Оптикалық қысқыштар және олардың қолданылуы

Оптикалық қысқыштар: лазер сәулесімен атом, нанобөлшектерді ұстау, жылжыту құралы. Оптикалық левитация, күштердің тепе-теңдігі туралы біліңіз.

20 мин оқу

100%

Дереккөз: Optical tweezers — Wikipedia

Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.

Мазмұны

Кіріспе

Ғылыми аспаптар

Оптикалық пинцет (алғашқыда бір сәулелі градиенттік күш тұзағы деп аталған) – бұл микроскоптық және субмикроскоптық нысандарды, мысалы атомдарды, нанобөлшектерді және тамшыларды, пинцет сияқты ұстап, жылжыту үшін жоғары шоғырланған лазерлік сәулені пайдаланатын ғылыми аспаптар. Егер нысан қосымша тіреусіз ауада немесе вакуумде ұсталса, онда бұл оптикалық левитация деп аталады. Лазерлік жарық бөлшектің және оны қоршаған ортаның салыстырмалы жарық сыну көрсеткішіне байланысты тартымды немесе итергіш күшті (әдетте пиконевтон шамасында) қамтамасыз етеді. Жарық күші гравитация күшіне тең келсе, левитация мүмкін болады. Тұтқынға түскен бөлшектердің мөлшері микрометрлік немесе одан да кішкентай болады. Диэлектрлік және жарық сіңіретін бөлшектерді де тұтқындауға болады. Оптикалық пинцеттер биология және медицинада (мысалы, бір бактерияны, сперматозоид немесе қан жасушасы сияқты жасушаны, немесе ДНҚ сияқты молекуланы ұстап тұру үшін), наноинженерия және нанохимияда (бір молекуладан материалдарды зерттеу және құру үшін), кванттық оптика және кванттық оптомеханикада (бір бөлшектің жарықпен өзара әрекеттесуін зерттеу үшін) қолданылады. Артур Эшкиннің оптикалық пинцеттің жасалуы 2018 жылғы физика саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды.

Тарих және дамуы

Микрондық бөлшектердегі оптикалық шашырау және градиенттік күштерді алғаш рет 1970 жылы Белл зертханасында жұмыс істеген ғалым Артур Эшкин хабарлады. Бірнеше жылдан кейін Эшкин және оның әріптестері қазір оптикалық қысқыш деп аталатын құбылысты алғаш рет байқағанын мәлімдеді: микроскопиялық бөлшектерді үш өлшемде тұрақты ұстай алатын жоғары шоғырланған жарық сәулесі. 2018 жылы Эшкин осы жетістігі үшін физика саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды. Осы маңызды 1986 жылғы мақаланың авторларының бірі Стивен Чу өз жұмысында бейтарап атомдарды салқындату және тұтқындау үшін оптикалық қысқышты пайдаланды. Бұл зерттеуі үшін Чу 1997 жылы Клод Коэн-Таннуджи және Уильям Д. Филлипспен бірге физика саласындағы Нобель сыйлығын алды. Стивен Чу сұхбатында Эшкин атомдарды тұтқындау әдісі ретінде оптикалық қысқышты алғаш рет қалай көздерімен елестегенін айтты. Эшкин үлкен бөлшектерді (диаметрі 10-10 000 нанометр) тұтқындауға қабілетті болды, бірақ осы техниканы бейтарап атомдарды (0,1 нанометр диаметр) тұтқындауға жетілдіру Чуға тиесілі болды, ол резонансты лазерлік жарық пен магниттік градиенттік тұзақты пайдаланды (қ. Магниттік-оптикалық тұзақ). 1980 жылдардың соңында Артур Эшкин мен Джозеф М. Дзиеджик осы технологияны биологиялық ғылымдарға алғаш рет қолданды, оны жеке темекі мозаика вирусын және Escherichia coli бактериясын тұтқындау үшін пайдаланды. 1990 жылдар бойы және одан кейін Карлос Бустаманте, Джеймс Спудич және Стивен Блок сияқты зерттеушілер молекулалық деңгейдегі биологиялық моторларды сипаттау үшін оптикалық қысқыш күш спектроскопиясын қолданудың негізін қалады. Бұл молекулалық моторлар биологияда кең таралған және жасуша ішіндегі қозғалыс пен механикалық әрекетке жауап береді. Оптикалық қысқыштар осы биофизиктерге наноөлшемді моторлардың күштерін және динамикасын жеке молекула деңгейінде байқауға мүмкіндік берді; содан бері оптикалық қысқыш күш спектроскопиясы осы күшті тудыратын молекулалардың стохастикалық сипатын жақсырақ түсінуге әкелді. Оптикалық қысқыштар биологияның басқа да салаларында өте пайдалы болды. Олар синтетикалық биологияда жасанды жасушалардың желілері сияқты тіндерді құру және биохимиялық реакцияларды бастау үшін синтетикалық мембраналарды біріктіру үшін қолданылады, сонымен қатар хромосомалардың құрылымы мен динамикасын зерттеуге пайдаланылады. 2003 жылы оптикалық қысқыш техникалары жасушаларды сұрыптау саласында қолданылды; үлгі аумағында үлкен оптикалық қарқындылық үлгісін жасау арқылы жасушаларды олардың ішкі оптикалық сипаттамалары бойынша сұрыптауға болады. Оптикалық қысқыштар цитоскелетті зерттеу, биополимерлердің вискоэластикалық қасиеттерін өлшеу және жасушалардың қозғалуын зерттеу үшін де қолданылған. 2011 жылы лигандпен қапталған нанобөлшектердің кластерлері оптикалық тұтқындалатын және мақсатты молекуланың шақыруымен кластерленгеннен кейін оптикалық түрде анықталатын биомолекулалық талдау ұсынылды және 2013 жылы тәжірибелік түрде көрсетілді. Оптикалық қысқыштар лазерлік салқындатылған атомдарды вакуумде тұтқындау үшін де қолданылады, негізінен кванттық ғылым саласында қолдану үшін. Бұл саланың кейбір жетістіктеріне 2001 жылы бір атомды тұтқындау, 2002 жылы атомдардың 2D массивтерін тұтқындау, 2010 жылы күшті өзара әрекеттесетін байланысқан жұптарды тұтқындау, 2016 жылы атомдардың дәл жиналған 2 өлшемді массивтерін және 2018 жылы 3 өлшемді массивтерді тұтқындау жатады. Бұл техникалар 2021 жылы 196 және 256 атомнан тұратын бағдарламаланатын массивтерді алу үшін кванттық симуляторларда қолданылды және кванттық есептеу үшін перспективалы платформаны құрайды. Зерттеушілер оптикалық қысқыштарды үлкен, күрделі құралдардан кіші, қарапайым құралдарға айналдыруға жұмыс істеп жатыр, оларды кішкентай зерттеу бюджеттері барлар қолдануы мүмкін.

