Оптический пинцет: захват и манипуляции на микро- и наноуровне

Оптические пинцеты: удержание и перемещение микроскопических объектов лазером. Левитация, сила притяжения/отталкивания, применение в науке.

22 мин чтения

100%

Источник: Optical tweezers — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Научные инструменты

Оптические пинцеты (первоначально называемые ловушкой градиента силы одиночного луча) – это научные инструменты, использующие высокосфокусированный лазерный луч для удержания и перемещения микроскопических и субмикроскопических объектов, таких как атомы, наночастицы и капли, подобно пинцетам. Если объект удерживается в воздухе или вакууме без дополнительной поддержки, это называется оптической левитацией. Лазерный свет создает притягивающую или отталкивающую силу (обычно порядка пиконьютонов), зависящую от относительного показателя преломления частицы и окружающей среды. Левитация возможна, если сила света компенсирует силу гравитации. Удерживаемые частицы обычно имеют размер в микроны или меньше. Можно удерживать как диэлектрические, так и поглощающие частицы. Оптические пинцеты применяются в биологии и медицине (например, для захвата и удержания отдельной бактерии, клетки, такой как сперматозоид или клетка крови, или молекулы, например ДНК), наноинженерии и нанохимии (для изучения и создания материалов из отдельных молекул), квантовой оптике и квантовой оптикомеханике (для изучения взаимодействия отдельных частиц со светом). Разработка оптических пинцетов Артуром Эшкином была удостоена Нобелевской премии по физике в 2018 году.

История и развитие

Об обнаружении оптического рассеяния и градиентных сил на микрочастицах впервые сообщил в 1970 году Артур Эшкин, ученый, работавший в Bell Labs. Годы спустя Эшкин и его коллеги сообщили о первом наблюдении того, что теперь обычно называют оптическим пинцетом: плотно сфокусированный луч света, способный удерживать микроскопические частицы стабильными в трех измерениях. В 2018 году Эшкин был удостоен Нобелевской премии по физике за это развитие. Один из авторов этой основополагающей статьи 1986 года, Стивен Чу, продолжил использовать оптический пинцет в своей работе по охлаждению и захвату нейтральных атомов. Это исследование принесло Чу Нобелевскую премию по физике 1997 года вместе с Клодом Коэном-Таннуджи и Уильямом Д. Филлипсом. В интервью Стивен Чу описал, как Эшкин впервые представил оптический пинцет как метод захвата атомов. Эшкин смог захватывать более крупные частицы (диаметром от 10 до 10 000 нанометров), но Чу удалось расширить эти методы до захвата нейтральных атомов (0,1 нанометра в диаметре) с использованием резонансного лазерного света и магнитной градиентной ловушки (см. Магнитооптическая ловушка). В конце 1980-х годов Артур Эшкин и Джозеф М. Дзидзич продемонстрировали первое применение технологии в биологических науках, используя ее для захвата отдельного вируса табачной мозаики и бактерии Escherichia coli. В 1990-х годах и позже исследователи, такие как Карлос Бустаманте, Джеймс Спудич и Стивен Блок, стали пионерами в использовании оптической силовой спектроскопии для характеристики биологических двигателей молекулярного масштаба. Эти молекулярные двигатели повсеместно встречаются в биологии и отвечают за передвижение и механические действия внутри клетки. Оптические ловушки позволили этим биофизикам наблюдать силы и динамику наномасштабных двигателей на уровне отдельных молекул; оптическая силовая спектроскопия с тех пор привела к большему пониманию стохастической природы этих молекул, генерирующих силу. Оптические пинцеты оказались полезными и в других областях биологии. Они используются в синтетической биологии для создания тканей, подобных сетям искусственных клеток, и для слияния синтетических мембран вместе для инициирования биохимических реакций, а также в исследованиях структуры и динамики хромосом. В 2003 году методы оптического пинцета были применены в области сортировки клеток; путем создания большого узора оптической интенсивности на площади образца клетки могут быть отсортированы по их внутренним оптическим характеристикам. Оптические пинцеты также использовались для исследования цитоскелета, измерения вязко-эластичных свойств биополимеров и изучения подвижности клеток. Биомолекулярный анализ, в котором кластеры наночастиц, покрытых лигандом, как оптически захватываются, так и оптически обнаруживаются после кластеризации, индуцированной молекулой-мишенью, был предложен в 2011 году и экспериментально продемонстрирован в 2013 году. Оптические пинцеты также используются для захвата лазерно охлажденных атомов в вакууме, в основном для применения в квантовой науке. Некоторые достижения в этой области включают захват одного атома в 2001 году, захват 2D массивов атомов в 2002 году, захват сильно взаимодействующих запутанных пар в 2010 году, захват точно собранных 2-мерных массивов атомов в 2016 году и 3-мерных массивов в 2018 году. Эти методы использовались в квантовых симуляторах для получения программируемых массивов из 196 и 256 атомов в 2021 году и представляют собой перспективную платформу для квантовых вычислений. Исследователи работали над преобразованием оптических пинцетов из больших, сложных инструментов в более мелкие, более простые, для использования теми, у кого ограниченные исследовательские бюджеты.

