Pęseta optyczna - Optical tweezers

Pęseta optyczna (pierwotnie nazywana jednowiązkową pułapką siły gradientu ) to instrumenty naukowe, które wykorzystują silnie skoncentrowaną wiązkę laserową do utrzymywania i przesuwania mikroskopijnych i submikroskopowych obiektów, takich jak atomy , nanocząsteczki i kropelki, w sposób podobny do pęsety . Jeśli obiekt jest trzymany w powietrzu lub próżni bez dodatkowego podparcia, można to nazwać lewitacją optyczną .

Światło lasera stanowi atrakcyjne lub odpychającą siłę (zwykle rzędu od pikokomórek niutonów ), w zależności od względnego współczynnika załamania między cząstką a otaczającym środowiskiem. Lewitacja jest możliwa, jeśli siła światła przeciwstawia się sile grawitacji . Uwięzione cząstki mają zwykle wielkość mikrona lub mniejszą. Zatrzymywane mogą być również cząstki dielektryczne i absorbujące .

Pincety optyczne są używane w biologii i medycynie (na przykład w celu pochwycenia i przytrzymywania jednego bakterii lub komórek , takich jak w plemnika , komórki krwi lub DNA ) nanoinżynieryjnych i nanochemia (do badań i budowania materiałów z pojedynczych cząsteczek ), optyki kwantowej i optomechanics kwantowej (do badania oddziaływania pojedynczych cząstek ze światłem). Opracowanie pęsety optycznej Arthura Ashkina zostało uhonorowane Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 2018 roku .

Historia i rozwój

O wykryciu rozpraszania optycznego i sił gradientu na cząstkach wielkości mikronów po raz pierwszy doniósł w 1970 r. Arthur Ashkin, naukowiec pracujący w Bell Labs . Wiele lat później Ashkin i współpracownicy poinformowali o pierwszej obserwacji tego, co obecnie powszechnie określa się mianem pęsety optycznej: ściśle skupionej wiązki światła zdolnej do utrzymywania mikroskopijnych cząstek stabilnych w trzech wymiarach. W 2018 roku Ashkin otrzymał za ten rozwój Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Jeden z autorów tego przełomowego artykułu z 1986 roku, Steven Chu , używał pęsety optycznej w swojej pracy nad chłodzeniem i pułapkowaniem neutralnych atomów. Dzięki tym badaniom Chu otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1997 r. wraz z Claude Cohen-Tannoudji i Williamem D. Phillipsem . W wywiadzie Steven Chu opisał, jak Ashkin jako pierwszy wyobraził sobie optyczną pęsetę jako metodę pułapkowania atomów. Ashkin był w stanie wychwytywać większe cząstki (o średnicy od 10 do 10 000 nanometrów), ale do Chu należało rozszerzenie tych technik na wychwytywanie neutralnych atomów (o średnicy 0,1 nanometra) przy użyciu rezonansowego światła laserowego i pułapki gradientu magnetycznego (por. Magneto- pułapka optyczna ).

Pod koniec lat 80. Arthur Ashkin i Joseph M. Dziedzic zademonstrowali pierwsze zastosowanie tej technologii w naukach biologicznych, wykorzystując ją do wychwytywania pojedynczego wirusa mozaiki tytoniu i bakterii Escherichia coli . W latach 90. i później badacze tacy jak Carlos Bustamante , James Spudich i Steven Block byli pionierami w stosowaniu spektroskopii sił z pułapką optyczną do charakteryzowania silników biologicznych w skali molekularnej. Te silniki molekularne są wszechobecne w biologii i są odpowiedzialne za poruszanie się i działanie mechaniczne w komórce. Pułapki optyczne umożliwiły tym biofizykom obserwację sił i dynamiki silników w nanoskali na poziomie pojedynczych cząsteczek ; Spektroskopia sił z pułapką optyczną pozwoliła od tego czasu lepiej zrozumieć stochastyczną naturę tych cząsteczek generujących siły.

Pęsety optyczne okazały się przydatne również w innych dziedzinach biologii. Są one wykorzystywane w biologii syntetycznej do konstruowania podobnych do tkanek sieci sztucznych komórek oraz do łączenia syntetycznych błon w celu zainicjowania reakcji biochemicznych. Są również szeroko wykorzystywane w badaniach genetycznych i badaniach nad strukturą i dynamiką chromosomów. W 2003 roku w sortowaniu komórek zastosowano techniki pęsety optycznej; tworząc wzór o dużym natężeniu optycznym na obszarze próbki, komórki można sortować według ich wewnętrznych właściwości optycznych. Pincety optyczne są również stosowane do badania cytoszkieletu , pomiar lepkości i elastyczne właściwości biopolimerów i badania ruchliwości komórek . Test biomolekularny, w którym klastry nanocząstek pokrytych ligandem są zarówno optycznie pułapkowane, jak i wykrywane optycznie po grupowaniu wywołanym cząsteczką docelową, został zaproponowany w 2011 r. i zademonstrowany eksperymentalnie w 2013 r.

Efekt Kapitsa-Diraca skutecznie zademonstrowany w 2001 roku wykorzystuje stojące fale światła do oddziaływania na wiązkę cząstek.

Naukowcy pracowali również nad przekształceniem pęsety optycznej z dużych, złożonych instrumentów na mniejsze, prostsze, przeznaczone do użytku przez osoby z mniejszym budżetem badawczym.

