Иллюстрация: K. Zeng et al / Optics Letters.  Пи́нцет – инструмент, знакомый каждому, служащий для удержания и перемещения мелких предметов. Однако при работе с микроскопическими объектами, такими как частицы в нанометровом диапазоне или хромосомы в живой клетке, применение обычного пинцета практически невозможно, поскольку любой контакт может привести к их разрушению. В этой связи весьа актуальной задачей современной микро- и нанотехнологии стало создание метода захвата и перемещения микрообъектов без физического контакта. Решение этой проблемы было найдено в области лазерной техники. Создание механического устройства для управления объектами таких малых размеров представляется невозможным. В то же время, сфокусированный лазерный луч способен оказывать на микрообъекты достаточные для их перемещения силы. Идея лазерного манипулирования атомами была впервые предложена российскими физиками.

В 1979 году доктор физико-математических наук В.С. Летохов и его коллеги из Института спектроскопии АН СССР провели первый успешный эксперимент по торможению атомов натрия с помощью светового луча. Однако, устройство, получившее название “оптический пинцет”, было впервые продемонстрировано в 1986 году американскими исследователями из Bell Labs.

Принцип действия оптического пинцета основан на том, что световой поток обладает импульсом и при изменении его направления возникает сила, связанная с этим изменением.

Понятие импульса (количества движения) пришло из механики, где импульсом называют произведение массы тела на скорость его движения. Скорость – вектор, который характеризует не только величину, но и направление. А поскольку движение любого тела происходит под действием силы, изменение направления скорости связано с изменением направления действия силы.

Фотон характеризуется энергией Е и импульсом р, который, по аналогии с механическим случаем, есть произведение его массы на скорость света: р = mc (здесь имеется в виду масса движущегося фотона, так как масса покоя фотона равна нулю). Если фотон падает на непрозрачную (поглощающую или отражающую) поверхность, то сообщаемый ей импульс есть, по сути дела, давление света на эту поверхность. Но если осветить лазером прозрачную частицу, то световой пучок испытает на ней преломление – направление вектора скорости света и, следовательно, направление импульса фотонов изменится. Пользуясь механической аналогией, можно сказать, что при этом возникает изменение силы, которое подействует на частицу так, что она двинется в сторону наибольшей интенсивности лазерного пучка.

Интенсивность лазерного пучка максимальна на его оси и плавно спадает к краям. Закон изменения интенсивности соответствует так называемому нормальному, или гауссовскому, распределению, которому подчиняются все природные процессы (см. “Наука и жизнь” № 2, 1995 г.). Поэтому частица удерживается на оси пучка, а при фокусировке пучка линзой она “втягивается” в точку фокуса и оказывается “пойманной” в трех измерениях. Чтобы создать силы, способные осуществить такую “трехмерную ловушку”, требуется излучение мощностью порядка нескольких милливатт.

Перемещением фокуса можно передвигать частицы, выстраивая из них самые разнообразные конструкции. Современная технология рисует совершенно фантастическую картину: луч лазера движется, и под его воздействием в пространстве материализуется требуемый объект.

Объединяя метод оптического пинцета с использованием других лазерных пучков, исследователи могут, например, захватить отдельную хромосому и разрезать на кусочки для дальнейшего анализа. Для захвата можно применить инфракрасное излучение с длиной волны λ=1,064 мкм, а вторую его гармонику – зеленый свет (λ=0,532 мкм) – для разрезания в качестве “оптических ножниц”: биологические объекты почти прозрачны в инфракрасной области, но сильно поглощают зеленый свет.

Оптический пинцет представляет собой удобный инструмент, имеющий, однако, ряд недостатков.

Во-первых, чем сильнее стянут пучок в фокус, тем быстрее он расходится после него. Это означает, что сила, удерживающая частицу, очень быстро падает по мере удаления от зоны захвата, и уже на расстоянии несколько десятков микрон от фокуса оказывается недостаточной, чтобы снова захватить частицу. Однопучковая ловушка реально полезна лишь для захвата одиночной частицы и только в области фокуса.

Во-вторых, лазерный пучок после встречи с объектом будет отличаться от исходного из-за дифракции, преломления, отражения и поглощения. Это также ограничивает расстояние, на котором он может действовать как оптический пинцет.

Существует и еще одно обстоятельство, связанное с расходимостью самого лазерного пучка. Чем сильнее он расходится, тем хуже его фокусирует оптическая система, но получить идеально параллельный пучок принципиально невозможно из-за дифракции. И долгое время не было даже мысли о том, что можно как-то обойти это ограничение. Но в 1987 году американские физики Дж. Дарнин, Дж. Майсели и В. Эберли показали, что существует класс световых пучков, фактически свободных от дифракции. Их проекция на экран выглядит как яркое пятно, окруженное системой концентрических колец (такое распределение интенсивности описывает известная в математике функция Бесселя, и поэтому сами пучки называют бесселевыми).

