Optikai csipeszek ( eng. optikai csipeszek ), néha "lézercsipeszek" vagy "optikai csapda " – olyan optikai eszköz, amely lehetővé teszi mikroszkopikus objektumok manipulálását lézerfénnyel ( amelyet általában lézerdióda bocsát ki). Lehetővé teszi a femtonewtontól a nanonewtonig terjedő erők kifejtését dielektromos tárgyakra, és néhány nanométertől mikronig terjedő távolságok mérhetők. Az utóbbi években optikai csipeszeket kezdenek használni a biofizikában a fehérjék szerkezetének és működésének tanulmányozására [1] .
2018-ban a fizikai Nobel-díjat "az optikai csipeszek feltalálásáért és biológiai rendszerekben való alkalmazásáért" Arthur Ashkinnek , az optikai csipeszek megalkotójának ítélték oda [2] .
A 17. században Johannes Kepler német csillagász a Naphoz közeledő üstökösfarok megfigyelései alapján azt javasolta, hogy a fény nyomást gyakorolhat az anyagra. Bár később kiderült, hogy nem ez volt az egyetlen mechanizmus ennek az eltérésnek, Kepler ötlete gyümölcsözőnek bizonyult a csillagászat fejlődése szempontjából. Például kimutatták, hogy a fény ( sugárzási nyomás ) az egyik legfontosabb mechanizmus, amely felelős a részecskék dinamikájáért a csillagközi térben.
Két évszázaddal Kepler felfedezései után James Maxwell az elektromágneses jelenségekre vonatkozó elmélete alapján kiszámította a fénynyomás értékét . Ezt a hatást 1910-ben kísérletileg mérte Pjotr Lebegyev orosz fizikus , aki kimutatta, hogy a fény nyomást gyakorol a testekre.
1970- ben Arthur Ashkin , a Bell Labs munkatársa publikálta a tudományos irodalomban a mikron méretű részecskékre ható fényszóródással és intenzitásgradiensekkel kapcsolatos erők leírását [3 ] .
Jóval később Ashkin és munkatársai beszámoltak az első megfigyeléséről, amit ma optikai csapdának neveznek, vagyis egy fókuszált fénysugárról, amely képes mikroszkopikus (10 nm -10 µm ) részecskéket három dimenzióban mozdulatlanul tartani [4] .
Hasonló elvet alkalmaznak a lézeres hűtéshez is , ez a módszer lehetővé tette az optikai csapdában lévő atomok hőmérsékletének a legalacsonyabb értékre hozását, amely más módon nem érhető el. A módszert Letokhov szovjet fizikus javasolta 1968-ban [5] , és ugyanez az Ashkin csoport 1978-ban alkalmazta [6] . A kutatómunkát Steven Chu ( korábban Ashkin munkatársa) folytatta, aki 1997 -ben Nobel-díjat kapott ezért a munkáért.
Az 1980-as években Steven Block és Howard Berg úttörő szerepet játszott az optikai csipesz technológiájában a biológiában , és a baktériumok megtartására használta fel a bakteriális flagellák tanulmányozása céljából . Már az 1990-es években olyan kutatók, mint Carlos Bustamante , James Spudich és Stephen Block alkalmazták az optikai erőspektroszkópia elvét a molekuláris léptékű biológiai motorok jellemzésére . Ezek a molekuláris motorok mindenütt jelen vannak a biológiában, és felelősek a sejtmozgásért , az alakváltozásért és a sejten belüli szállításért . Az optikai csapdák lehetővé tették ezeket [ tisztázza ] biofizikusok , hogy megfigyeljék a molekuláris motorok erőit és dinamikáját egyetlen molekula példáján. Az optikai erőspektroszkópia lehetővé tette ezen energiát átalakító molekulák sztochasztikus (véletlenszerű) természetének jobb megértését.[ pontosítás ]
Az optikai csipeszek a biológia más területein is hasznosnak bizonyultak . Például 2003-ban az optikai bezárási módszert alkalmazták a sejtválogatásra . A minta feletti nagy optikai intenzitás létrehozásával a cellák saját optikai jellemzőik szerint rendezhetők [7] [8] . Optikai csipeszeket is használnak a citoszkeletont alkotó fehérjék tanulmányozására [9] , a biopolimerek viszkozitásának és rugalmasságának mérésére , valamint a sejtmozgások tanulmányozására.