The detection of optical scattering and the gradient forces on micron sized particles was first reported in 1970 by Arthur Ashkin, a scientist working at Bell Labs. Years later, Ashkin and colleagues reported the first observation of what is now commonly referred to as an optical tweezer: a tightly focused beam of light capable of holding microscopic particles stable in three dimensions. In 2018, Ashkin was awarded the Nobel Prize in Physics for this development. One author of this seminal 1986 paper, Steven Chu, would go on to use optical tweezing in his work on cooling and trapping neutral atoms. This research earned Chu the 1997 Nobel Prize in Physics along with Claude Cohen Tannoudji and William D. Phillips. In an interview, Steven Chu described how Ashkin had first envisioned optical tweezing as a method for trapping atoms. Ashkin was able to trap larger particles (10 to 10,000 nanometers in diameter) but it fell to Chu to extend these techniques to the trapping of neutral atoms (0.1 nanometers in diameter) using resonant laser light and a magnetic gradient trap (cf. Magneto optical trap). In the late 1980s, Arthur Ashkin and Joseph M. Dziedzic demonstrated the first application of the technology to the biological sciences, using it to trap an individual tobacco mosaic virus and Escherichia coli bacterium. Throughout the 1990s and afterwards, researchers like Carlos Bustamante, James Spudich, and Steven Block pioneered the use of optical trap force spectroscopy to characterize molecular scale biological motors. These molecular motors are ubiquitous in biology, and are responsible for locomotion and mechanical action within the cell. Optical traps allowed these biophysicists to observe the forces and dynamics of nanoscale motors at the single molecule level; optical trap force spectroscopy has since led to greater understanding of the stochastic nature of these force generating molecules. Optical tweezers have proven useful in other areas of biology as well. They are used in synthetic biology to construct tissue like networks of artificial cells, and to fuse synthetic membranes together to initiate biochemical reactions. and research on chromosome structure and dynamics. In 2003 the techniques of optical tweezers were applied in the field of cell sorting; by creating a large optical intensity pattern over the sample area, cells can be sorted by their intrinsic optical characteristics. Optical tweezers have also been used to probe the cytoskeleton, measure the visco elastic properties of biopolymers, and study cell motility. A bio molecular assay in which clusters of ligand coated nano particles are both optically trapped and optically detected after target molecule induced clustering was proposed in 2011 and experimentally demonstrated in 2013. Optical tweezers are also used to trap laser cooled atoms in vacuum, mainly for applications in quantum science. Some achievements in this area include trapping of a single atom in 2001, trapping of 2D arrays of atoms in 2002, trapping of strongly interacting entangled pairs in 2010, trapping precisely assembled 2 dimensional arrays of atoms in 2016 and 3 dimensional arrays in 2018. These techniques have been used in quantum simulators to obtain programmable arrays of 196 and 256 atoms in 2021 and represent a promising platform for quantum computing. Researchers have worked to convert optical tweezers from large, complex instruments to smaller, simpler ones, for use by those with smaller research budgets.

Жалпы сипаттама

Оптикалық пинцеттер нанометрлік және микрометрлік өлшемдегі диэлектрлік бөлшектерді, тіпті жеке атомдарды да жоғары шоғырланған лазер сәулесі арқылы өте шағын күштерді қолдану арқылы манипуляциялай алады. Сәуле әдетте микроскоп объективі арқылы шоғырландырылады. Шоғырланған сәуленің ең тар нүктесі – сәуле белдеуі – жанында осцилляциялық электр өрісінің амплитудасы кеңістікте жылдам өзгереді. Диэлектрлік бөлшектер градиент бойымен, сәуленің ортасындағы ең күшті электр өрісінің аймағына тартылады. Лазер сәулесі сәуленің таралу бағытында бөлшектерге күш түсіруге бейім. Бұл импульстің сақталуына байланысты: кішкентай диэлектрлік бөлшектен сіңірілген немесе шашыраған фотондар диэлектрлік бөлшекке импульс береді. Бұл шашырату күші деп аталады және бөлшектің сәуле белдеуінің нақты орнынан ағысқа қарай сәл ығысуына әкеледі, суретте көрсетілгендей. Оптикалық тұзақтар өте сезімтал құралдар болып табылады және субмикрондық диэлектрлік бөлшектердің субнанометрлік ығысуларын манипуляциялауға және анықтауға қабілетті. Осы себепті олар көбінесе молекулаға бекітілген будың көмегімен жеке молекулаларды манипуляциялау және зерттеу үшін қолданылады. ДНҚ және онымен өзара әрекеттесетін ақуыздар мен ферменттер осылайша зерттеледі. Квантитативті ғылыми өлшемдер үшін көптеген оптикалық тұзақтар диэлектрлік бөлшектер тұзақ ортасынан көп алысқа жылжынбау үшін жұмыс істейді. Бұл себебі, бөлшекке қолданылатын күш, оның тұзақтың ортасынан ығысуына пропорционалды, әсіресе ығысу шағын болғанда сызықтық болады. Осылайша, оптикалық тұзақты Гук заңына сәйкес келетін қарапайым серіппемен салыстыруға болады.

Толық көрінісі

Оптикалық тұтқындаудың дұрыс түсіндірілуі, тұтқындалған бөлшектің мөлшеріне және оны тұтқындау үшін қолданылатын жарықтың толқын ұзындығына байланысты. Егер бөлшектің өлшемдері толқын ұзындығынан әлдеқайда үлкен болса, қарапайым сәулелік оптикамен қарастыру жеткілікті. Жарықтың толқын ұзындығы бөлшектің өлшемдерінен едәуір артық болса, бөлшектерді электр өрісіндегі электр дипольдері ретінде қарастыруға болады. Тұтқындау сәулесінің толқын ұзындығына шамамен тең өлшемдері бар диэлектрлік нысандарды оптикалық тұтқындау үшін, дәл модельдер уақытқа тәуелді немесе уақыттық үйлесімді Максвелл теңдеулерін тиісті шекаралық шарттармен қарастыруды ғана қамтиды.