Обычный гауссов пучок превращают в бесселев при помощи так называемого аксикона – конической линзы, которая фокусирует параллельный пучок лучей не в точку, а в отрезок прямой линии на оптической оси. (Существуют и другие методы, основанные на использовании голограмм или пространственных модуляторов света.) Этот центральный луч подобен нерасходящемуся “световому шнуру” постоянной интенсивности.

Бесселеву пучку присуще одно замечательное свойство. В отличие от гауссова пучка, который искажается после прохождения через частицу, он обладает способностью самостоятельно восстанавливаться. Часть волн, выходящих из конической поверхности аксикона, проходят мимо препятствия и сходятся позади него; их интерференция образует неискаженный пучок. Это позволяет преодолеть ограничение, присущее оптическому пинцету на гауссовом пучке, способному захватить лишь частицы, расположенные очень близко одна к другой. В недавних работах было показано, что оптический пинцет, использующий бесселев пучок, способен захватывать частицы, разнесенные на расстояние 3 миллиметра и лежащие в отдельных независимых ячейках. В этих экспериментах использовалось лазерное излучение с длиной волны 1,064 мкм, образующее бесселев пучок с ярким центральным пятном, окруженным 19-ю кольцами. Общая мощность излучения составляла 700 мВт, из которой на центральное пятно приходилось примерно 35 мВт. Захватывалась полая сфера диаметром около 5 микрон между центральным пятном и первым кольцом пучка. Сфера искажала пучок, который за ней восстанавливался и работал как оптический пинцет, сводящий вместе три кварцевые сферы диаметром 5 микрон. После этого пучок восстанавливался еще раз.

Другое отличие оптических пинцетов на бесселевом пучке заключается в их способности захватывать сразу несколько разных частиц. Например, в экспериментах производился одновременный захват сплошной кварцевой сферы в первой ячейке, полой сферы во второй и частицы из двупреломляющего материала в третьей. Полая сфера имеет меньший показатель преломления, чем вода, заполняющая ячейки, и поэтому выталкивается из областей высокой интенсивности света. Ее захват происходил в темных зонах бесселева пучка между кольцами.

С помощью оптических пинцетов измеряли механические свойства молекул ДНК, прицепляя к их концам полистирольные бусинки и растягивая их. Исследователи из Гарвардского университета укладывали эритроциты (клетки крови) на белковое основание в кольца, цепочки и тетраэдры, создавая модели клеточных “датчиков”, настроенных на обнаружение определенных химических веществ. Оптический пинцет уже сейчас используют для пересадки генов в клетки, а также при искусственном оплодотворении в пробирке.

Весьма интересные эксперименты выполнены в венгерском Биологическом исследовательском центре. Там разработана методика получения микроскопических объектов произвольной формы в результате полимеризации клейкой массы под действием света. Оптический пинцет на основе инфракрасного (λ = 0,994 мкм) полупроводникового лазера захватывал и удерживал в фокусе микрочастицы. Далее использовалась так называемая двухфотонная методика: клей освещали ультрафиолетовым лазером, генерирующим две слегка различающиеся длины волны вблизи 0,340 мкм, а необходимая для полимеризации интенсивность достигалась фокусировкой в нужной точке излучения аргонового лазера (λ = 0,514 мкм). В результате воздействия света образовывался твердый полимер. Высокоточный трехкоординатный пьезоэлектрический манипулятор, управляемый компьютером, перемещал материал относительно фокуса, создавая микроскопические детали – роторы, шестеренки, пропеллеры. А дальше начинается самое интересное.

Было обнаружено, что при сдвиге точки фокуса свет, отклоняясь от частицы, приводит ее во вращение. Величина и направление момента вращения зависят от ориентации ротора или шестеренки в фокусе. Если ротор оснащался центральной осью, устойчивость его захвата в пинцете повышалась, а при увеличении числа зубцов шестеренки вращение становилось более равномерным. При мощности излучения 20 мВт конструкция равномерно вращалась с частотой до нескольких оборотов в секунду. Отсюда – один шаг до создания действующих микромашин, управляемых светом. Авторы сконструировали две сцепленные шестеренки, сидящие на фиксированных осях, и свободно плавающий ротор. Ротор захватывали лазерным пинцетом, приводили во вращение и затем подводили к паре шестеренок, заставляя их крутиться.

Изобретение оптического пинцета совершило подлинную революцию в микротехнике. Сейчас во множестве лабораторий ведется отработка методов его использования в различных областях. Можно с уверенностью сказать: оптический пинцет – это инструмент, который сыграет чрезвычайно важную роль в научных исследованиях ХХI столетия.