Fizyka

Obiekty dielektryczne są przyciągane do środka wiązki, nieco powyżej jej talii, jak opisano w tekście. Siła przyłożona do obiektu zależy liniowo od jego przesunięcia od środka pułapki, tak jak w przypadku prostego systemu sprężyn. Jest to siła przywracająca, a zatem równa .${\displaystyle -k_{\mathrm {pułapka}}x}$

Ogólny opis

Pęsety optyczne są w stanie manipulować cząstkami dielektryka o wielkości nanometrów i mikronów, wywierając niezwykle małe siły za pomocą silnie skupionej wiązki laserowej . Wiązka jest zazwyczaj skupiana poprzez przesyłanie jej przez obiektyw mikroskopu . Najwęższy punkt skupionej wiązki, znany jako talia wiązki , zawiera bardzo silny gradient pola elektrycznego . Cząsteczki dielektryczne są przyciągane wzdłuż gradientu do obszaru najsilniejszego pola elektrycznego, które jest środkiem wiązki. Światło laserowe ma również tendencję do przykładania siły do ​​cząstek w wiązce wzdłuż kierunku propagacji wiązki. Wynika to z zasady zachowania pędu : fotony, które są absorbowane lub rozpraszane przez maleńką cząstkę dielektryczną, przekazują pęd cząstce dielektrycznej. Jest to znane jako siła rozpraszania i powoduje, że cząstka jest nieco przemieszczona w dół od dokładnego położenia przewężenia wiązki, jak pokazano na rysunku.

Pułapki optyczne są bardzo czułymi przyrządami i są w stanie manipulować i wykrywać sub-nanometrowe przemieszczenia submikronowych cząstek dielektrycznych. Z tego powodu są często używane do manipulowania i badania pojedynczych cząsteczek poprzez interakcję z kulką, która została przyłączona do tej cząsteczki. DNA oraz białka i enzymy, które z nim oddziałują, są powszechnie badane w ten sposób.

W przypadku ilościowych pomiarów naukowych większość pułapek optycznych działa w taki sposób, że cząstka dielektryczna rzadko oddala się od środka pułapki. Powodem tego jest to, że siła przyłożona do cząstki jest liniowa w stosunku do jej przemieszczenia ze środka pułapki, o ile przemieszczenie jest małe. W ten sposób pułapkę optyczną można porównać do prostej sprężyny, która jest zgodna z prawem Hooke'a .

Widok szczegółowy

Właściwe wyjaśnienie zachowania optycznego pułapkowania zależy od wielkości uwięzionej cząstki w stosunku do długości fali światła użytej do jej pułapkowania. W przypadkach, gdy wymiary cząstki są znacznie większe niż długość fali, wystarczy prosta obróbka optyki promieni. Jeśli długość fali światła znacznie przekracza wymiary cząstek, można je traktować jako dipole elektryczne w polu elektrycznym. W przypadku optycznego pułapkowania obiektów dielektrycznych o wymiarach rzędu wielkości długości fali pułapki, jedyne dokładne modele obejmują traktowanie równań Maxwella zależnych od czasu lub harmonicznych w czasie przy użyciu odpowiednich warunków brzegowych.

Optyka promieniowa

Wyjaśnienie optyki promieniowej (laser nieostry). Gdy kulka jest przesunięta ze środka wiązki (zdjęcie po prawej), większa zmiana pędu bardziej intensywnych promieni powoduje przyłożenie siły wypadkowej z powrotem w kierunku środka lasera. Gdy stopka jest bocznie wyśrodkowana na belce (zdjęcie po lewej), wynikowa siła boczna wynosi zero. Ale nieskoncentrowany laser nadal powoduje siłę skierowaną od lasera.

Wyjaśnienie optyki promieniowej (laser skupiony). Oprócz utrzymywania kulki w środku lasera, skupiony laser utrzymuje również kulkę w stałej pozycji osiowej: zmiana pędu skupionych promieni powoduje siłę w kierunku ogniska lasera, zarówno gdy kulka znajduje się z przodu (po lewej obraz) lub za (zdjęcie po prawej) ogniskiem lasera. Tak więc koralik pozostanie nieco za ogniskiem, gdzie siła ta kompensuje siłę rozpraszania.

W przypadkach, w których średnica uwięzionej cząstki jest znacznie większa niż długość fali światła, zjawisko pułapkowania można wyjaśnić za pomocą optyki promieniowej. Jak pokazano na rysunku, poszczególne promienie światła emitowane przez laser będą załamywane podczas wchodzenia i wychodzenia z kulki dielektrycznej. W rezultacie promień wyjdzie w innym kierunku, z którego wyszedł. Ponieważ światło ma związany z nim pęd , ta zmiana kierunku wskazuje, że zmienił się jego pęd. Ze względu na trzecie prawo Newtona, w cząstce powinna występować jednakowa i przeciwna zmiana pędu.

Większość pułapek optycznych działa z intensywnością profilu wiązki Gaussa ( tryb TEM ₀₀ ). W tym przypadku, jeśli cząsteczka zostanie przesunięta ze środka wiązki, tak jak w prawej części rysunku, cząsteczka ma siłę wypadkową zwracając ją do środka pułapki, ponieważ bardziej intensywne wiązki nadają większą zmianę pędu w kierunku środek pułapki niż mniej intensywne wiązki, które powodują mniejszą zmianę pędu od środka pułapki. Wypadkowa zmiana pędu lub siła powoduje powrót cząstki do środka pułapki.

Jeśli cząsteczka znajduje się w środku wiązki, poszczególne promienie światła załamują się symetrycznie przez cząsteczkę, co skutkuje brakiem siły poprzecznej netto. Siła wypadkowa w tym przypadku przebiega wzdłuż kierunku osi pułapki, co niweluje siłę rozpraszania światła laserowego. Zniesienie tej osiowej siły gradientu przez siłę rozpraszającą powoduje, że ścieg jest stabilnie uwięziony nieco poniżej przewężenia belki.

