C., and Block S.M Review on Optical Trapping method[57]
- M. Lang and S. Block, A Resource Letter on Optical Tweezers[58]
- K.Dholakia on Recent review of state of the art tweezers[59]
- D. McGloin on Review of Bessel beam optical tweezers[60]
- David Grier on A revolution in optical manipulation[61]
- Спеціальне видання журналу Journal of Modern Optics Підборка робот по лазерним щипцям кількох провідних груп [62]
- Більш детальний список посилань може бути отриманий з манускрипту написаного Джастіном Моллоєм (Justin E Molloy) [63] та Мілем Паджетом (Miles J Padgett) [64] названому Lights, Action: Optical Tweezers[65] опублікованому онлайн.
[ред.] Ресурси Інтернет
- Щипці – інформація про механічний прилад, від якого лазерні щипці взяли своє ім’я
- Що таке оптичні щипці [66]
- Недавні роботи по лазерним щипцям [67]
- BBC Frontier розказує про методику лазерних щипців (2003) [68]
- Фільми, що показують позиціонування і обертання контрольовані лазерними щипцями [69]
- Фільми про лазерні щипці, що використовуються з бактеріями [70]
- Посилання на сторінки лабораторій всесвітнього суспільства дослідників лазерних щипців га сайті Університету Св. Андрю, Шотландія. [71]