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.

Общее описание

Оптические пинцеты способны манипулировать диэлектрическими частицами размером от нанометров до микрон и даже отдельными атомами, оказывая чрезвычайно малые силы посредством высокосфокусированного лазерного луча. Луч обычно фокусируется, пропуская его через объектив микроскопа. Вблизи самой узкой точки сфокусированного луча, известной как талия луча, амплитуда колеблющегося электрического поля быстро изменяется в пространстве. Диэлектрические частицы притягиваются вдоль градиента к области с наиболее сильным электрическим полем, которая находится в центре луча. Лазерный свет также стремится оказывать силу на частицы в луче вдоль направления распространения луча. Это обусловлено законом сохранения импульса: фотоны, поглощаемые или рассеиваемые крошечной диэлектрической частицей, передают ей импульс. Это явление известно как сила рассеяния и приводит к небольшому смещению частицы по направлению потока от точного положения талии луча, как показано на рисунке. Оптические ловушки – это высокочувствительные инструменты, способные манипулировать и обнаруживать смещения менее нанометра для диэлектрических частиц размером менее микрона. По этой причине они часто используются для манипулирования и изучения отдельных молекул посредством взаимодействия с бусинкой, прикрепленной к этой молекуле. ДНК, а также белки и ферменты, взаимодействующие с ней, обычно изучаются таким образом. Для количественных научных измерений большинство оптических ловушек работают таким образом, что диэлектрическая частица редко отклоняется далеко от центра ловушки. Это связано с тем, что сила, действующая на частицу, линейно зависит от ее смещения от центра ловушки, при условии, что смещение невелико. Таким образом, оптическую ловушку можно сравнить с простой пружиной, подчиняющейся закону Гука.

Детальный вид

Правильное объяснение поведения оптической ловушки зависит от размера захваченной частицы по отношению к длине волны света, используемого для её захвата. В случаях, когда размеры частицы значительно превышают длину волны, достаточно простого рассмотрения с использованием геометрической оптики. Если длина волны света во много раз больше размеров частицы, частицы можно рассматривать как электрические диполи в электрическом поле. Для оптического захвата диэлектрических объектов, размеры которых сопоставимы с длиной волны захватывающего луча, точные модели требуют решения уравнений Максвелла, зависящих от времени или являющихся временными гармониками, с использованием соответствующих граничных условий.