Standardowa pęseta współpracuje z laserem pułapkującym rozchodzącym się w kierunku grawitacji, a odwrócona pęseta działa przeciw grawitacji.

Przybliżenie dipola elektrycznego

W przypadkach, gdy średnica uwięzionej cząstki jest znacznie mniejsza niż długość fali światła, warunki rozpraszania Rayleigha są spełnione i cząstkę można traktować jako dipol punktowy w niejednorodnym polu elektromagnetycznym . Siła przyłożona do pojedynczego ładunku w polu elektromagnetycznym jest znana jako siła Lorentza ,

${\ Displaystyle \ mathbf {F_ {1}} = q \ lewo (\ mathbf {E_ {1}} + {\ Frac {d \ mathbf {x_ {1}}} {dt}} \ razy \ mathbf {B} \Prawidłowy).}$

Siłę na dipolu można obliczyć, podstawiając dwa wyrazy pola elektrycznego w powyższym równaniu, po jednym dla każdego ładunku. Polaryzacji dipola jest , gdy jest to odległość między dwoma opłat. Dla dipola punktowego odległość jest nieskończenie mała , Biorąc pod uwagę, że dwa ładunki mają przeciwne znaki, siła przyjmuje postać ${\displaystyle \mathbf {p} =q\mathbf {d}}$${\displaystyle \mathbf {d}}$${\ Displaystyle \ mathbf {x} _ {1}-\ mathbf {x} _ {2}}.$

${\ Displaystyle {\ zacząć {wyrównany} \ mathbf {F} & = q \ lewo (\ mathbf {E_ {1}} \ lewo (x, y, z \ prawo) - \ mathbf {E_ {2}} \ lewo (x,y,z\right)+{\frac {d(\mathbf {x} _{1}-\mathbf {x} _{2})}{dt}}\times \mathbf {B} \right )\\&=q\left(\mathbf {E_{1}} \left(x,y,z\right)+\left((\mathbf {x} _{1}-\mathbf {x} _{ 2})\cdot \nabla \right)\mathbf {E} -\mathbf {E_{1}} \left(x,y,z\right)+{\frac {d(\mathbf {x} _{1 }-\mathbf {x} _{2})}{dt}}\times \mathbf {B} \right).\\\end{aligned}}}$

Zauważ, że anulowanie. Mnożenie przez ładunek , zamienia pozycję , , na polaryzację , , ${\displaystyle \mathbf {E_{1}}}$${\displaystyle q}$${\displaystyle \mathbf {x}}$${\displaystyle \mathbf {p}}$

${\ Displaystyle {\ zacząć {wyrównany} \ mathbf {F} & = \ lewo (\ mathbf {p} \ cdot \ nabla \ prawej) \ mathbf {e} + {\ Frac {d \ mathbf {p}} {dt }}\times \mathbf {B} \\&=\alpha \left[\left(\mathbf {E} \cdot \nabla \right)\mathbf {E} +{\frac {d\mathbf {E} } {dt}}\times \mathbf {B} \right],\\\end{wyrównany}}}$

gdzie w drugiej równości założono, że cząstka dielektryczna jest liniowa (tj .). ${\ Displaystyle \ mathbf {p} = \ alfa \ mathbf {E}}$

W końcowych krokach zostaną użyte dwie równości: (1) Równość analizy wektorowej , (2) Prawo indukcji Faradaya .

1. ${\ Displaystyle \ lewo (\ mathbf {E} \ cdot \ nabla \ prawej) \ mathbf {E} = \ nabla \ lewo ({\ Frac {1} {2}} E ^ {2} \ prawej) - \ mathbf {E} \times \left(\nabla \times \mathbf {E} \right)}$
2. ${\ Displaystyle \ nabla \ razy \ mathbf {E} = - {\ Frac {\ częściowy \ mathbf {B}} {\ częściowy t}}}$

Najpierw równość wektora zostanie wstawiona do pierwszego członu w powyższym równaniu siły. Równanie Maxwella zostanie zastąpione w drugim członie w równości wektorowej. Następnie dwa terminy zawierające pochodne czasowe można połączyć w jeden termin.

${\ Displaystyle {\ zacząć {wyrównany} \ mathbf {F} & = \ alfa \ lewo [{\ Frac {1} {2}} \ nabla E ^ {2} - \ mathbf {E} \ razy \ lewo (\ nabla \times \mathbf {E} \right)+{\frac {d\mathbf {E} }{dt}}\times \mathbf {B} \right]\\&=\alpha \left[{\frac { 1}{2}}\nabla E^{2}-\mathbf {E} \times \left(-{\frac {d\mathbf {B} }{dt}}\right)+{\frac {d\ mathbf {E} }{dt}}\times \mathbf {B} \right]\\&=\alpha \left[{\frac {1}{2}}\nabla E^{2}+{\frac { d}{dt}}\left(\mathbf {E} \times \mathbf {B} \right)\right].\\\end{aligned}}}$

Drugi wyraz w ostatniej równości jest pochodną czasu wielkości, która jest powiązana przez stałą multiplikatywną z wektorem Poyntinga , który opisuje moc na jednostkę powierzchni przechodzącą przez powierzchnię. Ponieważ moc lasera jest stała przy próbkowaniu na częstotliwościach znacznie dłuższych niż częstotliwość światła lasera ~10 ¹⁴ Hz, pochodna tego wyrazu wynosi średnio do zera, a siłę można zapisać jako