Электрлік диполдық шамалау

Тұтқынға алынған бөлшектің диаметрі жарықтың толқын ұзындығынан едәуір кіші болған жағдайда, Рейли шашырауының шарттары орындалады және бөлшекті біртекті емес электромагниттік өрісте нүктелік диполь ретінде қарастыруға болады. Электромагниттік өрістегі бір зарядқа қолданылатын күш Лоренц күші деп аталады. Дипольға әсер ететін күшті жоғарыдағы теңдеудегі электр өрісіне екі мүше енгізу арқылы есептеуге болады, әр заряд үшін біреуден. Диполдің поляризациясы екі заряд арасындағы қашықтыққа тең. Нүктелік диполь үшін қашықтық инфинитезимальды болады. Екі зарядтың қарама-қарсы таңбалы екенін ескере отырып, күштің жойылуын байқаңыз. Алынған зарядты көбейту арқылы , позицияны , поляризацияға , айналдырады. Екінші теңдікте диэлектрлік бөлшектің сызықтық екені (яғни ) деп есептеледі. Соңғы қадамдарда екі теңдік қолданылады: (1) векторлық талдау теңдігі, (2) Фарадейдің индукция заңы. Біріншіден, векторлық теңдік жоғарыдағы күш теңдеуінің бірінші мүшесі үшін енгізіледі. Максвелл теңдеуі векторлық теңдіктің екінші мүшесі ретінде қойылады. Содан кейін уақыт туындыларын қамтитын екі мүше бір мүшеге біріктіріледі. Соңғы теңдіктегі екінші мүше – Poynting векторымен көбейту тұрақтысы арқылы байланысты шаманың уақыт туындысы, ол бірлік аумақ арқылы өтетін қуатты сипаттайды. Лазердің қуаты лазер жарығының жиілігінен (~1014 Гц) әлдеқайда ұзақ жиіліктерде өлшенгенде тұрақты болғандықтан, бұл мүшенің туындысы нөлге тең болады және күшті былай жазуға болады: екінші бөлігінде сфералық диэлектрлік бөлшектің индукцияланған дипольдік моментін (MKS бірліктерінде) қостық: , мұнда бөлшектің радиусы, бөлшектің сындыру көрсеткіші және бөлшек пен орта арасындағы салыстырмалы сындыру көрсеткіші. Электр өрісінің шамасының квадраты – сәуленің қарқындылығының орналасу функциясы. Сондықтан, нәтиже көрсеткендей, диэлектрлік бөлшектің күшін нүктелік диполь ретінде қарағанда, сәуле қарқындылығының градиентіне пропорционалды. Басқаша айтқанда, мұнда сипатталған градиент күші бөлшекті ең жоғары қарқындылық аймағына тартуға бейім. Іс жүзінде, жарықтың шашырау күші тұзақтың осьтік бағытындағы градиент күшіне қарсы әрекет етеді, нәтижесінде тепе-теңдік жағдайы ең жоғары қарқындылық деңгейінен сәл төменгі ағысқа қарай жылжиды. Рейли жуықтауымен шашырау күшін де былай жазуға болады: шашырау изотропты болғандықтан, жалпы импульс алға қарай беріледі. Кванттық деңгейде градиент күшін бірдей фотондардың бір мезгілде пайда болуы және жойылуы ретінде қарастырамыз, ал шашырау (сәулелену) күшінде кіріс фотондар бір бағытта қозғалады және изотропты түрде шашырайды. Импульстің сақталуы бойынша бөлшек фотондардың бастапқы импульстарын жинақтауы керек, бұл соңғысында алға қарай күшті тудырады.

In cases where the diameter of a trapped particle is significantly smaller than the wavelength of light, the conditions for Rayleigh scattering are satisfied and the particle can be treated as a point dipole in an inhomogeneous electromagnetic field. The force applied on a single charge in an electromagnetic field is known as the Lorentz force,

The force on the dipole can be calculated by substituting two terms for the electric field in the equation above, one for each charge. The polarization of a dipole is where is the distance between the two charges. For a point dipole, the distance is infinitesimal, Taking into account that the two charges have opposite signs, the force takes the form

Notice that the cancel out. Multiplying through by the charge, , converts position, , into polarization, ,

where in the second equality, it has been assumed that the dielectric particle is linear (i. e. ). In the final steps, two equalities will be used: (1) a vector analysis equality, (2) Faraday's law of induction. First, the vector equality will be inserted for the first term in the force equation above. Maxwell's equation will be substituted in for the second term in the vector equality. Then the two terms which contain time derivatives can be combined into a single term. The second term in the last equality is the time derivative of a quantity that is related through a multiplicative constant to the Poynting vector, which describes the power per unit area passing through a surface. Since the power of the laser is constant when sampling over frequencies much longer than the frequency of the laser's light ~1014 Hz, the derivative of this term averages to zero and the force can be written as

where in the second part we have included the induced dipole moment (in MKS units) of a spherical dielectric particle: , where is the particle radius, is the index of refraction of the particle and is the relative refractive index between the particle and the medium. The square of the magnitude of the electric field is equal to the intensity of the beam as a function of position. Therefore, the result indicates that the force on the dielectric particle, when treated as a point dipole, is proportional to the gradient along the intensity of the beam. In other words, the gradient force described here tends to attract the particle to the region of highest intensity. In reality, the scattering force of the light works against the gradient force in the axial direction of the trap, resulting in an equilibrium position that is displaced slightly downstream of the intensity maximum. Under the Rayleigh approximation, we can also write the scattering force as

Since the scattering is isotropic, the net momentum is transferred in the forward direction. On the quantum level, we picture the gradient force as forward Rayleigh scattering in which identical photons are created and annihilated concurrently, while in the scattering (radiation) force the incident photons travel in the same direction and ‘scatter’ isotropically. By conservation of momentum, the particle must accumulate the photons' original momenta, causing a forward force in the latter.

Оптикалық левитация

Бөлшекті ауада көтеріп ұстау үшін, гравитацияның төмен қарайғы күші фотондардың импульсын беру арқылы туындайтын күштермен теңестірілуі керек. Әдетте, жеткілікті интенсивтілікке ие фокусталған лазер сәулесінің фотондық сәулелену қысымы гравитацияның төмен қарайғы күшіне қарсы әсер етеді, сонымен қатар бүйірлік (оң-солға) және тік бұзылыстарды болдырмай, кішкентай бөлшектерді ауада ұстап тұратын тұрақты оптикалық тұзақ құруға мүмкіндік береді. Осындай тәжірибелерде микрометрлік өлшемдегі (диаметрі бірнешеден 50 микрометрге дейін) мөлдір диэлектрик сфералар, мысалы, кварцтан жасалған шарлар, май немесе су тамшылары қолданылады. Лазер сәулеленуінің толқын ұзындығы аргон иондық лазер немесе реттелетін бояғыш лазер сияқты белгілі бір шамада тұрақты болуы мүмкін. Қажетті лазер қуаты 1 Ватт шамасында болып, бірнеше ондаған микрометрге дейін шоғырланған нүктеге бағытталады. Сфералық оптикалық қуыста морфологиялық тәуелділіктегі резонанстармен байланысты құбылыстар бірнеше зерттеу тобы тарапынан зерттелді. Жылтыраған нысан, мысалы, металл микросфера үшін тұрақты оптикалық левитацияға қол жеткізілмеді. Макроскопиялық нысанның оптикалық левитациясы теориялық тұрғыдан да мүмкін, және оны наноқұрылымдармен күшейтуге болады. Сәтті левитацияланған материалдарға қара шарап, алюминий оксиді, вольфрам және никель жатады.

