Оптический пинцет (англ. Laser tweezers), иногда «оптические щипцы», «оптический пинцет» или «оптическая ловушка» — научный прибор, позволяющий манипулировать микроскопическими объектами с помощью лазерного света (обычно лазерного диода). Они позволяют прикладывать силы от фемтоньютонив к наноньютонив и измерять расстояния от нескольких нанометров до микрон. В последние годы оптический пинцет стали популярным орудием в биофизике, где их используют при исследовании структуры и принципа работы белков.

История

Еще в 17 веке высказывались предположения, что свет может оказывать давление на вещество. В работе «De Cometis» немецкий астроном Кеплер выдвинул мысль, что хвосты комет отклоняются под действием солнечного света. Хотя позже оказалось, что это не единственный механизм такого отклонения, идея Кеплера была важной для развития астрономии. Например, исследования показали, что звездный радиационный давление — один из главных механизмов, отвечающих за динамику частиц в межзвездном пространстве. Через два столетия Максвелл рассчитал величину светового давления с помощью своей теории электромагнитных явлений. Проведенные в 1900 году российским физиком Лебедевым экспериментальные исследования подтвердили существование давления света.

После открытия Басовым и Прохоровым в 1953 году принципа лазера, появился источник света, достаточно мощное и с достаточно коллимированный пучком света для манипуляции макроскопическим объектами. Но только в 1970 в научной литературе появились публикации сотрудника Bell Labs Артура Ашкина (Arthur Ashkin), в которых сообщалось о регистрации оптических сил рассеяния и градиентных сил на частицах микронных размеров. Через несколько лет Ашкин с коллегами сообщили о первом наблюдения того, что сейчас называется оптической ловушкой, то есть пучка света, сфокусированного таким образом, что он может устойчиво удерживать микроскопические частицы (10 нм-10 мкм) в трех измерениях.

Подобный принцип используется и для лазерного охлаждения, метода понижения температуры до значений недоступных другими средствами, предложенный советским физиком Летохов в 1968 году и реализован той же группой Ашкина в 1978 году. Бывший сотрудник Ашкина Стивен Чу (Steven Chu) продолжил эти исследования и получил за эту работу Нобелевскую премию в 1997 году.

В 1980-х годах Стивен Блок (Steven Block) и Говард Берг (Howard Berg) впервые применили технологию лазерных щипцов в биологии, используя ее для того, чтобы схватить бактерию с целью исследования бактериальных жгутиков. Уже в 1990-х годах исследователи, такие как Карлос Бустаманте (Carlos Bustamante), Джеймс Спудич (James Spudich) и Стивен Блок разработали метод оптической силовой спектроскопии, применяя его для того, чтобы характеризовать биологические двигатели молекулярного масштаба. Эти молекулярные моторы вездесущие в природе и отвечают за передвижение клеток, изменение их формы и за транспорт в пределах клетки. Оптические ловушки позволили этим биофизикам наблюдать динамику молекулярных моторов, рассматривая одну выбранную молекулу отдельно от других. Оптическая силовая спектроскопия позволила лучше понять природу движущих сил, которые действуют в молекуле и имеют стохастическую (случайную) природу.

Оптический пинцет доказали свою пользу и в других областях биологии. Например, в 2003 году методика лазерных щипцов была использована для сортировки клеток. Создавая в области, наполненной микробиологическим образцом, световую картину большой интенсивности, можно сортировать клетки по их собственным оптическими характеристиками. Оптический пинцет также были использованы для исследования цитоскелета, измерения вязкоэластичный свойств биополимеров и изучения передвижения клеток.

Строение лазерных щипцов

Физические принципы

Маленькие диэлектрические сферы взаимодействуют с электрическим полем, созданным пучком света, за счет приведенного дипольного момента. В результате взаимодействия этого диполя с полем, сфера втягивается вдоль электрического градиента поля к точке наивысшей интенсивности света. Кроме градиентной силы, на сферу также действует рассеивающая сила, вызванная отражением света от ее поверхности. Эта сила толкает сферу вдоль пучка света. Однако, если луч сильно сфокусирован, градиент интенсивности преодолевает силу светового давления.