${\ Displaystyle \ mathbf {F} = {\ Frac {1} {2}} \ alfa \ Nabla E ^ {2} = {\ Frac {2 \ pi n_ {0}a ^ {3}} {c}} \lewo({\frac {m^{2}-1}{m^{2}+2}}\prawo)\nabla I(\mathbf {r} ),}$

gdzie w drugiej części uwzględniliśmy indukowany moment dipolowy (w jednostkach MKS) kulistej cząstki dielektrycznej: gdzie jest promieniem cząstki, jest współczynnikiem załamania cząstki i jest względnym współczynnikiem załamania między cząstką a ośrodkiem . Kwadrat wielkości pola elektrycznego jest równy intensywności wiązki w funkcji położenia. Wynik ten wskazuje zatem, że siła działająca na cząstkę dielektryczną, traktowana jako dipol punktowy, jest proporcjonalna do gradientu wzdłuż natężenia wiązki. Innymi słowy, opisana tutaj siła gradientu ma tendencję do przyciągania cząstki do obszaru o największej intensywności. W rzeczywistości siła rozpraszania światła działa wbrew sile gradientu w kierunku osiowym pułapki, co skutkuje położeniem równowagi, które jest przesunięte nieco poniżej maksimum natężenia. W przybliżeniu Rayleigha możemy również zapisać siłę rozpraszania jako ${\ Displaystyle \ mathbf {p} = \ alfa \ mathbf {E} (\ mathbf {r}, t) = 4 \ pi n_ {0} ^ {2} \ epsilon _ {0} a ^ {3} (m ^{2}-1)/(m^{2}+2)\mathbf {E} (\mathbf {r} ,t)}$${\displaystyle a}$${\displaystyle n_{0}}$${\displaystyle m=n_{0}/n_{1}}$

${\ Displaystyle \ mathbf {F} _ {\ tekst {scat}} (\ mathbf {R}) = {\ Frac {k ^ {4} \ alfa ^ {2}} {6 \ pi cn_ {0} ^ { 3}\epsilon _{0}^{2}}}I(\mathbf {r} ){\hat {z}}={\frac {8\pi n_{0}k^{4}a^{6 }}{3c}}\lewo({\frac {m^{2}-1}{m^{2}+2}}\prawo)^{2}I(\mathbf {r} ){\kapelusz { z}}.}$

Ponieważ rozpraszanie jest izotropowe, pęd wypadkowy jest przenoszony w kierunku do przodu. Na poziomie kwantowym siłę gradientu wyobrażamy jako rozpraszanie Rayleigha do przodu, w którym identyczne fotony są tworzone i anihilowane jednocześnie, podczas gdy w sile rozpraszania (promieniowania) padające fotony przemieszczają się w tym samym kierunku i „rozpraszają się” izotropowo. Dzięki zachowaniu pędu, cząstka musi akumulować pierwotny pęd fotonów, powodując w nim siłę do przodu.

Przybliżenie potencjału harmonicznego

Przydatnym sposobem badania interakcji atomu w wiązce Gaussa jest przyjrzenie się przybliżeniu potencjału harmonicznego profilu intensywności, którego doświadcza atom. W przypadku atomu dwupoziomowego, doświadczany potencjał jest związany z jego AC Stark Shift ,

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

gdzie jest naturalną szerokością linii stanu wzbudzonego, jest elektrycznym sprzężeniem dipolowym, jest częstotliwością przejścia i jest odstrojeniem lub różnicą między częstotliwością lasera a częstotliwością przejścia. ${\ Displaystyle \ Gamma}$${\ Displaystyle \ mu}$${\ Displaystyle \ omega _ {o}}$${\ Displaystyle \ delta}$

Intensywność profilu gaussowskiego charakteryzuje się długością fali , minimalną talią i mocą wiązki . Poniższe wzory definiują profil belki: ${\ Displaystyle (\ lambda )}$${\ Displaystyle (w_ {o})}$${\ Displaystyle (P_ {o})}$

${\ Displaystyle I (R, Z) = I_ {0} \ lewo ({\ Frac {W_ {0}} {W (Z)}} \ prawej) ^ {2} e ^ {- {\ Frac {2 R ^ {2}}{w^{2}(z)}}}}$

${\ Displaystyle w (z) = w_ {0}{\ sqrt {1+ \ lewo ({\ Frac {z} {z_ {R}}} \ po prawej) ^ {2}}}}$

${\ Displaystyle Z_ {R} = {\ Frac {\ pi w_ {0}^ {2}} {\ lambda}}}$

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

Aby przybliżyć ten potencjał Gaussa zarówno w kierunku promieniowym, jak i osiowym wiązki, profil natężenia musi zostać rozszerzony do drugiego rzędu odpowiednio w i dla i oraz zrównany z potencjałem harmonicznym . Te rozszerzenia są oceniane przy założeniu stałej mocy. ${\displaystyle z}$${\ Displaystyle r}$${\displaystyle r=0}$${\displaystyle z=0}$${\ Displaystyle {\ Frac {1} {2}} m (\ omega _ {z} ^ {2} z ^ {2} + \ omega _ {r} ^ {2} r ^ {2})}$

${\ Displaystyle {\ Frac {1} {2}}} {\ Frac {\ częściowy ^ {2} I} {\ częściowy z ^ {2}}} {\ Biggr |} _ {r, z = 0} z ^{2}={\frac {2P_{0}\lambda ^{2}}{\pi ^{3}w_{0}^{6}}}z^{2}={\frac {1}{ 2}}m\omega _{z}^{2}z^{2}}$

${\ Displaystyle {\ Frac {1} {2}}} {\ Frac {\ częściowy ^ {2} I} {\ częściowy r ^ {2}}} {\ Biggr |} _ {r, z = 0} r ^{2}={\frac {4P_{0}}{\pi w_{0}^{4}}}r^{2}={\frac {1}{2}}m\omega _{r} ^{2}r^{2}}$