Оптотермиялық пинцеттер

Соңғы екі онжылдықта оптикалық күштер термофоретикалық күштермен біріктіріліп, лазер қуатын төмендету арқылы фотонмен зақымдануды азайтуға мүмкіндік берді. Жарық сіңіретін элементтерді (бөлшектер немесе субстраттар) енгізу арқылы микродеңгейдегі температура градиенттері туындайды, нәтижесінде термофорез пайда болады. Көбінесе бөлшектер (жасушалар, бактериялар, ДНК/РНК сияқты биологиялық нысандарды қоса) салқынға қарай қозғалып, оптикалық қысқыштармен бөлшектерді итергіше түседі. Бұл шектеуді еңсеру үшін сәулені қалыптастыру және электролиттер мен тартқыш заттармен ерітіндіні өзгерту сияқты әртүрлі техникалар қолданылды. Лазерлік салқындату Ytterbium қосылған литий фториді кристалдары арқылы лазерлерді пайдаланып салқын нүктелер жасау арқылы жүзеге асырылды, бұл фотокөмектесуді азайту арқылы ұстауға қол жеткізді. Дәрі жеткізуге арналған оптотермальды қысқыштарды пайдаланып, үлгі температурасы да төмендетілді, бұл үлкен мөлшерде бөлшектерді таңдауға мүмкіндік берді.

Құрастыру

Ең негізгі оптикалық пинцет құрамына келесі компоненттер кіреді: лазер (әдетте Nd:YAG), сәуле кеңейткіш, сәулені үлгі жазықтығында басқаруға арналған оптикалық элементтер, микроскоп объективі мен конденсор, үлгі жазықтығында тұзақ құру үшін, сәуле ауытқуларын өлшеуге арналған позициялық детектор (мысалы, квадрант фотодиоды) және CCD камерасына қосылған микроскоптың жарықтандыру көзі. Биологиялық үлгілермен жұмыс істеу үшін Nd:YAG лазері (1064 нм толқын ұзындығы) жиі қолданылады. Бұл лазердің биологиялық үлгілердің (көбінесе судан тұратын) осы толқын ұзындығында сіңіру коэффициентінің төмен болуына байланысты. Биологиялық материалға зақым келтірмеу үшін сіңіруді төмен ұстау қажет, бұл кейде оптикалық әсер деп аталады. Оптикалық пинцеттің дизайнындағы ең маңызды фактор – объективтің таңдалуы. Тұрақты тұзақ үшін объективтің сандық апертурасына (NA) тәуелді градиент күші, шашырату күшінен артық болуы керек. Тиісті объективтердің NA көрсеткіші 1,2 мен 1,4 аралығында болуы тиіс. Басқа нұсқалар да бар, бірақ позицияны анықтаудың ең қарапайым әдісі – сынама камерасынан шығатын лазер сәулесін квадрант фотодиодына бағыттау. Сәуленің бүйірлік ауытқулары атомдық күш микроскопиясында (АФМ) қолданылатын әдіспен ұқсас өлшенеді. Лазерден шығатын сәулені объективтің апертурасын толтыру үшін кеңейту, дифракциялық шектеулі нүктеге қол жеткізуге мүмкіндік береді. Тұзақтың үлгіге қатысты бүйірлік жылжуын микроскоп слайдын жылжыту арқылы жасауға болады, бірақ көптеген пинцет құрылғыларында сәулені жылжытуға арналған қосымша оптикалық элементтер қарастырылған, бұл жылжудың қосымша дәрежесін қамтамасыз етеді. Бұл суретте «Beam Steering» деп белгіленген екі линзаның біріншісін жылжыту арқылы жүзеге асырылады. Мысалы, осы линзаны жақтық жазықтықта жылжыту, суретте көрсетілгенге қарағанда бүйірлік бұрылысқа ие сәулеге әкеледі. Сәулені басқарушы линзалар мен объектив арасындағы қашықтық дұрыс таңдалса, бұл объективке кірмес бұрын ұқсас бұрылысқа және үлгі жазықтығындағы сәйкес бүйірлік жылжуға сәйкес келеді. Сәуленің белдеуінің орны, яғни оптикалық тұзақтың фокусы, бастапқы линзаны осьтік бағытта жылжыту арқылы реттелуі мүмкін. Мұндай осьтік жылжу сәуленің сәл дивергенциясына немесе конвергенциясына әкеледі, нәтижесінде сынама камерасындағы сәуленің белдеуінің осьтік жылжуы болады. Үлгі жазықтығын визуализациялау әдетте дихроикалық айналарды пайдалана отырып, оптикалық жолға қарама-қарсы бағытта қосылған жеке жарық көзі арқылы жарықтандыру арқылы жүзеге асырылады. Бұл жарық CCD камерасына түседі және оны сыртқы мониторда қарауға немесе видео-тұтыну арқылы тұтқындалған бөлшектің орнын бақылауға болады.

The most basic optical tweezer setup will likely include the following components: a laser (usually Nd:YAG), a beam expander, some optics used to steer the beam location in the sample plane, a microscope objective and condenser to create the trap in the sample plane, a position detector (e. g. quadrant photodiode) to measure beam displacements and a microscope illumination source coupled to a CCD camera. An Nd:YAG laser (1064 nm wavelength) is a common choice of laser for working with biological specimens. This is because such specimens (being mostly water) have a low absorption coefficient at this wavelength. A low absorption is advisable so as to minimise damage to the biological material, sometimes referred to as opticution. Perhaps the most important consideration in optical tweezer design is the choice of the objective. A stable trap requires that the gradient force, which is dependent upon the numerical aperture (NA) of the objective, be greater than the scattering force. Suitable objectives typically have an NA between 1.2 and 1.4. While alternatives are available, perhaps the simplest method for position detection involves imaging the trapping laser exiting the sample chamber onto a quadrant photodiode. Lateral deflections of the beam are measured similarly to how it is done using atomic force microscopy (AFM). Expanding the beam emitted from the laser to fill the aperture of the objective will result in a tighter, diffraction limited spot. While lateral translation of the trap relative to the sample can be accomplished by translation of the microscope slide, most tweezer setups have additional optics designed to translate the beam to give an extra degree of translational freedom. This can be done by translating the first of the two lenses labelled as "Beam Steering" in the figure. For example, translation of that lens in the lateral plane will result in a laterally deflected beam from what is drawn in the figure. If the distance between the beam steering lenses and the objective is chosen properly, this will correspond to a similar deflection before entering the objective and a resulting lateral translation in the sample plane. The position of the beam waist, that is the focus of the optical trap, can be adjusted by an axial displacement of the initial lens. Such an axial displacement causes the beam to diverge or converge slightly, the result of which is an axially displaced position of the beam waist in the sample chamber. Visualization of the sample plane is usually accomplished through illumination via a separate light source coupled into the optical path in the opposite direction using dichroic mirrors. This light is incident on a CCD camera and can be viewed on an external monitor or used for tracking the trapped particle position via video tracking.