Детальный анализ, проведенный Ашкиним, базируется на двух механизмах, действие которых зависит от размера частицы. В атмосферной науке известно, что частица в воздухе рассеивает свет по-разному в зависимости от своего размера. Если размер рассеивающих частиц намного меньше, чем длина волны света, это рассеяние называется релеевской (от имени британского физика лорда Рэлея). Релеевское рассеяния возрастает с увеличением частоты электромагнитной волны, поэтому при рассеивании белого света рассеянный свет будет голубой оттенок. Согласно свет, который проходит прямо имеет красный видтиок. Этот эффект отвечает за красные краски заката и голубой цвет неба. Когда свет рассеивается на частицах (пыль, дым, водные капельки), имеющие размер больше, чем длина волны света, законы рассеивания скаладниши. Задачу о рассеянии света сферой в общем случае, независимо от размеров сферы, решил немецкий физик Густав Ми. Рассеяния Ми отвечает за белье облаков.

Используя эти идеи, Ашкин высказал идею, что оптическое микроманипулювання можно проанализоваты двумя отдельными методами, а именно, подходом волновой оптики для крупных частиц (диаметр частицы d> λ длины волны света) и приближением электрического диполя для релеевской частиц (d <λ).

Подход волновой оптики к процессам преломления и отражения света от микросферы достаточный, чтобы проанализировать втягивание в оптическую ловушку.

Проще понять силы, которые действуют на микроскопическую частицу со стороны тонкого луча можно, используя принципы геометрической оптики. Попадая на частичку луч отражается и преломляется. При этом изменяется направление его движения, а следовательно и импульс фотонов. По закону сохранения импульса, изменение импульса передается частице.

Используя простую диаграмму лучей и розглядачючы направления импульсов отраженных и преломленных лучей, можно заметить, что на микросферу действуют две разные оптические силы. Как видно из диаграммы, результирующая сила тянет сферу в направлении области наивысшей интенсивности луча. Эта сила называется градиентной. Кроме того, на сферу действует световое давление, толкая ее в направлении падения луча.

Чтобы исследуемый объект оставался незыблемым, необходимо компенсировать силу, обусловленную давлением света. Это можно сделать, используя два встречных пучка света, которые толкают сферу в противоположных направлениях, или с помощью сильно сфокусированного гауссовского пучка (с высокой числовой апертурой, NA> 1.0). В этом случае световое давление компенсируется высокой градиентной силой.

С другой стороны, в релеивському режиме, форма частиц несущественна. Вообще, для самых маленьких частиц нужна наименьшая сила притяжения. В большинстве случаев, для объяснения рабочего механизма лазерных щипцов для любой формы частиц справедливая модель приведенного диполя. Электромагнитная волна индукуватиме диполь, или поляризацию, в диалектической частице. Сила взаимодействия этого диполя со светом приводит к градиентной силы притяжения.

Подробнее о приборе, который используется для создания оптической ловушки в лаборатории Стивена Блока.

Оптический пинцет на альтернативных лазерных модах

Первые оптический пинцет работали на одном гаусивсьму пучке (фундаментальная лазерная мода TEM 00). В 1986 году А. Ашкин развил концепцию Однопучковой лазерных щипцов, действующих за счет использования лазерных мод высокого порядка, то есть ермитивських гауссовских пучков (TEM xy), лагеривських гауссовских пучков (Lg, TEM pl) и бесселивських пучков (Jn).

Оптический пинцет на лагеривських гауссовских пучках имеют уникальную возможность втягивания в ловушку частиц с высоким оптическим отражением и поглощением. Лагеривськи гауссовской пучки также имеют собственный угловой момент, который может вращать частицы. Этот эффект наблюдается без внешнего механического или электрического регулирования луча. Передавая свет с круговой поляризацией и используя волновую пластинку, возможно предоставить гаусовському пучке спиновый орбитальный момент.