История создания оптического пинцета

За последние десятилетия с помощью лазеров было сделано немало выдающихся открытий. И некоторые из них принесли своим авторам Нобелевские премии. В том числе и оптический пинцет.

Предположение о том, что свет оказывает давление на физические тела, было сделано еще в XVII веке астроном Кеплером. Теоретическое описание этого эффекта спустя 200 лет дал Джеймс Максвелл, а в 1910 году он был экспериментально подтвержден российским физиком Петром Лебедевым.

Исследование воздействия света на отдельные микроскопические частицы стало возможным после изобретения лазера в 1961 году. Уже в 1970-м в журнале «Physical Review» вышла работа Артура Ашкина «Ускорение и захват частиц давлением излучения». В 1987 году Ашкин продемонстрировал управление и захват одиночных частиц с помощью инфракрасного лазерного излучения. В 2018 году за свое изобретение Ашкин получил Нобелевскую премию по физике.

Начиная с 1980-х годов оптический пинцет широко используется для проведения исследований в биологии.

Принцип действия оптического пинцета в картинках

Как известно, фотон — это частица, которая не имеет никакой массы покоя, но характеризующаяся энергией E и импульсом p. Если он попадает на отражающую поверхность, то сообщает ей свой импульс.

Но что произойдет, если фотоны попадут на прозрачную частицу?

В этом случае пучок отклонится на некоторую величину. Направление импульса и, соответственно, скорости изменится. При этом возникнет сила, которая заставит частицу сместиться в сторону наибольшей интенсивности излучения.

Схема удержания частицы оптическим пинцетом. Источник фото: old.nanonewsnet.ru

И здесь вступает в силу особенность лазерного пучка: энергия в нем распределена неравномерно. Интенсивность излучения в центре выше, чем по краям, и подчиняется так называемому распределению Гаусса. В результате попавшая в такое поле частица начнет смещаться к центру пучка. Если же излучение сфокусировать, то она втянется в точку фокуса и окажется пойманной. Перемещая фокус, можно управлять положением частицы.

Для работы оптической ловушки не нужна высокая интенсивность излучения. В опубликованной в журнале Review Scientific Instruments статье Ньюмана и Блока «Optical trapping» (2004 год) приводится оценка максимальной величины светового давления: она составляет 1 пН на 10 мВт мощности лазерного излучения. Это на три порядка превышает влияние силы тяжести на частицу микронного размера и достаточно для ее удержания.

На практике же мощность может варьироваться от нескольких десятков милливатт до ватта и более — в зависимости от используемого лазерного оборудования и решаемых задач.

Развитие технологии

Простейшая концепция с использованием гауссовых пучков имеет ряд недостатков, связанных с расходимостью лазерного излучения. Из-за дифракционных явлений получить идеально параллельный пучок невозможно, и, кроме того, чем сильнее он стянут в фокус, тем сильнее расходится после него. Эти факторы делают невозможным удержание частицы за пределами фокального пятна, а также удержание нескольких частиц.

Закономерно, что ученые стали искать пути обхода этого ограничения. И технология оптического пинцета получила развитие за счет использования излучения с модовым составом более высокого порядка:

• эрмит-гауссовых пучков;
• лаггер-гауссовых пучков;
• бесселевых пучков.

Распределение интенсивности в пучках: а) гауссов; б) эрмит-гауссов; в) лаггер-гауссов г) бесселев

Если гауссов пучок может втягивать в себя только преломляющую частицу, то с помощью лаггер-гауссова можно управлять отражающими и поглощающими объектами, а также вращать их вокруг центра пучка.

Бесселев пучок в проекции на экран представляет собой яркое пятно в окружении концентрических колец. Чтобы его получить, обычный гауссов пучок фокусируют с помощью аксикона — конической линзы. Причем в результате фокусировки получается не точка, а так называемый «световой шнур»: то есть на коротком отрезке на оптической оси пучок не расходится.

У бесселева пучка есть еще одно важное достоинство: он способен самовосстанавливаться за счет волн, проходящих мимо препятствия. Их интерференция восстанавливает первоначальное распределение интенсивности.

Благодаря этим свойствам с помощью бесселевых пучков не только удобно захватывать частицы на относительно протяженном участке, но и осуществлять операции с несколькими частицами одновременно.

Для манипуляций с большим числом объектов также используют мультиплексные лазерные пинцеты, разбивая излучение лазера на несколько пучков с помощью модуляторов и дифракционных элементов.

Значение открытия для науки

Удивительно, но изобретение оптического пинцета, принесшее Артуру Ашкину Нобелевскую премию по физике, произвело революцию в первую очередь в биологии.