Лазерлік сәулелердің баламалы режімдері

Оптикалық пинцеттердің көпшілігі TEM00 гаусс сәулелерін қолданады. Алайда, бөлшектерді тұтқындау үшін басқа да сәуле түрлері қолданылған, оның ішінде жоғары ретті лазер сәулелері, яғни Гермит-Гаусс сәулелері (TEMxy), Лагер-Гаусс (LG) сәулелері (TEMpl) және Бессель сәулелері. Лагер-Гаусс сәулелеріне негізделген оптикалық пинцеттер, оптикалық түрде шағылысатын және жұтатын бөлшектерді тұтқындауға ерекше қабілетті. Лагер-Гаусс сәулелері сонымен қатар, бөлшектерді айналдыруға мүмкіндік беретін, жақсы анықталған орбиталық бұрыштық импульске ие. Бұл, сәулені сыртқы механикалық немесе электрлік басқарусыз жүзеге асырылады. Бессельдің нөлдік және жоғары ретті сәулелері де ерекше тұтқындау қабілетіне ие. Олар миллиметрлік қашықтықта орналасқан бірнеше бөлшектерді, тіпті кедергілердің айналасын да тұтқындап, айналдыра алады. Микромашиналар осы ерекше оптикалық сәулелердің арқасында, жарықтың спині мен орбиталық бұрыштық импульсіне байланысты ішкі айналу механизміне ие болғандықтан, қозғалтылуы мүмкін.

Көпплексті оптикалық пинцеттер

Әдетте, бір лазер бір немесе екі тұзақ құру үшін қолданылады. Көбінесе, екі тұзақ лазер сәулесін екі ортогональды поляризацияланған сәулеге бөлу арқылы жасалады. Екіден астам тұзақты оптикалық қыспалау операцияларын бір лазерлік сәулені бірнеше оптикалық қыспалау арасында уақыт бөлісу арқылы немесе сәулені дифракциялық түрде бірнеше тұзақтарға бөлу арқылы жүзеге асыруға болады. Акусто-оптикалық бұрыштар немесе галванометрмен басқарылатын айналар арқылы бір лазер сәулесін фокустық жазықтықтағы жүздеген оптикалық қыспалау арасында бөлісуге болады, немесе кеңейтілген бір өлшемді тұзаққа таратуға болады. Арнайы жасалған дифракциялық оптикалық элементтер бір кіріс сәулені кез келген үш өлшемді конфигурациядағы жүздеген үздіксіз жарықтандырылған тұзақтарға бөле алады. Тұзақ құратын голограмма әр тұзақтың режимдік құрылымын жеке-жеке анықтай алады, соның арқасында оптикалық вортикстер, оптикалық қыспалаулар және голографиялық сызық тұзақтар массивтерін жасауға болады, мысалы. Ғарыштық жарық модулятормен іске асырылғанда, мұндай голографиялық оптикалық тұзақтар үш өлшемдегі нысандарды жылжыта алады. Интенсивтілік пен фазаның тегіс болуы бақыланатын кез келген кеңістіктік профильге ие голографиялық оптикалық тұзақтардың жетілдірілген түрлері ғылымның көптеген салаларында, микроманипуляциядан бастап ультрасуық атомдарға дейін қолданылады. Сондай-ақ, кванттық компьютерлерді іске асыру үшін ультрасуық атомдарды пайдалануға болады.

Бір реттік оптикалық талшықтар

Стандартты оптикалық тұзақ оптикалық тұзақтаудың сол принципіне негізделген, бірақ Гаусс лазерлік сәулесі оптикалық талшық арқылы жеткізіледі. Егер оптикалық талшықтың бір ұшы линза тәрізді бетке келтірілсе, бір режимді стандартты талшықпен тасымалданатын дерлік Гаусс сәулесі талшықтың ұшынан белгілі бір қашықтықта шоғырланады. Мұндай құрылымның тиімді сандық апертурасы әдетте толық 3D оптикалық тұзақ құруға жеткіліксіз, тек 2D тұзаққа ғана мүмкіндік береді (объектілерді оптикалық тұзақтау және манипуляциялау тек, мысалы, олар бетке жанасқан кезде ғана мүмкін). Бір талшық негізіндегі, талшықтың ұшымен тікелей жанаспайтын тұтқындау нүктесі бар нағыз 3D оптикалық тұзақтау, стандартты емес сақина тәрізді өзекке ие талшықты орналастыру және толық ішкі шағылысу геометриясы арқылы жүзеге асырылды. Екінші жағынан, егер талшықтың ұштары келтірілмесе, талшықтан шығатын лазер сәулесі таралып кетеді, сондықтан тұрақты оптикалық тұзақты тек талшықтың екі қарама-қарсы ұшындағы градиенттік және шашырау күштерін теңестіру арқылы ғана жасауға болады. Градиенттік күш бөлшектерді көлденең бағытта тұтқындаса, осьтік оптикалық күш екі талшықтан шығатын екі қарама-қарсы сәуленің шашырауынан туындайды. Мұндай тұтқындалған бөлшектің тепе-теңдік z орны екі шашырау күшінің тең болатын жері. Бұл жұмысты А. Констебл және әріптестері бастады, Opt. Lett. 18, 1867 (1993), ал J. Guck және әріптестері, Phys. Rev. Lett. 84, 5451 (2000) осы техниканы микробөлшектерді созу үшін пайдаланды. Талшықтың екі ұшына берілетін қуатты реттеу арқылы, жасушалардың вискоэластикалық қасиеттерін өлшеуге қолданылатын «оптикалық созу» күшейеді, бұл әртүрлі жеке цитоскелеттік фенотиптерді ажыратуға жеткілікті сезімталдық береді, мысалы, адам эритроциттері мен егеуқұйрық фибробластарын. Жақында жасалған тест екі қарама-қарсы, фокуссыз лазер сәулесі арқылы қатерлі және қатерлі емес жасушаларды ажыратуда үлкен жетістікке жетті.