A kis dielektromos gömbként ábrázolt objektumok a gömbön indukált dipólusmomentum következtében kölcsönhatásba lépnek a fényhullám által keltett elektromos térrel . Ennek a dipólusnak az elektromágneses hullám elektromos terével való kölcsönhatása következtében a tárgy az elektromos tér gradiensén mozog . A gradiens erőn kívül a tárgyra olyan erő is hat, amelyet a fény nyomása ( visszaverődése ) okoz a felületéről. Ez az erő a gömböt a fénysugár irányába tolja. Ha azonban a fénysugár erősen fókuszált, az intenzitásgradiens nagysága nagyobb lehet, mint a fénynyomás nagysága [10] .
A részletesebb elemzés az Ashkin által javasolt két mechanizmuson alapul, a részecskemérettől függően. A fényszórás elméletéből ismert, hogy egy részecske fényszórásának mechanizmusa a részecskeméret és a fény hullámhosszának arányától függ. Ha a szóródó részecskék mérete sokkal kisebb, mint a fény hullámhossza , akkor Rayleigh-szórás megy végbe . Amikor a fényt a hullámhossznál nagyobb részecskék (por, füst, vízcseppek) szórják, ez Mie-szórás ( Gustav Mie német fizikus nyomán ). A mie szórás a felelős a felhők fehér és szürke színéért .
Ugyanezt az elképzelést követve Ashkin azt javasolta, hogy két különböző módszert lehetne használni az optikai mikromanipuláció matematikai elemzésére, nevezetesen a fizikai optikai megközelítést a Mie-részecskék esetében (amikor a részecske átmérője nagyobb , mint a fény hullámhossza d > λ) és az elektromos dipólus közelítése Rayleigh-részecskék ( d <λ).
Fizikai optikával történő elemzéskor elegendő a fénytörés és a mikrogömbről való visszaverődés folyamatának figyelembevétele az optikai csapdába való visszahúzódás elemzéséhez (lásd a jobb oldali ábrát).
A hatóerők legegyszerűbb számítása a fizikai optikai megközelítésen belül a geometriai optikán alapul . A sugár vizsgálata a fény impulzusának változását jelzi a visszaverődés és a fénytörés során. Így az impulzus változása ( a foton , mint részecske) Newton második törvénye szerint erőt hoz létre.
Egy egyszerű sugár- és erővektor diagram segítségével kimutatható, hogy a mikrogömbre két különböző optikai erő hat a beeső és a megtört fény tehetetlensége miatt. A diagramból látható, hogy a keletkező erő a gömböt a legnagyobb sugárintenzitású tartomány irányába tolja. Az ilyen erőt gradiens erőnek nevezzük .
Ashkin első kísérletében [3] milliwattos Gauss-sugarat használt egymódusú (TEM 00 ) argonlézer 514,5 nm hullámhosszával, w 0 = 6,2 μm átmérőjű foltra fókuszálva . E gerenda segítségével 0,51 átmérőjű latex gömböket mozgatott meg; 1,31 és 2,68 µm vízben és levegőben. A vízbe helyezett r = 1,31 μm sugarú és P = 19 mW lézerteljesítményű gömböknél a gömbök sebessége elérte a 26 μm/s-ot. És a képlet szerinti becslésből
ahol q a gömbről ténylegesen visszavert fény hányada (0,062), c a fénysebesség, η a folyadék dinamikus viszkozitása (víznél 1 mPa s), 29 μm / s-nak bizonyult. A részecskére ható megfelelő erő pedig a Stokes-törvényből adódik
és 730 fN.
Levegőben az 5 μm átmérőjű vízcseppek maximális sebessége 50 mW lézerteljesítmény mellett 0,25 cm/s [3] .
Ahhoz, hogy a vizsgált tárgy mozdulatlan legyen, kompenzálni kell a fénynyomás okozta erőt. Ez megtehető két ütköző fénysugárral, amelyek ellentétes irányba tolják a gömböt, vagy egy erősen fókuszált Gauss-sugárral (nagy numerikus apertúrával , NA > 1,0), hogy a fénynyomást nagy gradiens erővel kompenzálják .