Электрический диполь приближения

В случаях, когда диаметр захваченной частицы значительно меньше длины волны света, выполняются условия для рэлеевского рассеяния, и частицу можно рассматривать как точечный диполь в неоднородном электромагнитном поле. Сила, действующая на единичный заряд в электромагнитном поле, известна как сила Лоренца. Силу, действующую на диполь, можно вычислить, подставив два члена для электрического поля в приведенное выше уравнение, по одному для каждого заряда. Поляризация диполя определяется как расстояние между двумя зарядами. Для точечного диполя это расстояние бесконечно мало, и, учитывая, что два заряда имеют противоположные знаки, сила принимает вид, где члены сокращаются. Умножение на заряд , преобразует координату , в поляризацию, , где во втором равенстве предполагается линейность диэлектрической частицы (т.е. ). На заключительных этапах будут использованы два равенства: (1) равенство векторного анализа, (2) закон электромагнитной индукции Фарадея. Сначала равенство векторного анализа будет подставлено в первый член уравнения силы, приведенного выше. Уравнение Максвелла будет подставлено во второй член этого равенства. Затем два члена, содержащие производные по времени, можно объединить в один. Второй член в последнем равенстве представляет собой производную по времени величины, связанной через постоянный множитель с вектором Пойнтинга, который описывает мощность на единицу площади, проходящую через поверхность. Поскольку мощность лазера постоянна при усреднении по частотам, значительно превышающим частоту света лазера (~10<sup>14</sup> Гц), производная этого члена в среднем равна нулю, и силу можно записать как, где во второй части учтен индуцированный дипольный момент (в системе СИ) сферической диэлектрической частицы: , где – радиус частицы, – показатель преломления частицы, а – относительный показатель преломления между частицей и средой. Квадрат модуля электрического поля равен интенсивности луча как функции положения. Следовательно, результат показывает, что сила, действующая на диэлектрическую частицу, рассматриваемую как точечный диполь, пропорциональна градиенту интенсивности луча. Иными словами, описанная здесь сила градиента стремится притянуть частицу в область с наибольшей интенсивностью. В реальности сила рассеяния света противодействует силе градиента в осевом направлении ловушки, что приводит к небольшому смещению положения равновесия вниз по потоку от максимума интенсивности. В рамках рэлеевского приближения силу рассеяния также можно записать как. Поскольку рассеяние изотропно, чистый импульс передается в прямом направлении. На квантовом уровне силу градиента можно представить как рэлеевское рассеяние в прямом направлении, при котором идентичные фотоны одновременно создаются и аннигилируются, в то время как в силе рассеяния (излучения) падающие фотоны движутся в одном направлении и "рассеиваются" изотропно. В соответствии с законом сохранения импульса частица должна накапливать исходные импульсы фотонов, что вызывает силу в последнем случае.

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.

Оптическая левитация

Для того, чтобы частица левитировала в воздухе, силе тяжести, направленной вниз, должны противостоять силы, возникающие в результате передачи импульса фотонами. Обычно давление фотонного излучения сфокусированного лазерного луча достаточной интенсивности компенсирует силу тяжести, направленную вниз, и одновременно предотвращает боковую и вертикальную нестабильность, обеспечивая стабильную оптическую ловушку, способную удерживать мелкие частицы во взвешенном состоянии. В этом типе экспериментов используются прозрачные диэлектрические сферы микрометрового размера (от нескольких до 50 микрометров в диаметре), такие как сферы из кварцевого стекла, капли масла или воды. Длина волны лазерного излучения может быть фиксированной, например, как у аргон-ионного лазера, или перестраиваемой, как у лазера на красителях. Необходимая мощность лазера составляет порядка 1 Вт, сфокусированная в пятно размером в несколько десятков микрометров. Феномены, связанные с резонансами, зависящими от формы, в сферической оптической полости, изучались несколькими исследовательскими группами. Стабильная оптическая левитация не была достигнута для блестящих объектов, таких как металлические микросферы. Оптическая левитация макроскопического объекта также теоретически возможна и может быть усилена с помощью наноструктурирования. Среди материалов, которые успешно левитировали, – чёрный щёлок, оксид алюминия, вольфрам и никель.