The standard fiber optical trap relies on the same principle as the optical trapping, but with the Gaussian laser beam delivered through an optical fiber. If one end of the optical fiber is molded into a lens like facet, the nearly gaussian beam carried by a single mode standard fiber will be focused at some distance from the fiber tip. The effective Numerical Aperture of such assembly is usually not enough to allow for a full 3D optical trap but only for a 2D trap (optical trapping and manipulation of objects will be possible only when, e. g., they are in contact with a surface ). A true 3D optical trapping based on a single fiber, with a trapping point which is not in nearly contact with the fiber tip, has been realized based on a not standard annular core fiber arrangement and a total internal reflection geometry. On the other hand, if the ends of the fiber are not moulded, the laser exiting the fiber will be diverging and thus a stable optical trap can only be realised by balancing the gradient and the scattering force from two opposing ends of the fiber. The gradient force will trap the particles in the transverse direction, while the axial optical force comes from the scattering force of the two counter propagating beams emerging from the two fibers. The equilibrium z position of such a trapped bead is where the two scattering forces equal each other. This work was pioneered by A. Constable et al., Opt. Lett. 18,1867 (1993), and followed by J. Guck et al., Phys. Rev. Lett. 84, 5451 (2000), who made use of this technique to stretch microparticles. By manipulating the input power into the two ends of the fiber, there will be an increase of an "optical stretching" that can be used to measure viscoelastic properties of cells, with sensitivity sufficient to distinguish between different individual cytoskeletal phenotypes. i. e. human erythrocytes and mouse fibroblasts. A recent test has seen great success in differentiating cancerous cells from non cancerous ones from the two opposed, non focused laser beams.

Көп реттік талшықты тұзақтар

Бұрынғы талшық негізіндегі лазерлік тұзақтардың нұсқалары тек бір режимді сәулелерді пайдаланған, бірақ М. Крейсинг және әріптестері жақында қысқа оптикалық талшықтағы басқа оптикалық режимдерді мұқият қозу арқылы күрделі емес тұзақ геометриясын жасауға болатынын көрсетті. Осы арқылы зерттеушілер микроскоп арқылы әртүрлі адам жасушаларын (жеке жасушалар мен топтарын) бағдарлай алды. "Оптикалық жасуша ротаторы" деп аталатын технологияның стандартты оптикалық пинцеттерге қарағандағы басты артықшылығы – тұтқындауды бейнелеу оптикасынан бөлу болып табылады. Бұл, оның модульдік дизайны және дивергентті лазерлік тұзақтардың биологиялық материалмен жоғары үйлесімділігі медициналық зерттеулер мен өмір ғылымдарында лазерлік тұзақтардың жаңа буынының зор мүмкіндіктерін көрсетеді. Соңғы кезде оптикалық жасуша ротаторы технологиясы адаптивті оптика негізінде жүзеге асырылды, бұл жұмыс істеу кезінде оптикалық тұзақты динамикалық түрде қайта құруға және оны үлгіге бейімдеуге мүмкіндік береді.

Ұяшықтарды сұрыптау

Ұяшықтарды сұрыптаудың ең көп таралған жүйелерінің бірі – флуоресценциялық бейнелеу арқылы ағын цитометриясын пайдалану. Бұл әдісте биологиялық жасушалардың суспензиясы, көмектес ағын кезінде әрбір жасушаның ерекше флуоресценттік қасиеттеріне сүйене отырып, екі немесе одан көп контейнерге сұрыпталады. Жасушаның "ұсталған" электр зарядын қолдану арқылы, жасушалар флуоресценция қарқындылығының өлшемдеріне сәйкес сұрыпталады. Сорталау процесі электростатикалық ауытқу жүйесімен жүзеге асырылады, ол жасушаларды зарядтарына қарай контейнерлерге бағыттайды. Оптикалық түрлендіру процесінде жасушалар оптикалық кеңістікке, яғни 2D немесе 3D оптикалық торларға ағызылады. Ешқандай қосымша электр заряды болмаған жағдайда, жасушалар өзіндік сыну индексінің қасиеттеріне сәйкес сұрыпталады және динамикалық сұрыптау үшін қайта конфигурациялануы мүмкін. Оптикалық тор дифракциялық оптика мен оптикалық элементтерді қолдану арқылы құрылады. К. Сяо және Д. Г. Гриер осы техниканың өлшем және сыну индексі бойынша мыңнан бір бөлік дәлдікпен колоидты сфераларды сұрыптауға қабілетті екенін көрсету үшін голографиялық бейнемикроскопияны қолданды. Сорталаудың негізгі механизмі – оптикалық тор нүктелерінің орналасуы. Жасушалар оптикалық тор арқылы ағып өткенде, бөлшектердің сүйреу күшінен туындайтын күштер, оптикалық тор нүктесінен (оптикалық пинцет физикасын қараңыз) келетін оптикалық градиент күшімен тікелей бәсекелеседі. Оптикалық тор нүктесінің орналасуын өзгерту арқылы, оптикалық күштердің басым және бұрылмаған болатын артық оптикалық жол пайда болады. Жасушалар ағынының көмегімен, нәтижелі күш сол артық оптикалық жол бойымен бағытталады. Осылайша, ағын жылдамдығы мен оптикалық градиент күші арасында байланыс бар. Екі күшті реттеу арқылы жақсы оптикалық сұрыптау тиімділігіне қол жеткізуге болады. Сорталау ортасындағы күштердің бәсекелесуі жоғары тиімді оптикалық сұрыптауға қол жеткізу үшін мұқият реттеуді қажет етеді. Бұл қажеттілік негізінен күштердің тепе-теңдігіне байланысты: сұйық ағынынан туындайтын сүйреу күші және интенсивтілік нүктелерінің орналасуынан туындайтын оптикалық градиент күші. Сент-Эндрюс университетінің ғалымдары Ұлыбританияның Инженерлік және физикалық ғылымдар кеңесінен (EPSRC) оптикалық сұрыптау машинасы жасау үшін айтарлықтай қаржыландыру алды. Бұл жаңа технология дәстүрлі флуоресценциялық белсенді жасушаларды сұрыптаумен бәсекелесе алады.