Oznacza to, że przy rozwiązywaniu częstotliwości harmonicznych (lub częstotliwości pułapek przy rozważaniu pułapek optycznych na atomy) częstotliwości podaje się jako:

${\ Displaystyle \ omega _ {r} = {\ sqrt {\ Frac {8 P_ {0}} {\ pi mw_ {0} ^ {4}}}}}$

${\ Displaystyle \ omega _ {z} = {\ sqrt {\ Frac {4 P_ {0} \ lambda ^ {2}} {m \ pi ^ {3} w_ {0} ^ {6}}}}}$

tak, że względne częstotliwości pułapki dla kierunków promieniowych i osiowych w funkcji tylko skali talii wiązki jako:

${\displaystyle {\frac {\omega_{r}}{\omega_{z}}}={\sqrt {2}}{\frac {w_{0}\pi}}{\ lambda}}}$

Lewitacja optyczna

Aby cząsteczka mogła lewitować w powietrzu, siła grawitacji skierowana w dół musi zostać zrównoważona siłami wynikającymi z transferu pędu fotonów . Zazwyczaj ciśnienie promieniowania fotonowego skupionej wiązki laserowej o wystarczającym natężeniu przeciwdziała działającej w dół sile grawitacji, jednocześnie zapobiegając niestabilności bocznej (z boku na bok) i pionowej, aby umożliwić stabilną pułapkę optyczną zdolną do utrzymywania małych cząstek w zawiesinie.

W tego typu eksperymencie wykorzystuje się przezroczyste kulki dielektryczne o rozmiarach mikrometrów (od kilku do 50 mikrometrów średnicy), takie jak kulki topionej krzemionki , krople oleju lub wody. Promieniowanie laserowe może być ustalone w długości fali, na przykład lasera argonowego lub przestrajalnego lasera barwnikowego . Wymagana moc lasera jest rzędu 1 wata skupiona na plamce o wielkości kilkudziesięciu mikrometrów. Zjawiska związane z zależnymi od morfologii rezonansami w sferycznej wnęce optycznej były badane przez kilka grup badawczych.

W przypadku błyszczącego przedmiotu, takiego jak metaliczna mikrokulka, nie osiągnięto stabilnej lewitacji optycznej. Lewitacja optyczna obiektu makroskopowego jest również teoretycznie możliwa i może być wzmocniona nanostrukturyzacją.

Materiały, które zostały z powodzeniem lewitowane, to ług czarny, tlenek glinu, wolfram i nikiel.

Ustawienia

Ogólny schemat pęsety optycznej zawierający tylko najbardziej podstawowe komponenty.

Najbardziej podstawowa konfiguracja pęsety optycznej będzie prawdopodobnie zawierać następujące elementy: laser (zwykle Nd:YAG ), ekspander wiązki, optykę stosowaną do sterowania położeniem wiązki w płaszczyźnie próbki, obiektyw mikroskopu i kondensor do tworzenia pułapki w płaszczyzna próbki, detektor położenia (np. fotodioda kwadrantowa ) do pomiaru przemieszczeń wiązki oraz źródło oświetlenia mikroskopu sprzężone z kamerą CCD .

Nd: YAG (1064 nm) jest częstym wyborem lasera do pracy z próbek biologicznych. Dzieje się tak, ponieważ takie próbki (składające się głównie z wody) mają niski współczynnik pochłaniania przy tej długości fali. Wskazana jest niska absorpcja, aby zminimalizować uszkodzenia materiału biologicznego, czasami określana jako optyka . Być może najważniejszym czynnikiem przy projektowaniu pęsety optycznej jest wybór obiektywu. Stabilna pułapka wymaga, aby siła gradientu, która jest zależna od apertury numerycznej (NA) obiektywu, była większa niż siła rozpraszania. Odpowiednie cele zazwyczaj mają NA między 1,2 a 1,4.

Chociaż dostępne są alternatywy, być może najprostsza metoda wykrywania położenia polega na zobrazowaniu lasera pułapkującego wychodzącego z komory próbki na fotodiodę kwadrantową. Odchylenia boczne wiązki mierzy się podobnie jak to się robi za pomocą mikroskopii sił atomowych (AFM) .

Rozszerzenie wiązki emitowanej z lasera, aby wypełnić aperturę obiektywu, da w wyniku ciaśniejszy punkt o ograniczonej dyfrakcji. Podczas gdy translację poprzeczną pułapki względem próbki można uzyskać poprzez translację szkiełka mikroskopowego, większość konfiguracji pęsety ma dodatkową optykę zaprojektowaną do translacji wiązki, aby zapewnić dodatkowy stopień swobody translacji. Można to zrobić, przekładając pierwszą z dwóch soczewek oznaczonych na rysunku jako „Sterowanie wiązką”. Na przykład przesunięcie tej soczewki w płaszczyźnie bocznej spowoduje, że wiązka odchylona w bok od tego, co jest narysowane na rysunku. Jeśli odległość między soczewkami kierującymi wiązką a obiektywem jest dobrana prawidłowo, będzie to odpowiadać podobnemu odchyleniu przed wejściem do obiektywu i wynikającemu z tego poprzecznemu przesunięciu w płaszczyźnie próbki. Położenie przewężenia wiązki, czyli ogniska pułapki optycznej, można regulować poprzez osiowe przemieszczenie soczewki początkowej. Takie przemieszczenie osiowe powoduje, że wiązka nieznacznie się rozchodzi lub zbiega, czego efektem końcowym jest osiowe przemieszczenie przewężenia belki w komorze próbki.

Wizualizacja płaszczyzny próbki jest zwykle realizowana poprzez oświetlenie za pomocą oddzielnego źródła światła połączonego z ścieżką optyczną w przeciwnym kierunku za pomocą zwierciadeł dichroicznych . Światło to pada na kamerę CCD i może być oglądane na zewnętrznym monitorze lub wykorzystywane do śledzenia pozycji uwięzionych cząstek poprzez śledzenie wideo .