Пинцеты оптические

В последние два десятилетия оптические силы комбинируются с термофоретическими силами для обеспечения захвата при уменьшенной мощности лазера, что позволяет минимизировать фотоповреждение. Введение светопоглощающих элементов (как частиц, так и подложек) создает микроскопические температурные градиенты, вызывая термофорез. Обычно частицы (включая биологические объекты, такие как клетки, бактерии, ДНК/РНК) дрейфуют в сторону холода, что приводит к отталкиванию частиц оптическим пинцетом. Для преодоления этого ограничения успешно применялись различные методы, такие как формирование пучка и модификация раствора электролитами и поверхностно-активными веществами. Лазерное охлаждение также достигалось с использованием кристаллов фторида лития иттрия, легированных иттербием, для создания холодных зон с помощью лазеров, что позволило осуществлять захват с уменьшенным фотовыцветанием. Снижение температуры образца также позволило добиться оптического захвата для значительно большего числа частиц при использовании оптотермальных пинцетов в приложениях доставки лекарств.

Настройки

Наиболее простая установка оптического пинцета, вероятно, будет включать следующие компоненты: лазер (обычно Nd:YAG), расширитель пучка, оптические элементы для управления положением пучка в плоскости образца, объектив микроскопа и конденсор для создания ловушки в плоскости образца, детектор положения (например, квадрантный фотодиод) для измерения смещений пучка и источник освещения микроскопа, соединенный с ПЗС-камерой (CCD). Лазер Nd:YAG (длина волны 1064 нм) является распространенным выбором для работы с биологическими образцами, поскольку такие образцы (состоящие в основном из воды) имеют низкий коэффициент поглощения на этой длине волны. Низкое поглощение желательно для минимизации повреждения биологического материала, иногда называемого оптикуцией. Вероятно, наиболее важным фактором при проектировании оптического пинцета является выбор объектива. Для стабильной ловушки градиентная сила, зависящая от числовой апертуры (NA) объектива, должна превышать силу рассеяния. Подходящие объективы обычно имеют NA в диапазоне от 1,2 до 1,4. Хотя существуют альтернативные методы, наиболее простой способ определения положения, пожалуй, заключается в формировании изображения лазера-ловушки, выходящего из камеры образцов, на квадрантном фотодиоде. Боковые отклонения пучка измеряются аналогично тому, как это делается в атомно-силовой микроскопии (AFM). Расширение пучка, испускаемого лазером, для заполнения апертуры объектива приведет к формированию более узкого, дифракционно-ограниченного пятна. В то время как боковое смещение ловушки относительно образца можно осуществить путем перемещения предметного стекла, большинство установок оптического пинцета имеют дополнительную оптику, предназначенную для смещения пучка, обеспечивая дополнительную степень свободы перемещения. Это можно сделать, смещая первую из двух линз, обозначенных как "управление лучом" на рисунке. Например, смещение этой линзы в боковой плоскости приведет к отклонению пучка относительно того, что показано на рисунке. При правильном выборе расстояния между линзами управления лучом и объективом это будет соответствовать аналогичному отклонению перед входом в объектив и, как следствие, боковому смещению в плоскости образца. Положение талии пучка, то есть фокуса оптической ловушки, можно отрегулировать, осевым смещением начальной линзы. Такое осевое смещение вызывает небольшое расхождение или схождение пучка, что приводит к осевому смещению положения талии пучка в камере для отбора проб. Визуализация плоскости образца обычно осуществляется путем освещения через отдельный источник света, соединенный с оптическим путем в противоположном направлении с помощью дихроических зеркал. Этот свет падает на ПЗС-камеру (CCD) и может быть просмотрен на внешнем мониторе или использован для отслеживания положения захваченной частицы с помощью видеоотслеживания.

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.