Másrészt a Rayleigh módban a részecskék alakja nem korlátozott. Általában a legkisebb részecskéknek van szükségük a legkisebb vonzóerőre. A legtöbb esetben a redukált dipólusmodellt használják a lézercsipeszek működési mechanizmusának magyarázatára bármilyen részecskeforma esetén. Az elektromágneses sugárzás dipólusmomentumot vagy polarizációt indukál a dielektromos részecskében. Ennek a dipólusnak a fénnyel való kölcsönhatási ereje gradiens vonzási erőhöz vezet.
Stephen Block laboratóriumának optikai csapdájáról részletes információ érhető el a Stanford Egyetem honlapján [11] .
Azokban az esetekben, amikor a befogott részecske átmérője sokkal kisebb, mint a fény hullámhossza, a feltételek kielégítik a Rayleigh-szórási feltételt , és a részecske pontdipólusnak tekinthető egy inhomogén elektromágneses térben . Az elektromágneses térben lévő töltött részecskékre ható erőt Lorentz-erőnek nevezzük :
A dipólusra ható erőt az egyes töltésekre ható erők összegéből számítjuk ki :
A dipólusban lévő töltések közötti távolság kicsisége miatt lehetséges az elektromos mező kiterjesztése az első töltés közelében:
Vegye figyelembe, hogy csökken. A zárójeleket kiterjesztve és a töltés és a távolság szorzatát a dipólus polarizációjával helyettesítve kapjuk
ahol a második egyenlet feltételezi, hogy a részecske polarizációja az elektromos tér lineáris függvénye (azaz ).
Ha most a vektoranalízisből származó egyenletet használjuk
és az egyik Maxwell egyenlet ,
akkor kapunk
Az utolsó egyenlőség második tagja az érték időbeli deriváltja, amely állandó tényezőn keresztül kapcsolódik a Poynting-vektorhoz , amely az egységnyi területen áthaladó sugárzás erejét írja le. Feltéve, hogy a lézer teljesítménye nem függ az időtől, ennek a tagnak a deriváltja nulla, és az erőt a következőképpen írjuk fel: [12]
Az elektromos tér nagyságának négyzete egyenlő a sugár intenzitásával a koordináták függvényében. Ezért az eredmény azt jelzi, hogy a dielektromos részecskére ható erő a pontdipólus közelítésben arányos a nyaláb intenzitási gradiensével. Más szóval, az itt leírt erő ahhoz vezet, hogy a részecske a legnagyobb intenzitású régióhoz vonzódik. A valóságban a fényszórásból származó erő lineárisan függ a nyaláb intenzitásától, a részecske keresztmetszetétől és annak a közegnek a törésmutatójától , amelyben a csapda található (például víz), a gradiens erővel szemben. a csapda axiális iránya, ami azt eredményezi, hogy az egyensúlyi helyzet kissé lefelé tolódik el a maximális intenzitású pozíciótól.
Amióta A. Ashkin 1986-ban feltalálta az első, egyetlen Gauss-sugáron alapuló lézercsipeszt (alapvető lézermód TEM 00 ) [13] , az egymódusú lézersugarak koncepciója a magas rendű lézermódok használatával fejlődött . , azaz Hermite-Gauss gerendák (TEM nm ), Laguerre-Gauss gerendák (LG, TEM pl ) és Bessel gerendák ( J n ).
A Laguerre-Gauss-nyaláboknak az az egyedülálló tulajdonságuk, hogy optikailag visszaverő és elnyelő részecskéket vonnak be egy optikai csapdába. A körkörösen polarizált nyaláboknak forgó orbitális impulzusuk van , és el tudják forgatni a részecskéket. A Laguerre-Gauss-nyaláboknak is megvan a saját szögimpulzusa , amely képes a részecskéket a nyaláb közepe körül forgatni [14] [15] . Ez a hatás külső mechanikus vagy elektromos sugárszabályozás nélkül is megfigyelhető.
A Laguerre-Gauss-nyalábokon kívül a nulla és magasabb rendű Bessel-nyaláboknak is van keringési impulzusuk, valamint az az egyedülálló tulajdonságuk, hogy egyidejűleg sok részecskét tartanak egy bizonyos távolságban [16] .
Egy tipikus beállítás csak egy vagy két lézersugarat tartalmaz. Az összetettebb kísérletekhez sok csapda fut egyidejűleg. Ezt egyetlen lézerrel lehet elérni, amelynek fénye egy akusztikus-optikai modulátoron vagy elektronikusan vezérelt tükrökön halad át. Ezen eszközök segítségével a lézersugárzás időben több sugárnyalábra, diffrakciós optikai elemek segítségével térben több sugárnyalábra osztható [17] [18] [19] [20] .