Alternatywne tryby wiązki laserowej

Większość pęsety optycznej wykorzystuje konwencjonalne wiązki gaussowskie TEM ₀₀ . Jednak do wychwytywania cząstek wykorzystywano szereg innych typów wiązek, w tym wiązki laserowe wysokiego rzędu, tj. wiązki Hermite-Gaussowskie (TEM _xy ), wiązki Laguerre'a-Gaussowskie (LG) (TEM _pl ) i wiązki Bessela .

Pęsety optyczne oparte na wiązkach Laguerre'a-Gaussa mają wyjątkową zdolność wychwytywania cząstek, które są optycznie odbijające i pochłaniające. Wiązki Laguerre'a-Gaussa mają również dobrze zdefiniowany orbitalny moment pędu, który może obracać cząstki. Odbywa się to bez zewnętrznego mechanicznego lub elektrycznego sterowania wiązką.

Zarówno belki Bessela o zerowym, jak i wyższym rzędzie posiadają również unikalną zdolność pęsety. Mogą chwytać i obracać wiele cząstek oddalonych od siebie o milimetry, a nawet wokół przeszkód.

Mikromaszyny mogą być napędzane tymi unikalnymi wiązkami optycznymi dzięki ich wewnętrznemu mechanizmowi rotacyjnemu wynikającemu z spinu i orbitalnego momentu pędu światła.

Multipleksowana pęseta optyczna

Typowa konfiguracja wykorzystuje jeden laser do tworzenia jednej lub dwóch pułapek. Zwykle dwie pułapki są generowane przez podział wiązki laserowej na dwie prostopadłe wiązki spolaryzowane. Operacje pincety optycznej z więcej niż dwiema pułapkami można realizować albo przez podział czasu pojedynczej wiązki laserowej na kilka pincet optycznych, albo przez dyfrakcyjne rozdzielenie wiązki na wiele pułapek. W przypadku deflektorów akustyczno-optycznych lub luster sterowanych galwanometrem pojedyncza wiązka lasera może być dzielona między setki optycznych pęsety w płaszczyźnie ogniskowej lub rozłożona w rozbudowanej jednowymiarowej pułapce. Specjalnie zaprojektowane dyfrakcyjne elementy optyczne mogą podzielić pojedynczą wiązkę wejściową na setki stale oświetlonych pułapek w dowolnych trójwymiarowych konfiguracjach. Hologram tworzący pułapkę może również indywidualnie określać strukturę modową każdej pułapki, tworząc w ten sposób na przykład układy wirów optycznych, pęsety optyczne i holograficzne pułapki liniowe. Wdrożone z przestrzennym modulatorem światła , takie holograficzne pułapki optyczne mogą również przemieszczać obiekty w trzech wymiarach. Zaawansowane formy holograficznych pułapek optycznych o dowolnych profilach przestrzennych, w których kontrolowana jest gładkość natężenia i fazy, znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach nauki, od mikromanipulacji po ultrazimne atomy . Ultrazimne atomy mogą być również wykorzystywane do budowy komputerów kwantowych.

Światłowody jednomodowe

Standardowa pułapka światłowodowa opiera się na tej samej zasadzie, co pułapka optyczna, ale z wiązką lasera Gaussa dostarczaną przez światłowód . Jeśli jeden koniec światłowodu jest uformowany w fasetę podobną do soczewki , wiązka prawie gaussowska przenoszona przez standardowe włókno jednomodowe zostanie skupiona w pewnej odległości od końcówki światłowodu. Efektywna apertura numeryczna takiego montażu zwykle nie wystarcza do realizacji pełnej pułapki optycznej 3D, a jedynie pułapki 2D (pułapka optyczna i manipulacja obiektami będzie możliwa tylko wtedy, gdy np. stykają się one z powierzchnią). Prawdziwe pułapkowanie optyczne 3D oparte na pojedynczym włóknie, z punktem pułapkowania, który nie styka się prawie z końcówką światłowodu, został zrealizowany w oparciu o niestandardowy układ włókien z pierścieniowym rdzeniem i geometrię całkowitego wewnętrznego odbicia.

Z drugiej strony, jeśli końce światłowodu nie są formowane, laser wychodzący z światłowodu będzie rozbieżny, a zatem stabilną pułapkę optyczną można uzyskać jedynie poprzez zrównoważenie gradientu i siły rozpraszającej z dwóch przeciwległych końców światłowodu. Siła gradientu zatrzyma cząstki w kierunku poprzecznym, podczas gdy osiowa siła optyczna pochodzi z siły rozpraszania dwóch przeciwbieżnych wiązek wychodzących z dwóch włókien. Równowagowe położenie z takiego uwięzionego koralika jest tam, gdzie dwie siły rozpraszające są sobie równe. Ta praca została zapoczątkowana przez A. Constable et al. , Opc. Łotysz. 18 , 1867 (1993), a następnie J.Guck et al. , fiz. Ks. 84 , 5451 (2000), którzy wykorzystali tę technikę do rozciągania mikrocząstek. Manipulując mocą wejściową na dwa końce włókna, nastąpi wzrost „rozciągania optycznego”, które można wykorzystać do pomiaru lepkosprężystych właściwości komórek, z czułością wystarczającą do rozróżnienia między różnymi indywidualnymi fenotypami cytoszkieletu. tj. ludzkie erytrocyty i mysie fibroblasty. Niedawny test przyniósł wielki sukces w odróżnianiu komórek rakowych od nienowotworowych od dwóch przeciwstawnych, nieskoncentrowanych wiązek laserowych.