Кроме лагеривських гауссовских пучков, бесселивськи пучки как нулевого, так и высших порядков, имеют орбитальный момент, а также уникальное свойство удерживать одновременно много частиц на некотором расстоянии друг от друга.

Орбитальный момент пучков высокого порядка также позволяет управлять искусственными наномашинами.

Мультиплексные оптический пинцет

Типичная установка использует только один или два лазерных луча. Сложные эксперименты требуют много ловушек, которые работали бы одновременно. Этого можно добиться, используя единственный лазер, свет которого проходит через акусто-оптический модулятор или через электронно управляемые зеркала. С помощью этих устройств лазерное излучение можно розибиты на несколько разделенных во времени лучей. С помощью дифракционных оптических элементов достигают разбиение на несколько лучей разделенных пространственно.

Оптический пинцет, основанные на оптических волокнах

В этом типе устройства лазерное излучение подается через оптическое волокно. Если один конец оптического волокна формирует выпуклую поверхность, то такая форма позволит сфокусировать свет так, чтобы образовать оптическую ловушку с высокой числовой апертурой.

Если же конце волокна не выпуклые, лазерный свет расходиться, и поэтому устойчива оптическая ловушка может быть образована только при размещении двух двух концов волокон с разных сторон от оптической ловушки, добиваясь баланса градиентных сил и сил светового давления. Градиентные силы удерживают частицы в поперечном направлении, тогда как повздовни силы, обусловленные оптическим давлением двух встречных лучей компенсировать друг друга. Равновесная z-позиция сферы таким ловушке — такое место, где обе силы светового давления равны друг другу. Такие оптический пинцет были впервые разработаны А. Констебля и Дж. Глюками, которые использовали эту методику для растяжения микрочастиц. Манипулируя входной мощностью с обоих концов волокна, можно регулировать растягивающие силу. Такая система может использоваться для измерения вязкоэластичный свойств клеток. Ее чувствительность достаточна, чтобы различить различные фенотипы цитоскелета. Недавние эксперименты продемонстрировали возможность дифференциации раковых клеток от нераковых.

Оптический пинцет в сортировке клеток

Одна из самых распространенных систем сортировки клеток использует метод цитометрии и детекцию флюоресцентного света. В этом методе суспензия биологических клеток сортируется в несколько контейнеров по флюоресцентными характеристиками каждой клетки в потоке. Процесс сортировки контролируется электростатической системой отклонения, которая направляет клетку к определенному контейнера изменением напряжения приложенного электрического поля.

В оптически управляемой системе сортировки, клетки пропускают через двух- или трехмерные оптические решетки. Без поляризации электрическим полем клетки сортируются в зависимости от того, как они преломляют свет. Для создания таких оптических решеток группа Кишан Долакиа разработала методику использования дифракционной оптики и других оптических элементов. С другой стороны, группа в Университете Торонто построила сортировочную систему, используя пространственный световой модулятор.

Главный механизм сортировки — расположение узлов оптических решеток. Когда поток клеток проходит через оптические решетки, на них действуют силы трения и градиентные силы от ближайших узлов оптической решетки. Изменяя расположение узлов, можно создать оптическую дорожку, по которой будут двигаться клетки. Но такая дорожка будет эффективной только для клеток с определенным показателем преломления. Только они будут эффективно отклоняться неравномерным световым потоком. Регулируя скорость потока клеток и мощность света можно получить хорошее оптическое сортировки клеток.

Для высокой эффективности оптического сортировки баланс сил в системе сортировки требует точного юстировки. Сейчас в Университете св. Эндрю (Великобритания) создана большая исследовательская группа для работы над этой проблемой. В случае успеха эта технология сможет заменить традиционное флюоресцентной сортировки клеток.

Оптический пинцет на эванесцентные полях

Эванесцентные поле — электромагнитное поле, проникающее вглубь поверхности, от которой свет отражается при полном внутреннем отражении. Это световое поле затухает по показательному закону, проникая в материал менее чем на длину волны. Эванесцентные поле нашло целый ряд применений в оптической микроскопии нанометровых объектов, оптическая микроманипуляция (оптический пинцет) становится еще одним его применением.