Альтернативные режимы лазерного луча

Большинство оптических пинцетов используют обычные гауссовы лучи TEM00. Однако для захвата частиц применялись и другие типы лучей, включая лазерные лучи высшего порядка, такие как лучи Эрмита-Гаусса (TEMxy), лучи Лагерра-Гаусса (LG) (TEMpl) и лучи Бесселя. Оптические пинцеты, основанные на лучах Лагерра-Гаусса, обладают уникальной способностью захватывать как оптически отражающие, так и поглощающие частицы. Лучи Лагерра-Гаусса также характеризуются чётко определённым орбитальным угловым моментом, который способен вращать частицы. Это достигается без внешнего механического или электрического отклонения луча. Лучи Бесселя нулевого и высших порядков также обладают уникальными возможностями захвата. Они могут захватывать и вращать множество частиц, находящихся на расстоянии в миллиметры друг от друга и даже вокруг препятствий. Микромашины могут приводиться в движение этими уникальными оптическими лучами благодаря их внутреннему вращающему механизму, обусловленному спином и орбитальным угловым моментом света.

Пинцеты оптические с мультиплексом

Обычно используется один лазер для создания одной или двух оптических ловушек. Чаще всего две ловушки создаются путем разделения лазерного луча на два ортогонально поляризованных луча. Операции с оптическими ловушками, использующими более двух ловушек, могут быть реализованы либо путем временного распределения одного лазерного луча между несколькими оптическими ловушками, либо путем дифракционного разделения луча на множество ловушек. С помощью акустооптических дефлекторов или зеркал, управляемых гальванометрами, один лазерный луч может быть разделен между сотнями оптических ловушек в фокальной плоскости или преобразован в протяженную одномерную ловушку. Специально разработанные дифракционные оптические элементы способны разделить один входной луч на сотни непрерывно освещенных ловушек в произвольных трехмерных конфигурациях. Голограмма, формирующая ловушку, также может задавать модовую структуру каждой ловушки индивидуально, тем самым создавая массивы оптических вихрей, оптических пинцетов и голографических линейных ловушек, например. При реализации с использованием пространственного модулятора света такие голографические оптические ловушки также могут перемещать объекты в трех измерениях. Продвинутые формы голографических оптических ловушек с произвольными пространственными профилями, где контролируется гладкость интенсивности и фазы, находят применение во многих областях науки, от микроманипуляции до работы с ультрахолодными атомами. Ультрахолодные атомы также могут быть использованы для создания квантовых компьютеров.

Однорежимные оптические волокна

Стандартная волоконно-оптическая ловушка основана на том же принципе, что и оптическая ловушка, но с гауссовым лазерным лучом, доставляемым через оптическое волокно. Если один конец оптического волокна сформирован в линзообразную фаску, почти гауссов луч, переносимый одномодовым стандартным волокном, будет сфокусирован на некотором расстоянии от конца волокна. Эффективная числовая апертура такой конфигурации обычно недостаточна для создания полноценной 3D оптической ловушки, а лишь для 2D ловушки (оптическое захватывание и манипулирование объектами будет возможно только при их контакте с поверхностью, например). Реальная 3D оптическая ловушка, основанная на одном волокне, с точкой захвата, не находящейся в непосредственной близости от конца волокна, была реализована с использованием нестандартной кольцевой сердцевинной структуры волокна и геометрии полного внутреннего отражения. С другой стороны, если концы волокна не сформированы, лазерный луч, выходящий из волокна, будет расходиться, и стабильная оптическая ловушка может быть реализована только путем балансировки градиентной силы и силы рассеяния с двух противоположных концов волокна. Градиентная сила будет удерживать частицы в поперечном направлении, а осевая оптическая сила возникает за счет силы рассеяния двух встречных лучей, выходящих из волокна. Равновесное z-положение захваченной частицы соответствует точке, где две силы рассеяния равны друг другу. Пионерские работы в этой области были проведены A. Constable и др., Opt. Lett. 18, 1867 (1993), а затем J. Guck и др., Phys. Rev. Lett. 84, 5451 (2000), которые использовали эту технику для растяжения микрочастиц. Манипулируя входной мощностью в два конца волокна, можно добиться увеличения "оптического растяжения", которое можно использовать для измерения вискоэластических свойств клеток с чувствительностью, достаточной для различения различных индивидуальных цитоскелетных фенотипов, например, человеческих эритроцитов и фибробластов мыши. Недавний тест показал большой успех в дифференцировании раковых клеток от нераковых с помощью двух противоположных, не сфокусированных лазерных лучей.