Pułapki na bazie włókien wielomodowych

Optical Cell Rotator to światłowodowa pułapka laserowa, która może utrzymywać i precyzyjnie orientować żywe komórki do mikroskopii tomograficznej.

Podczas gdy wcześniejsza wersja światłowodowych pułapek laserowych wykorzystywała wyłącznie wiązki jednomodowe, M. Kreysing i współpracownicy wykazali niedawno, że ostrożne wzbudzanie kolejnych modów optycznych w krótkim kawałku światłowodu umożliwia realizację nietrywialnych geometrii pułapek. Dzięki temu naukowcy byli w stanie zorientować różne typy komórek ludzkich (poszczególne komórki i skupiska) pod mikroskopem. Główną zaletą technologii tak zwanej „optycznej rotatora komórki” nad standardowymi pęsetami optycznymi jest oddzielenie pułapkowania od optyki obrazowania. To, modułowa konstrukcja i wysoka kompatybilność rozbieżnych pułapek laserowych z materiałem biologicznym, wskazuje na ogromny potencjał nowej generacji pułapek laserowych w badaniach medycznych i naukach przyrodniczych. W ostatnim czasie wdrożono technologię optycznego rotatora komórki w oparciu o optykę adaptacyjną , pozwalającą na dynamiczną rekonfigurację pułapki optycznej w trakcie pracy i dostosowanie jej do próbki.

Sortowanie komórek

Jeden z bardziej powszechnych systemów sortowania komórek wykorzystuje cytometrię przepływową poprzez obrazowanie fluorescencyjne . W tej metodzie zawiesina komórek biologicznych jest sortowana do dwóch lub więcej pojemników, w oparciu o specyficzne właściwości fluorescencyjne każdej komórki podczas wspomaganego przepływu. Wykorzystując ładunek elektryczny, w którym komórka jest „uwięziona”, komórki są następnie sortowane w oparciu o pomiary intensywności fluorescencji. Proces sortowania jest realizowany przez system odchylania elektrostatycznego, który kieruje ogniwa do pojemników na podstawie ich ładunku.

W procesie sortowania uruchamianego optycznie komórki są przepuszczane do optycznego krajobrazu, tj. siatek optycznych 2D lub 3D. Bez żadnego indukowanego ładunku elektrycznego komórki byłyby sortowane w oparciu o ich wewnętrzne właściwości współczynnika załamania światła i mogą być rekonfigurowalne do sortowania dynamicznego. Siatkę optyczną można stworzyć za pomocą optyki dyfrakcyjnej i elementów optycznych.

Z drugiej strony K. Ladavac i in. wykorzystał przestrzenny modulator światła do projekcji wzoru natężenia, aby umożliwić proces optycznego sortowania. K. Xiao i DG Grier zastosowali holograficzną mikroskopię wideo, aby zademonstrować, że ta technika może sortować kulki koloidalne z rozdzielczością części na tysiąc pod kątem rozmiaru i współczynnika załamania światła.

Głównym mechanizmem sortowania jest rozmieszczenie punktów siatki optycznej. Gdy komórka przepływa przez siatkę optyczną, powstają siły wynikające z siły oporu cząstek, która konkuruje bezpośrednio z siłą gradientu optycznego (patrz Fizyka pęsety optycznej) z punktu sieci optycznej. Dzięki przesunięciu rozmieszczenia punktu siatki optycznej uzyskuje się korzystną ścieżkę optyczną, w której siły optyczne są dominujące i spolaryzowane. Za pomocą przepływu komórek powstaje siła wypadkowa, która jest kierowana wzdłuż tej preferowanej ścieżki optycznej. Stąd istnieje związek natężenia przepływu z optyczną siłą gradientu. Dostosowując dwie siły, można będzie uzyskać dobrą wydajność sortowania optycznego.

Konkurencja sił w środowisku sortowania wymaga precyzyjnego dostrojenia, aby odnieść sukces w wysokowydajnym sortowaniu optycznym. Potrzeba dotyczy głównie równowagi sił; siła oporu spowodowana przepływem płynu i optyczna siła gradientu spowodowana rozmieszczeniem plamki intensywności.

Naukowcy z Uniwersytetu St. Andrews otrzymali znaczne środki finansowe od brytyjskiej Rady ds. Badań Nauk Technicznych i Fizycznych ( EPSRC ) na optyczną maszynę sortującą. Ta nowa technologia może konkurować z konwencjonalnym sortowaniem komórek aktywowanym fluorescencją.

Zanikające pola

Pole zanikającą jest reszta pola optyczne , które „przecieki” podczas całkowitego wewnętrznego odbicia . Ten „wyciek” światła zanika w tempie wykładniczym. Zanikające pole znalazło wiele zastosowań w obrazowaniu z rozdzielczością nanometrową (mikroskopia); Mikromanipulacja optyczna (pęseta optyczna) staje się coraz bardziej istotna w badaniach.

W pęsetach optycznych ciągłe pole zanikające może zostać wytworzone, gdy światło rozchodzi się przez falowód optyczny (wielokrotne całkowite odbicie wewnętrzne ). Powstałe pole zanikające ma kierunek i będzie napędzać mikrocząstki wzdłuż swojej ścieżki propagacji. Ta praca została po raz pierwszy zapoczątkowana przez S. Kawatę i T. Sugiurę w 1992 roku, którzy wykazali, że pole może być sprzężone z cząsteczkami znajdującymi się w pobliżu rzędu 100 nanometrów.

To bezpośrednie sprzężenie pola jest traktowane jako rodzaj tunelowania fotonów przez szczelinę od pryzmatu do mikrocząstek. Rezultatem jest kierunkowa optyczna siła napędowa.