В лазерных щипцах непрерывное эванесцентные поле может быть создано, когда свет распространяется через оптический волновод (многократное полное внутреннее отражение). Результирующее эванесцентные поле имеет направленный импульс, и двигать микрочастицы вдоль направления своего распространения. Этот эффект был открыт учеными С. Кавата и Т. Сугиура в 1992. Они показали, что поле может связывать частицы в тонком слое толщиной около 100 нанометров. Это прямое соединение поля рассматривается как туннелирование фотонов к частицам через промежуток между отражающим свет средой и оптической призмой. В результате возникает направлена ​​оптическая сила.

Недавняя версия лазерных щипцов на эванесцентные поле использует широкую оптическую поверхность позволяет одновременно направлять много частиц в желаемом направлении, не используя волновод. Эта методика названа безлинзовим оптическим содержанием (англ. Lensless optical trapping, LOT). Точно направленном движения частиц помогает линування Рончи (англ. Ronchi Ruling) или создание в стеклянной пластинке четких оптических потенциальных ям. Сейчас ученые также работают над фокусировкой эванесцентные полей.

Косвенный подход к лазерным щипцов

Е один вариант манипулирования микрочастицами с помощью света был разработан Минг Ву (Ming Wu), профессором радиотехники в Беркли. Его систена не использует световой импульс непосредственно. В отличие от этого в построенной им системе частицы, которыми нужно манипулировать, расположенные неподалеку от стеклянной пластинки, покрытой фотоэлектрической веществом. На эту пластинку подается небольшое напряжение с целью создания электростатического заряда на частицах. Фотоэлектрическая пластинка освещается светодиодами, мощность которых может модулироваться, проецируя на поверхность любое динамическое изображение. Под действием света фотоэлектрическая поверхность заряжается, начиная привлекать или отталкивать частицы. Процесс манипуляции выполняется домогою изменения электрического поля, включается с помощью спроектированного изображения.

Одно из применений этого метода — сортировка живых и мертвых клеток. Такая сортировка основывается на том, что что живые клетки наполнены электролитом, а мертвые — нет, потому живые и мертвые клетки могут быть легко разделены. Построена профессором Ву система позволяет манипулировать 10 тысячами клеток или частиц одновременно.

Оптическое связывание

Когда кисть микрочастиц сохранится монохроматическим лазерным пучком, расположение микрочастиц в пределах оптической ловушки зависит от перераспределения сил взаимодействия между частицами через приведены дипольные моменты. Можно сказать, что кластер микрочастиц и свет в его пределах связаны в одно целое. Первые свидетельства о существовании оптического связывания сообщались лабораторией Евгения Головченко в Гарвардском университете.

Измерение оптических сил

В настоящее время сила притяжения микрочастиц светом может быть измерена как на одно так и на двопучкових оптический пинцет (фотонный силовой микроскоп). Недавно начались работы по измерению оптических сил в голографических лазерных щипцах с целью достичь высокой точности эксперимента.

Основной принцип измерения оптической силы лазерных щипцов — передача импульса света, связанная с преломлением света на частицах. Изменение направления распространения света как в поперечном, так и в продольном направлениях обеспечивает силу, действующую на объект. Поэтому малейшая поперечная сила может быть измерена с отклонением пучка, прошедшего через частицу. Такое отклонение легко измеряется с помощью детектора осевой позиции. Самый такой детектор — квадрантный фотодиод — пластинка, разделена на четыре сектора, с пучком света сфокусированным в ее центре. Если микрочастица находится в центре светодиода, на сектора падает свет одинаковой мощности, но если на частицу действует сила, то мощности уже не равны между собой, а их разница пропорциональна этой силе.

Такой принцип может применяться с любыми лазерными щипцами. Наибольшей проблемой при таких измерениях является шум, вызванный броуновским движением. Однако, этим методом можно измерять силы порядка пиконьютона и смещение порядка нанометра.