Оптический пинцет

Оптический пинцет (англ. Optical tweezers ) - оптический прибор, позволяющий удерживать и перемещать в пространстве микро- и наноразмерные объекты, захваченные в фокус лазерного луча. Сила, с которой свет действует на окружающие объекты, невелика, но ее оказывается достаточно, чтобы «ловить» и контролируемо перемещать частицы размером от 10 нм до 10 мкм. Феномен удержания микроскопических частиц в луче лазера был впервые описан в 1970 году Артуром Эшкиным (Arthur Ashkin), сотрудником компании Bell Telephone Laboratories в США, который занимался изучением давления света на микрообъекты. В дальнейшем Эшкин и его коллеги продемонстрировали возможности оптической ловушки на основе инфракрасного лазера захватывать, удерживать и перемещать в пространстве различные биологические объекты, такие как вирусные частицы, одиночные бактериальные и дрожжевые клетки и органеллы в живых клетках водорослей. Захваченные в оптическую ловушку клетки продолжали делиться, что свидетельствовало об отсутствии повреждающего воздействия инфракрасного лазерного излучения на биологические объекты. Принцип работы лазерного пинцета состоит в том, что оптически прозрачные микрочастицы, имеющие размеры больше длины волны падающего света (например, полистирольные и латексные шарики диаметром около 1 мкм, живые клетки) одновременно отражают и преломляют свет лазера, что приводит, согласно второму закону Ньютона, к возникновению сил отталкивания частиц в направлении от источника света и одновременно сил, возвращающих частицу в исходное положение. При помещении частицы в фокус луча лазера эти силы уравновешиваются, и частица попадает в ловушку. Диэлектрические частицы размером меньше длины волны лазерного излучения также захватываются хорошо сфокусированным лазерным лучом. Их поведение объясняется с точки зрения теории электромагнетизма. Диэлектрические частицы поляризуются в негомогенном электрическом поле лазерного луча и смещаются к оси луча, где напряженность поля максимальна. Оптический пинцет позволяет прилагать к частицам силы до 100 пН, что делает его идеальным инструментом для механического воздействия на различные биологические объекты и измерения их отклика. С помощью оптического пинцета были измерены вязкоупругие свойства единичных молекул ДНК, клеточных мембран, а также агрегированных волокон белков (например, актина), изучены силы, развиваемые молекулярными моторами (миозином, кинезином и т.д.). Считается, что уже в ближайшем будущем оптические пинцеты будут использованы не только для исследования клеток, но и для внутриклеточной хирургии, что позволит, в частности, модифицировать их хромосомный набор. Не менее эффективно оптический пинцет применяется для изучения объектов неживой природы, например, заряженных коллоидных частиц в растворах. Пожалуй, наиболее интересным применением оптического пинцета является сборка различных упорядоченных структур из коллоидных наночастиц. Благодаря способности манипулировать субмикроскопическими объектами вплоть до атомов и измерять пиконьютонные силы и нанометровые перемещения, оптический пинцет рассматривается как один из важнейших инструментов для нанотехнологий.

Схема «захвата» коллоидной частицы оптическим пинцетом

Сложенные с помощью оптического пинцета различные узоры из гелевых наночастиц

Тезаурус

Оптический пинцет (Optical tweezers)

Тематический раздел (поле): Нанофотоника, Нанобиотехнологии, Метрология и стандартизация, Наноинженерия

Функциональный разряд: Объект

Аскрипторы: Лазерный пинцет, оптическая ловушка

Отношения  иерархические (род-вид): Оптический пинцет → Получение, диагностика и сертификация наноразмерных систем → Нанотехнологии →

Отношения ассоциативные: Оптический пинцет ~ Наноэлектромеханические системы, Наноприводы, Наноманипуляторы, Нанофлюидика, Клетка, Манипуляция атомами, Микроскоп, Микроскопия, Биологические моторы, Нанометрология

Литература по теме:

1. Ashkin A., «Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure», Phys. Rev. Lett. 24, 156 (1970).
2. Ashkin A., Dziedzic J. M. & Yamane T., «Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams», Nature 330, 769 (1987).
3. Letokhov V. S., et. al. Cooling and trapping of atoms and molecules by a resonant laser field. Opt. Commun. 19, 72 (1976).
4. Macdonald M. P., Spalding G. C. & Dholakia K., «Microfluidic sorting in an optical lattice», Nature 426, 421 (2003).
5. Hu Z, Wang J, Liang J, «Manipulation and arrangement of biological and dielectric particles by a lensed fiber probe», Optics Express, 12, 4123 (2004).
6. Grover S. C. «Automated single-cell sorting system based on optical trapping» J Biomed Opt. 6, 14 (2001).
7. Kawata S. and Sugiura T. «Movement of micrometer-sized particles in the evanescent field of a laser beam» Opt. Lett. 17, 772 (1992).
8. Schmitz C., Spatz J., & Curtis J., «High-precision steering of multiple holographic optical traps» Optics Express, 13, 8678 (2005).
9. Статья Optical tweezers из Википедии, свободной энциклопедии. Доступно под лицензией Creative Commons Attribution-Share Alike.