Ostatnia zaktualizowana wersja pęsety optycznej z zanikającym polem wykorzystuje rozszerzone wzory optycznego krajobrazu do jednoczesnego prowadzenia dużej liczby cząstek w preferowanym kierunku bez użycia falowodu . Nazywa się to pułapkowaniem optycznym bez soczewek ("LOT"). Uporządkowany ruch cząstek jest wspomagany przez wprowadzenie zasady Ronchi, która tworzy dobrze zdefiniowane studnie potencjału optycznego (zastępując falowód). Oznacza to, że cząstki są napędzane przez zanikające pole, podczas gdy są uwięzione przez liniowe jasne prążki. W tej chwili są też naukowcy pracujący nad skupionymi polami zanikającymi.

Inne zaproponowane niedawno podejście wykorzystuje plazmony powierzchniowe, które są wzmocnioną falą zanikającą zlokalizowaną na granicy metal/dielektryk. Zwiększone pole sił doświadczane przez cząstki koloidalne wystawione na działanie plazmonów powierzchniowych na płaskiej powierzchni styku metal/dielektryk zostało po raz pierwszy zmierzone za pomocą mikroskopu sił fotonicznych, przy czym całkowita wielkość siły jest 40 razy silniejsza w porównaniu z normalną falą zanikającą. Wzorując powierzchnię złotymi mikroskopijnymi wyspami, możliwe jest selektywne i równoległe zalewkowanie tych wysp. Siły tych ostatnich szczypiec optycznych leżą w zakresie femtonewtonów.

Zanikające pole można również wykorzystać do wychwytywania zimnych atomów i cząsteczek w pobliżu powierzchni falowodu optycznego lub nanowłókien optycznych .

Podejście pośrednie

Ming Wu, profesor elektrotechniki i informatyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, wynalazł nową pęsetę optoelektroniczną.

Wu przekształcił energię optyczną z diod elektroluminescencyjnych o niskiej mocy (LED) w energię elektryczną za pośrednictwem powierzchni fotoprzewodzącej. Pomysł polega na umożliwieniu diody LED włączania i wyłączania materiału fotoprzewodzącego poprzez jego precyzyjną projekcję. Ponieważ wzór optyczny można łatwo przekształcić za pomocą projekcji optycznej, metoda ta zapewnia dużą elastyczność przełączania różnych krajobrazów optycznych.

Proces manipulacji/pęsety odbywa się poprzez zmiany pomiędzy polem elektrycznym wzbudzanym przez wzorzec światła. Cząstki będą albo przyciągane, albo odpychane od aktywowanego punktu z powodu indukowanego dipola elektrycznego. Cząstki zawieszone w cieczy będą podatne na gradient pola elektrycznego, co jest znane jako dielektroforeza .

Jedną wyraźną zaletą jest to, że przewodność elektryczna jest różna w różnych rodzajach komórek. Żywe komórki mają słabiej przewodzącą pożywkę, podczas gdy martwe mają minimalną przewodzącą pożywkę lub jej brak. System może być w stanie jednocześnie manipulować około 10 000 komórek lub cząstek.

Zobacz komentarze profesora Kishana Dholakia na temat tej nowej techniki, K. Dholakia, Nature Materials 4, 579–580 (01 sierpnia 2005) Wiadomości i poglądy.

„System był w stanie przenieść żywe bakterie E. coli i cząstki o szerokości 20 mikrometrów, wykorzystując moc optyczną mniejszą niż 10 mikrowatów.

Wiązanie optyczne

Gdy skupisko mikrocząstek jest uwięzione w monochromatycznej wiązce laserowej, organizacja mikrocząstek w pułapce optycznej jest silnie zależna od redystrybucji sił pułapki optycznej pomiędzy mikrocząstkami. Ta redystrybucja sił światła pomiędzy klastrem mikrocząstek zapewnia nową równowagę sił w klastrze jako całości. W związku z tym możemy powiedzieć, że skupisko mikrocząstek jest w pewnym stopniu związane ze sobą przez światło. Jeden z pierwszych eksperymentalnych dowodów wiązania optycznego został zgłoszony przez Michaela M. Burnsa, Jean-Marca Fourniera i Jene A. Golovchenko, choć pierwotnie przewidział to T. Thirunamachandran. Jedno z wielu ostatnich badań nad wiązaniem optycznym wykazało, że w przypadku układu chiralnych nanocząstek wielkość sił wiążących zależy od polaryzacji wiązki laserowej i orientacji samych oddziałujących cząstek, z potencjalnymi zastosowaniami w obszarach takich jak enancjomeryczne separacja i nanomanipulacja optyczna.

Pęseta optyczna fluorescencyjna

Aby jednocześnie manipulować i obrazować próbki wykazujące fluorescencję , można zbudować pęsety optyczne wraz z mikroskopem fluorescencyjnym . Takie przyrządy są szczególnie przydatne do badania pojedynczych lub niewielkich ilości cząsteczek biologicznych, które zostały oznakowane fluorescencyjnie, lub w zastosowaniach, w których fluorescencja jest wykorzystywana do śledzenia i wizualizacji obiektów, które mają zostać uwięzione.

Podejście to zostało rozszerzone o jednoczesne wykrywanie i obrazowanie dynamicznych kompleksów białkowych przy użyciu długich i silnych uwięzi generowanych przez wysoce wydajne wieloetapowe podejście enzymatyczne i zostało zastosowane w badaniach maszyn do dezagregacji w działaniu.

Zobacz też

• Lewitacja
• Lista artykułów laserowych
• Optyka kwantowa
• Optyka atomowa
• Kontrola kwantowa

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• Wideo: Lewitujące DIAMENTY wiązką laserową