One of the more common cell sorting systems makes use of flow cytometry through fluorescence imaging. In this method, a suspension of biologic cells is sorted into two or more containers, based upon specific fluorescent characteristics of each cell during an assisted flow. By using an electrical charge that the cell is "trapped" in, the cells are then sorted based on the fluorescence intensity measurements. The sorting process is undertaken by an electrostatic deflection system that diverts cells into containers based upon their charge. In the optically actuated sorting process, the cells are flowed through into an optical landscape i. e. 2D or 3D optical lattices. Without any induced electrical charge, the cells would sort based on their intrinsic refractive index properties and can be re configurability for dynamic sorting. An optical lattice can be created using diffractive optics and optical elements. K. Xiao and D. G. Grier applied holographic video microscopy to demonstrate that this technique can sort colloidal spheres with part per thousand resolution for size and refractive index. The main mechanism for sorting is the arrangement of the optical lattice points. As the cell flow through the optical lattice, there are forces due to the particles drag force that is competing directly with the optical gradient force (See Physics of optical tweezers) from the optical lattice point. By shifting the arrangement of the optical lattice point, there is a preferred optical path where the optical forces are dominant and biased. With the aid of the flow of the cells, there is a resultant force that is directed along that preferred optical path. Hence, there is a relationship of the flow rate with the optical gradient force. By adjusting the two forces, one will be able to obtain a good optical sorting efficiency. Competition of the forces in the sorting environment need fine tuning to succeed in high efficient optical sorting. The need is mainly with regards to the balance of the forces; drag force due to fluid flow and optical gradient force due to arrangement of intensity spot. Scientists at the University of St. Andrews have received considerable funding from the UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) for an optical sorting machine. This new technology could rival the conventional fluorescence activated cell sorting.

Эвансцентті өрістер

Эвансцентті өріс – толық ішкі шағылысу кезінде "шығып" қалатын қалдық оптикалық өріс. Бұл жарық "шығуы" экспоненциалды түрде баяулайды. Эвансцентті өріс нанометрлік ажыратымдылықта бейнелеуде (микроскопияда) көптеген қолданыстар тапты; оптикалық микроманипуляция (оптикалық пинцет) зерттеулерде маңыздылығы артып келеді. Оптикалық пинцеттерде жарық оптикалық толқын жетек арқылы өтетін кезде үздіксіз эвансцентті өріс пайда болуы мүмкін (көптеген толық ішкі шағылысу). Соның салдарынан пайда болатын эвансцентті өріс бағытталған және микробөлшектерді таралу бағыты бойынша жылжытады. Бұл жұмысты алғаш 1992 жылы С. Кавата және Т. Сугиура бастады, олар өрісті 100 нанометрдей бөлшектерге қосуға болатынын көрсетті. Өрістің тікелей қосылуы призмадан микробөлшектерге дейінгі аралықта фотонның туннельдеуі ретінде қарастырылады. Нәтижесінде бағытталған оптикалық итеру күші пайда болады. Жақында жаңартылған эвансцентті өріс оптикалық пинцетінің нұсқасы кеңейтілген оптикалық ландшафт үлгілерін пайдаланып, толқын жетекшісін қолданбай, көптеген бөлшектерді бір мезгілде қалаулы бағытта бағыттауға мүмкіндік береді. Бұл "Линзасыз оптикалық тұзақтау" ("LOT") деп аталады. Бөлшектердің реттелген қозғалысына Ронши ережесінің енгізілуі көмектеседі, ол жақсы анықталған оптикалық потенциалдық шұңқырларды (толқын жетектерін алмастырып) жасайды. Бұл бөлшектерді эвансцентті өріс итереді, ал оларды сызықтық жарқын жолақтар тұтқындайды. Қазіргі уақытта ғалымдар фокусталған эвансцентті өрістерді зерттеумен де айналысуда. Соңғы зерттеулерде орта инфрақызыл лазердің эвансцентті өрісі молекулалық дірілдесу резонансы арқылы бөлшектерді сұрыптау үшін қолданылды. Орта инфрақызыл жарық материалдардың молекулалық құрылымын анықтау үшін қолданылады, себебі дірілдесу режимдері орта инфрақызыл аймақта орналасқан. Statsenko және авторлар тобы жасаған зерттеуде 9,3 мкм жиілікте Si-O-Si байланысының созылу режимін қоздыру арқылы молекулалық дірілдесу резонансы арқылы оптикалық күштің күшеюі сипатталды. Кремний диоксидінің микросфераларындағы Si-O-Si байланысының болуына байланысты, олар молекулалық дірілдесу резонансының нәтижесінде полистирол микросфераларына қарағанда он есе жылдам қозғалатыны дәлелденді. Сонымен қатар, осы топ молекулалық дірілдесу резонансына негізделген оптикалық күш хроматографиясының мүмкіндігін де зерттеді. Жақында ұсынылған тағы бір тәсіл беттік плазмондарды пайдаланады, ол металл/диэлектрик интерфейсінде орналасқан күшейтілген эвансцентті толқын. Беттік плазмондарға ұшыраған коллоидты бөлшектердің күшейтілген күш өрісі алғаш рет фотондық күш микроскопы арқылы өлшенді, жалпы күш шамасы қалыпты эвансцентті толқынға қарағанда 40 есе күштірек болды. Жер бетін алтынның микроскопиялық аралдарымен өрнектеу арқылы бұл аралдарда селективті және параллель тұзақтауға қол жеткізуге болады. Соңғы оптикалық пинцет күштері фемтоньютон диапазонында болады. Эвансцентті өріс сондай-ақ суық атомдар мен молекулаларды оптикалық толқын жетектерінің немесе оптикалық наноталшықтардың бетіне жақын тұтқындау үшін де қолданылуы мүмкін.

An evanescent field is a residue optical field that "leaks" during total internal reflection. This "leaking" of light fades off at an exponential rate. The evanescent field has found a number of applications in nanometer resolution imaging (microscopy); optical micromanipulation (optical tweezers) are becoming ever more relevant in research. In optical tweezers, a continuous evanescent field can be created when light is propagating through an optical waveguide (multiple total internal reflection). The resulting evanescent field has a directional sense and will propel microparticles along its propagating path. This work was first pioneered by S. Kawata and T. Sugiura, in 1992, who showed that the field can be coupled to the particles in proximity on the order of 100 nanometers. This direct coupling of the field is treated as a type of photon tunnelling across the gap from prism to microparticles. The result is a directional optical propelling force. A recent updated version of the evanescent field optical tweezers makes use of extended optical landscape patterns to simultaneously guide a large number of particles into a preferred direction without using a waveguide. It is termed as Lensless Optical Trapping ("LOT"). The orderly movement of the particles is aided by the introduction of Ronchi Ruling that creates well defined optical potential wells (replacing the waveguide). This means that particles are propelled by the evanescent field while being trapped by the linear bright fringes. At the moment, there are scientists working on focused evanescent fields as well. In recent studies, the evanescent field generated by mid infrared laser has been used to sort particles by molecular vibrational resonance selectively. Mid infrared light is commonly used to identify molecular structures of materials because the vibrational modes exist in the mid infrared region. A study by Statsenko et al. described optical force enhancement by molecular vibrational resonance by exciting the stretching mode of Si O Si bond at 9.3 μm. It is shown that silica microspheres containing significant Si O Si bond move up to ten times faster than polystyrene microspheres due to molecular vibrational resonance. Moreover, this same group also investigated the possibility of optical force chromatography based on molecular vibrational resonance. Another approach that has been recently proposed makes use of surface plasmons, which is an enhanced evanescent wave localized at a metal/dielectric interface. The enhanced force field experienced by colloidal particles exposed to surface plasmons
at a flat metal/dielectric interface has been for the first time measured using a photonic force microscope, the total force magnitude being found 40 times stronger compared to a normal evanescent wave. By patterning the surface with gold microscopic islands it is possible to have selective and parallel trapping in these islands. The forces of the latter optical tweezers lie in the femtonewton range. The evanescent field can also be used to trap cold atoms and molecules near the surface of an optical waveguide or optical nanofiber.