Az ilyen típusú készülékekben a lézersugárzást egy optikai szálon keresztül táplálják be . Ha az optikai szál egyik vége a lencséhez hasonló tulajdonságokkal rendelkező felületet képez, ez lehetővé teszi a fény fókuszálását egy nagy numerikus apertúrájú optikai csapdában [21] .
Ha a szálvégek nem domborúak, akkor a lézerfény eltérül, így stabil optikai csapda csak az optikai csapda két oldalán lévő két szálvéggel, a gradiens erők és a fénynyomások kiegyensúlyozásával hozható létre. A gradiens erők keresztirányban tartják a részecskéket, míg az axiális optikai erő két, egymással szemben lévő fénysugár nyomásából keletkezik, amelyek két optikai szálból lépnek ki és terjednek tovább. A gömb egyensúlyi helyzete a z tengely mentén egy ilyen csapdában az a helyzet, ahol a fénynyomások egyenlőek egymással. Ilyen lézercsipeszeket először A. Constable [22] és J. Gyuk [23] alkotott meg , akik ezzel a technikával mikrorészecskéket nyújtottak. A szál mindkét végéről érkező bemeneti teljesítmény manipulálásával lehetséges a húzóerő szabályozása. Egy ilyen rendszer használható a sejtek viszkozitásának és rugalmasságának mérésére, megfelelő érzékenységgel a különböző citoszkeletonok , például az emberi eritrociták és az egér fibroblasztok megkülönböztetéséhez . A közelmúltban végzett tanulmányok nagy sikereket értek el a rákos sejtek normáltól való megkülönböztetésében [24] .
Az egyik legelterjedtebb sejtválogató rendszer a fluoreszcens áramlási citometriás módszert használja . Ennél a módszernél a biológiai sejtek szuszpenzióját több tartályba válogatják az áramban lévő egyes sejtek fluoreszcens jellemzői szerint. A válogatás folyamatát egy elektrosztatikus eltérítési rendszer vezérli, amely az alkalmazott elektromos tér feszültségének változtatásával egy meghatározott tartályhoz vezeti a cellát.
Az optikailag szabályozott válogatórendszerben a sejteket két- vagy háromdimenziós optikai rácsokon vezetik át. Indukált elektromos feszültség nélkül a sejteket fénytörési tulajdonságaik alapján rendezik. Kishan Dolakia vezette kutatócsoport kifejlesztett egy technikát diffraktív optika és más optikai elemek felhasználására ilyen optikai rácsok létrehozására [25] . Másrészt a Torontói Egyetem tudósainak egy csoportja egy térbeli fénymodulátor segítségével automatikus válogatórendszert épített [26] .
A fő rendezési mechanizmus az optikai rács csomópontjainak elhelyezkedése. Ahogy a sejtek áramlása áthalad az optikai rácsokon, a részecskék súrlódási erői közvetlenül versenyeznek az optikai rács szomszédos csomópontjából származó optikai gradiens erővel . A csomópontok helyének megváltoztatásával optikai útvonalat lehet létrehozni, amelyen a cellák mozogni fognak. De egy ilyen út csak bizonyos törésmutatójú cellák esetében lesz hatékony, amelyek hatékonyan eltérnek. A cella áramlási sebességének és fényteljesítményének beállításával jó optikai cellaválogatás érhető el.
A válogatórendszerben az erők versengését finomítani kell a magas optikai válogatási hatékonyság elérése érdekében. Jelenleg a St. Andrews Egyetemen egy nagy kutatócsoportot hoztak létre ennek a problémának a megoldására. Siker esetén ez a technológia helyettesítheti a hagyományos fluoreszcens sejtválogatást [27] .
A csillapított tér olyan elektromágneses tér , amely mélyen behatol egy anyagba, például teljes belső visszaverődéssel [28] [29] . A fényhullámban az elektromos tér exponenciálisan csökken . Az evanscent mező számos alkalmazást talált a nanométeres objektumok optikai mikroszkópiájában, az optikai mikromanipuláció (lézercsipesz) pedig egyre inkább az alkalmazási területe.