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.

Капюшки на основе многорежимных волокон

В то время как в более ранних версиях лазерных ловушек на основе волокон использовались исключительно одномодовые лучи, М. Крейсинг и его коллеги недавно показали, что аккуратное возбуждение дополнительных оптических мод в коротком отрезке оптического волокна позволяет создавать нетривиальные геометрии захвата. Это позволило исследователям ориентировать различные типы клеток человека (отдельные клетки и кластеры) под микроскопом. Главным преимуществом технологии так называемого "оптического ротатора клеток" перед стандартными оптическими пинцетами является разделение функций захвата и визуализации. Это, его модульная конструкция и высокая совместимость расходящихся лазерных ловушек с биологическим материалом указывают на значительный потенциал этого нового поколения лазерных ловушек в медицинских исследованиях и биологии. Недавно технология оптического ротатора клеток была реализована на основе адаптивной оптики, что позволяет динамически переконфигурировать оптическую ловушку во время работы и адаптировать ее к образцу.

Сортировка ячеек

Одной из наиболее распространенных систем сортировки клеток является использование проточной цитометрии с применением флуоресцентной визуализации. В этом методе суспензия биологических клеток сортируется в два или более контейнера на основе специфических флуоресцентных характеристик каждой клетки при направленном потоке. Используя электрический заряд, в котором клетка удерживается, клетки затем сортируются на основе измерений интенсивности флуоресценции. Процесс сортировки осуществляется системой электростатического отклонения, которая направляет клетки в контейнеры в зависимости от их заряда. В процессе оптической сортировки клетки направляются в оптический ландшафт, то есть в 2D или 3D оптические решетки. Без индуцированного электрического заряда клетки будут сортироваться на основе их собственных свойств показателя преломления и могут быть переконфигурированы для динамической сортировки. Оптическую решетку можно создать с помощью дифракционной оптики и оптических элементов. К. Сяо и Д. Г. Гриер применили голографическую видеомикроскопию, чтобы продемонстрировать, что эта техника может сортировать коллоидные сферы с точностью до тысячной доли процента по размеру и показателю преломления. Основным механизмом сортировки является расположение точек оптической решетки. Когда поток клеток проходит через оптическую решетку, возникают силы, обусловленные силой сопротивления частиц, которая непосредственно конкурирует с силой оптического градиента (см. Физику оптических пинцетов) от точки оптической решетки. Смещая расположение точек оптической решетки, создается предпочтительный оптический путь, где оптические силы доминируют и оказывают направленное воздействие. Благодаря потоку клеток возникает результирующая сила, направленная вдоль этого предпочтительного оптического пути. Таким образом, существует взаимосвязь между скоростью потока и силой оптического градиента. Регулируя эти две силы, можно добиться высокой эффективности оптической сортировки. Для успешной высокоэффективной оптической сортировки необходимо тонко настраивать конкуренцию сил в среде сортировки. Основное внимание уделяется балансу сил: силы сопротивления, обусловленной потоком жидкости, и силы оптического градиента, обусловленной расположением точек интенсивности. Ученые из Университета Сент-Эндрюса получили значительное финансирование от Совета по инженерным и физическим наукам Великобритании (EPSRC) на разработку оптической сортировочной машины. Эта новая технология может составить конкуренцию традиционной флуоресцентной сортировке клеток.