Тікелей емес тәсіл

Минг Ву, Беркли университетінің электр техникасы және компьютерлік ғылымдар профессоры, жаңа оптоэлектрондық пинцетті ойлап тапты. Ву фотожүйекті бет арқылы төмен қуатты жарықдиодтардан (LED) оптикалық энергияны электр энергиясына айналдырды. Бұл идеяның мақсаты – жарықдиодтың жіңішке проекциясы арқылы жарық өткізгіш материалды қосу-өшіруді қамтамасыз ету. Оптикалық бейне оптикалық проекция арқылы оңай өзгертілуге болатындықтан, бұл әдіс әртүрлі оптикалық ландшафттарды ауыстырудың жоғары икемділігіне мүмкіндік береді. Манипуляция/пинцеттеу процесі жарық бейнесімен тудырылған электр өрісінің өзгеруі арқылы жүзеге асырылады. Бөлшектер тудырылған электрлік диполының әсерінен іске қосылған нүктеге тартылуы немесе кері итерілуі мүмкін. Сұйықтағы суспензиядағы бөлшектер электр өрісі градиентіне сезімтал болады, бұл диэлектрофорез деп аталады. Бір айқын артықшылығы – әртүрлі жасушалардың электр өткізгіштігі әртүрлі. Тірі жасушалардың өткізгіш ортасы төмен, ал өлгендердің өткізгіш ортасы жоқ немесе өте аз. Жүйе бір уақытта шамамен 10 000 жасушаны немесе бөлшекті өңдей алады. Профессор Кишан Дхолакияның осы жаңа техникаға қатысты пікірлерін қараңыз, К. Дхолакия, Nature Materials 4, 579–580 (2005 жылдың 1 тамызы) News and Views. "Жүйе 10 микроваттан кем оптикалық қуатты пайдалана отырып, тірі E. coli бактерияларын және 20 микрометр ені бар бөлшектерді жылжыта алды. Бұл [тікелей] оптикалық пинцетке қажетті қуаттың жүз мыңнан бір бөлігі". Тағы бір жаңа типтегі оптикалық пинцет – Остин қаласындағы Техас университетінің профессоры Юэбин Чжэн ойлап тапқан оптотермиялық пинцет. Стратегия температура градиентін жасау үшін жарықты пайдалану және заттың термофоретикалық қозғалысын оптикалық тұтқындау үшін пайдалану болып табылады. Команда термофорезді лазерлік салқындатумен біріктіріп, жасушаларға зиян келтірмейтін оптикалық тұтқындау және манипуляциялау үшін опто-салқындатқыш пинцеттерді жасады.

Оптикалық байланысу

Микробөлшектердің кластері монохроматикалық лазер сәулесіне түскен кезде, кластер ішіндегі микробөлшектердің орналасуы микробөлшектер арасындағы оптикалық күштердің қайта бөлінуіне тікелей байланысты. Микробөлшектер кластеріне жарық күштерінің қайта таралуы кластердің жалпы күш тепе-теңдігін жаңартады. Сондықтан, микробөлшектер кластері жарық арқылы белгілі бір деңгейде байланысқан дей аламыз. Оптикалық байланыстың алғашқы эксперименталдық дәлелдерін Майкл М. Бернс, Жан Марк Фурнье және Джен А. Головченко көрсеткен, бірақ бұл құбылысты алғаш рет Т. Тирунамахандран болжаған. Оптикалық байланысқа қатысты жақында жүргізілген зерттеулердің бірі хиральды нанобөлшектер жүйесінде байланыс күштерінің мөлшері лазер сәулесінің поляризациясына және өзара әрекеттесетін бөлшектердің хиральдығына байланысты екенін көрсетті. Бұл энантиомерлік бөлу және оптикалық наноманипуляция сияқты салаларда қолданылуға мүмкіндік береді.

Флуоресценттік оптикалық пинцеттер

Флуоресценциялық қасиеттері бар үлгілерді бір уақытта манипуляциялау және бейнелеу үшін оптикалық пинцет флуоресценциялық микроскоппен бірге құрастырылуы мүмкін. Мұндай құралдар, әсіресе, флуоресценттік маркаланған биологиялық молекулалардың жеке немесе аз санын зерттеу кезінде, немесе флуоресценцияны тұтқындалатын объектілерді қадағалау және визуализациялау үшін қолданылатын жағдайларда өте пайдалы. Бұл тәсіл жоғары тиімді көп қадамды ферменттік тәсілмен жасалған ұзын және берік байланыстарды пайдалана отырып, динамикалық ақуыз кешендерін бір мезгілде сезіну және бейнелеу үшін кеңейтілді және іс-қимыл жасайтын дисагрегация машиналарын зерттеуге қолданылды.

Басқа бейнелеу техникасымен біріктірілген шыналар

"Стандартты" флуоресценттік оптикалық пинцеттерден басқа, қазір көп түсті Confocal, Widefield, STED, FRET, TIRF немесе IRM технологияларымен жабдықталған пинцеттер құрастырылуда. Бұл, мысалы, келесілерді өлшеуге мүмкіндік береді: белок/ДНҚ локализациясының байланысы, белоктың бүктелуі, конденсациялануы, моторлы белоктердің күшін тудыруы, цитоскелеттік жіпшелер мен мотор динамикасын көру, микротубула динамикасы, сұйық тамшыларды (реология) манипуляциялау немесе біріктіру. Мұндай құрылғыларды жасау қиын, және олар көбінесе өзара байланысты емес "академиялық" зертханаларда кездеседі. Соңғы жылдары, тіпті өздері құрастыратын (биофизиктер де, жалпы биологтар да) зертханалар да балама нұсқаға көшуде, оңай деректерді жинау және талдау мүмкіндігі бар толық байланысты шешімдерге қол жеткізуде.