A lézeres csipeszekben folyamatos evanszcens mező hozható létre, amikor a fény egy optikai hullámvezetőn keresztül terjed (többszörös teljes belső visszaverődés). Az így létrejövő evaeszcens mező irányított impulzussal rendelkezik, és a mikrorészecskéket terjedési iránya mentén tudja mozgatni. Ezt a hatást S. Kawata és T. Sugiura tudósok fedezték fel 1992-ben [30] [31] . Megmutatták, hogy a mező képes megkötni az egymástól körülbelül 100 nm -re lévő részecskéket . Ezt a közvetlen térkötést a prizma és a mikrorészecskék közötti résen keresztül történő foton -alagútnak tekintik . Az eredmény egy irányított optikai teljesítmény.
Az evanscent terepi lézercsipeszek legújabb verziója nagy optikai rácsfelületet használ, amely lehetővé teszi számos részecske egyidejű megkötését és a kívánt irányba irányítását hullámvezető használata nélkül. Ezt a technikát „lensless optikai csapdának” ( angol lensless optic trapping , LOT) nevezik [32] . A precízen irányított részecskék mozgását Ronchi - szabályozás vagy tiszta optikai potenciál lyukak létrehozása segíti az üveglapon . Jelenleg a tudósok az eltűnő mezők fókuszálásán is dolgoznak.
A mikrorészecskék fénnyel történő manipulálására egy másik lehetőséget Ming Wu , a Kaliforniai Egyetem Rádiómérnöki és Számítástechnikai Tanszékének professzora fejlesztett ki . Rendszere nem használja közvetlenül a fényimpulzust. Ezzel szemben az általa épített rendszerben a manipulálandó részecskék egy fényvezető anyaggal bevont üveglap közelében helyezkednek el. Kis feszültséget kapcsolunk erre a lemezre, hogy elektrosztatikus töltést hozzunk létre a részecskéken. A fényvezető lemezt LED-ek világítják meg, amelyek teljesítménye modulálható, így bármilyen dinamikus kép kivetíthető a felületre. A fény hatására a fényvezető felület feltöltődik, ami elkezdi vonzani vagy taszítani a részecskéket. A manipulációs folyamat az elektromos tér megváltoztatásával történik, és a vetített kép teszi lehetővé [33] .
Ennek a módszernek az egyik alkalmazása az élő és elhalt sejtek szétválogatása. A válogatás azon alapul, hogy az élő sejtek elektrolittal vannak feltöltve , míg az elhalt sejtek nem, és könnyen szétválaszthatók. Ez a rendszer 10 000 sejt vagy részecske egyidejű manipulálását teszi lehetővé [34] .
Ha több mikrorészecskét támaszt meg egy monokromatikus lézersugár, a mikrorészecskék elhelyezkedése az optikai csapdában az optikai erők részecskék közötti újraeloszlásától függ. Azt mondhatjuk, hogy a mikrorészecskék halmaza kötődik össze a fénnyel. Az optikai csatolással kapcsolatos első kísérleteket Jevgenyij Golovcsenko laboratóriumában végezték a Harvard Egyetemen [35] .
Jelenleg a vonzási erő egy- és kétsugaras lézercsipesszel is mérhető ( fotonerőmikroszkóp ) [36] [37] . A közelmúltban megkezdődött a munka a holografikus lézercsipeszek optikai teljesítményének mérésén, hogy nagy pontosságot érjenek el az egyes atomok pozícionáló csapdáiban [38] [39] [40] .
A lézercsipeszek optikai teljesítményének mérésének alapelve a részecskékre való fénytöréshez kapcsolódó fényimpulzus átvitele. A fény terjedésének irányának megváltoztatása mind keresztirányban, mind hosszirányban olyan erőt biztosít, amely a tárgyra hat. Ezért a legkisebb keresztirányú erő a részecskén áthaladó nyaláb elhajlásával mérhető. Az ilyen eltérés könnyen mérhető egy axiális helyzetérzékelővel, amelynek legegyszerűbbje egy kvadráns fotodióda : egy négy szektorra osztott lemez, amelynek középpontjában egy fénysugár van fókuszálva. Egy részecske középpontjában egyenlő erősségű fény esik a szektorokra, de ha erő hat a részecskére, a teljesítmények már nem lesznek egyenlők, és különbségük ezzel az erővel arányos.
Ez az elv bármely lézercsipesszel alkalmazható. Az ilyen mérésekkel a legnagyobb probléma a Brown-mozgás (zaj) lesz. Általában azonban pikonewton nagyságrendű erők és nanométeres nagyságrendű eltolódások mérhetők [41] .