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.

Эвансцентные поля

Эвансцентное поле – это остаточное оптическое поле, которое "просачивается" при полном внутреннем отражении. Это "просачивание" света затухает экспоненциально. Эвансцентное поле нашло ряд применений в нанометровой разрешающей способности визуализации (микроскопии); оптическая микроманипуляция (оптический пинцет) становится все более востребованной в исследованиях. В оптическом пинцете непрерывное эвансцентное поле может быть создано при распространении света через оптический волновод (многократное полное внутреннее отражение). Полученное эвансцентное поле обладает направленностью и будет перемещать микрочастицы вдоль направления своего распространения. Первые работы в этом направлении были проведены С. Каватой и Т. Сугиурой в 1992 году, которые показали, что поле может взаимодействовать с частицами на расстоянии порядка 100 нанометров. Такое прямое взаимодействие поля рассматривается как вид туннелирования фотонов через зазор между призмой и микрочастицами. Результатом является направленная оптическая сила. Недавняя усовершенствованная версия оптического пинцета с эвансцентным полем использует расширенные оптические ландшафтные узоры для одновременного направления большого числа частиц в предпочтительном направлении без использования волновода. Она называется беслочевой оптической ловушкой ("LOT"). Упорядоченное движение частиц облегчается введением правила Рончи, которое создает четко определенные оптические потенциальные ямы (заменяющие волновод). Это означает, что частицы перемещаются под действием эвансцентного поля, одновременно захватываясь линейными яркими интерференционными полосами. В настоящее время ученые также работают над фокусированными эвансцентными полями. В недавних исследованиях эвансцентное поле, генерируемое лазером среднего инфракрасного диапазона, использовалось для селективной сортировки частиц по молекулярному колебательному резонансу. Средний инфракрасный свет обычно используется для идентификации молекулярной структуры материалов, поскольку колебательные моды существуют в среднем инфракрасном диапазоне. Исследование, проведенное Statsenko и др., описало усиление оптической силы за счет молекулярного колебательного резонанса при возбуждении моды растяжения связи Si-O-Si при 9,3 мкм. Показано, что микросферы диоксида кремния, содержащие значительное количество связей Si-O-Si, перемещаются до десяти раз быстрее, чем микросферы полистирола, благодаря молекулярному колебательному резонансу. Более того, эта же группа исследовала возможность оптической силовой хроматографии на основе молекулярного колебательного резонанса. Другой недавно предложенный подход использует поверхностные плазмоны – усиленную эвансцентную волну, локализованную на границе раздела металл/диэлектрик. Усиленное силовое поле, испытываемое коллоидными частицами, подверженными воздействию поверхностных плазмонов на плоской границе раздела металл/диэлектрик, впервые было измерено с помощью фотонного силового микроскопа, при этом величина полной силы оказалась в 40 раз больше, чем у обычной эвансцентной волны. Путем создания узора на поверхности золотыми микроскопическими островами можно добиться селективного и параллельного захвата частиц на этих островах. Силы, действующие в последнем оптическом пинцете, находятся в диапазоне фемтоньютонов. Эвансцентное поле также может использоваться для захвата холодных атомов и молекул вблизи поверхности оптического волновода или оптического нановолокна.

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.

