Описание
Феномен удержания микроскопических частиц в луче лазера был впервые описан в 1970 г. Артуром Эшкиным (Arthur Ashkin), сотрудником компании Bell Telephone Laboratories в США, который занимался изучением давления света на микрообъекты. В дальнейшем Эшкин и его коллеги продемонстрировали возможности оптической ловушки на основе инфракрасного лазера захватывать, удерживать и перемещать в пространстве различные биологические объекты, такие, как вирусные частицы, одиночные бактериальные и дрожжевые клетки и органеллы в живых клетках водорослей. Захваченные в оптическую ловушку клетки продолжали делиться, что свидетельствовало об отсутствии повреждающего воздействия инфракрасного лазерного излучения на биологические объекты. Впоследствии один из соавторов А. Эшкина Стивен Чу (Steven Chu) был удостоен Нобелевской премии по физике в 1997 г. за работы по захвату и охлаждению атомов с помощью оптической ловушки.
Принцип работы лазерного пинцета состоит в том, что оптически прозрачные микрочастицы, имеющие размеры больше длины волны падающего света (например, полистирольные и латексные шарики диаметром около 1 мкм, живые клетки) одновременно отражают и преломляют свет лазера, что приводит, согласно второму закону Ньютона, к возникновению сил отталкивания частиц в направлении от источника света и одновременно сил, возвращающих частицу в исходное положение. При помещении частицы в фокус луча лазера эти силы уравновешиваются, и частица попадает в ловушку. Ее смещение от этого положения вызывает появление дополнительной силы, возвращающей частицу обратно. Диэлектрические частицы размером меньше длины волны лазерного излучения также захватываются хорошо сфокусированным лазерным лучом. Их поведение объясняется с точки зрения теории электромагнетизма. Диэлектрические частицы поляризуются в негомогенном электрическом поле лазерного луча и смещаются к оси луча, где напряженность поля максимальна. Открытие Эшкина катализировало развитие целого направления оптической манипуляции микрообъектами и разработку новых видов оптических ловушек. В современных оптических ловушках и пинцетах используется один или несколько лазеров и акустооптические преобразователи, позволяющие создавать стационарные и подвижные ловушки и работать с несколькими объектами сразу. С помощью таких приборов стало возможным измерить силу, развиваемую одиночными молекулами молекулярных моторов, таких, как миозин и кинезин, а также элементарные шаги, которые делают эти молекулы при двигательном акте. Благодаря способности манипулировать субмикроскопическими объектами вплоть до атомов и измерять пиконьютонные силы и нанометровые перемещения, оптический пинцет рассматривается как один из важнейших инструментов для нанотехнологий.Иллюстрации
|
Для «захвата» коллоидной частицы оптический пинцет использует сильно фокусированный лазерный пучок. Градиент интенсивности излучения затягивает частицу в область перетяжки пучка, тогда как давление света выталкивает ее по направлению оптической оси. Когда градиентная сила доминирует — частица «поймана» в области точки фокуса; в противном случае частица движется вдоль оптической оси. |
Авторы
- Разумовский Алексей Сергеевич
- Ширинский Владимир Павлович
Источники
- Ashkin A. Acceleration and trapping of particles by radiation pressure // Phys. Rev. Lett. 1970. V. 24. P. 156–159.
- Ashkin A., Dziedzic J.M., Yamane T. Optical trapping and manipulation of single cells using infraredlaser beams // Nature. 1987. V. 330. P. 769–771.
- Нанотехнологии. Азбука для всех / Под ред. Ю.Д. Третьякова. — М.: Физматлит, 2008. — 368 с.