Косвенный подход

Минг Ву, профессор электротехники и компьютерных наук Калифорнийского университета в Беркли, изобрел новые оптоэлектронные пинцеты. Ву преобразовал оптическую энергию от светодиодов низкой мощности (LED) в электрическую энергию посредством фотопроводящей поверхности. Идея заключается в том, чтобы светодиод включал и выключал фотопроводящий материал, проецируя на него сфокусированное изображение. Поскольку оптический рисунок легко изменяется с помощью оптической проекции, этот метод обеспечивает высокую гибкость в создании различных оптических ландшафтов. Процесс манипулирования/захвата осуществляется за счет изменения электрического поля, создаваемого световым рисунком. Частицы будут либо притягиваться, либо отталкиваться от точки воздействия благодаря индуцированному электрическому диполю. Частицы, взвешенные в жидкости, подвержены воздействию градиента электрического поля, что известно как диэлектрофорез. Важным преимуществом является то, что электрическая проводимость различается у разных типов клеток. Живые клетки имеют менее проводящую среду, в то время как мертвые клетки обладают минимальной или отсутствующей проводимостью. Система способна манипулировать примерно 10 000 клеток или частиц одновременно. См. комментарии профессора Кишана Дхолакии об этой новой технике: K. Dholakia, Nature Materials 4, 579–580 (01 Aug 2005) News and Views. "Система смогла перемещать живые бактерии E. coli и частицы шириной 20 микрометров, используя оптическую мощность менее 10 микроватт. Это стотысячная часть мощности, необходимой для [обычных] оптических пинцетов". Другой, также новый тип оптических пинцетов – оптотермические пинцеты, изобретенные Юэбином Чжэном в Техасском университете в Остине. Стратегия заключается в использовании света для создания температурного градиента и использовании термофоретической миграции вещества для оптического захвата. Команда дополнительно интегрировала термофорез с лазерным охлаждением для разработки опто-охлаждающих пинцетов, чтобы избежать термических повреждений при неинвазивном оптическом захвате и манипулировании.

Оптическая связь

Когда кластер микрочастиц захвачен в монохроматическом лазерном луче, организация микрочастиц в оптической ловушке сильно зависит от перераспределения сил оптической ловушки между микрочастицами. Это перераспределение световых сил внутри кластера микрочастиц обеспечивает новое силовое равновесие для кластера в целом. Таким образом, можно сказать, что кластер микрочастиц в некоторой степени связан светом. Одним из первых экспериментальных подтверждений оптического связывания сообщили Майкл М. Бернс, Жан-Марк Фурнье и Джен А. Головченко, хотя это явление было предсказано ранее Т. Тирунамахандраном. Одно из многочисленных недавних исследований оптического связывания показало, что для системы хиральных наночастиц величина связывающих сил зависит от поляризации лазерного луча и хиральности взаимодействующих частиц, что открывает потенциальные возможности для применения в таких областях, как энантиомерное разделение и оптическая наноманипуляция.

Флуоресцентные оптические пинцеты

Для одновременной манипуляции и визуализации образцов, проявляющих флуоресценцию, оптические пинцеты можно объединить с флуоресцентным микроскопом. Такие инструменты особенно полезны при изучении отдельных или небольшого числа биологических молекул, помеченных флуоресцентными метками, или в приложениях, где флуоресценция используется для отслеживания и визуализации объектов, предназначенных для захвата. Этот подход был расширен для одновременного зондирования и визуализации динамических белковых комплексов с использованием длинных и прочных связей, создаваемых высокоэффективным многоступенчатым ферментативным методом, и применен к исследованию механизмов действия машин дизагрегации.

Пинцеты, комбинированные с другими методами визуализации

Кроме "стандартных" флуоресцентных оптических пинцетов, сейчас создаются многоцветные системы, включающие конфокальную, широкопольную, STED, FRET, TIRF или IRM микроскопию. Это позволяет проводить измерения, такие как локализация и связывание белка/ДНК, сворачивание белка, конденсация, генерация силы моторными белками, визуализация цитоскелетных филаментов и динамики моторов, динамика микротрубочек, манипулирование жидкими каплями (реология) или их слияние. Создание таких установок – сложная задача, и традиционно они встречаются в некоррелированных "академических" лабораториях. Однако в последние годы даже специалисты, самостоятельно собирающие установки (как биофизики, так и биологи), переходят на альтернативные решения, обеспечивающие полную корреляцию данных и упрощенный сбор и анализ.