Для манипуляций с клетками, белками и ДНК не подходят механические инструменты. А с помощью оптического пинцета этими объектами можно управлять бесконтактно. Кроме того, биологические объекты слабо поглощают длину волны 1064 нм, поэтому воздействие излучения не приводит к их повреждению.

Эти факторы позволяют исследовать живые клетки и бактерии, а также проводить внутриклеточные операции invivo.

Отдельного внимания заслуживает исследование внутриклеточных процессов, таких как движение моторных белков — кинезина и миозина.

Конечно, оптические пинцеты применяются не только в биологии. Способность лазерного излучения захватывать и удерживать микроскопические объекты применяется и в других областях науки — физике, химии.

Адаптация технологии для захвата и охлаждения отдельных атомов позволила получить предсказанный еще в 1925 году бозе-конденсат — агрегатное состояние вещества, в котором оно состоит из бозонов, охлажденных до близких к абсолютному нулю температур. Открытие сильно продвинуло исследование квантовых явлений, позволив наблюдать их на макроскопическом уровне.

Оптические пинцеты используются в проведении ДНК-исследований, для клеточной сортировки, исследований крови, изучения поведения частиц в магнитных полях и в других передовых областях науки и техники, поэтому значение этого открытия трудно переоценить.

Подписывайтесь на канал, чтобы не пропустить новых публикаций об исследованиях и открытиях, сделанных с помощью лазерных технологий.

Предложено создавать микроскопические гироскопы на основе левитирующей в оптическом пинцете микрочастицы в условиях центрифугирования

Китайские ученые провели детальное исследование поведения микрочастицы, удерживаемой в оптическом пинцете, при воздействии центрифугирования. В ходе работы, опубликованной в журнале Optics Letters, было показано, что такая система может быть использована не только для измерения массы частиц, но и в качестве высокоточного детектора угловой скорости – гироскопа. Оптические пинцеты, использующие давление света для удержания микрочастиц в заданном пространстве, стали незаменимым инструментом в современной физике. Их применение охватывает широкий спектр задач в атомной и молекулярной физике, химии, биологии и других областях. В 2018 году изобретение оптического пинцета было отмечено Нобелевской премией по физике.

Исследование динамики оптической левитации частиц в пинцете представляет не только практический интерес, но и является объектом фундаментального изучения из-за своей сложной и богатой природы.

Захваченные микрочастицы испытывают движение центра масс, вращение, либрацию и прецессию. Все эти типы движения, с одной стороны легко детектируются, с другой — очень чувствительны к мельчайшим воздействиям, что делает их хорошими механическими сенсорами, поэтому ученые уделяют этому вопросу большое внимание.

Юйле У (Yulie Wu) из Оборонного научно-технического университета Народно-освободительной армии Китая с коллегами решили изучить центробежное движение микрочастицы, пойманной во вращающийся оптический пинцет. Для этого они разместили все элементы оптической схемы на вращающемся столе. Ось вращения была параллельна оси пинцета, но отстояла от нее на некотором расстоянии.

Схематическое изображение частицы, испытывающей центробежное смещение во вращающемся оптическом пинцете. Вид сверху (a) и сбоку (b). K. Zeng et al / Optics Letters

Авторы записали и решили уравнения движения частицы в таких условиях и выяснили, что смещение должно зависеть линейно от массы, расстояния между осями и обратной жесткости ловушки, но квадратично от угловой скорости. Измерив смещение для различных скоростей и направлений вращения для кремниевой сферической частицы диаметров 22 микрона и межосного расстояния, равного 20 миллиметрам, физики убедились в этом, однако извлеченная из аппроксимации жесткость оптической ловушки оказалась несколько завышенной по сравнению с этой же величиной, но полученной из измерения поперечных осцилляций.

Исследователи предположили, что ошибка исходит из неточного измерения расстояния между осями. Проведя аналогичные эксперименты с разными значениями этого расстояния, физики увидели, что зависимость от него действительно оказалась нелинейна. Проведя корректировку, авторы убедились, что вычисленная из данных о вращении масса частицы не зависит от частоты в пределах погрешностей и совпадает с величиной, измеренной другим методом.

Также ученые изучили то, как изменяется вращение левитирующей микрочастицы в условиях центрифугирования. Для этого они помещали в пинцет эллиптическую микрочастицу и облучали ее лазером с круговой поляризации. В отсутствие вращения стола частица вращалась с частотой 1,3 герца. Добавление вращения стола уменьшало эту частоту по параболическому закону. Авторы объяснили это центробежным смещением частицы в область с более низкой интенсивностью света, и, как следствие, с меньшим моментом силы. Они предполагают, что это может найти применение в сенсорах вращения и гироскопах.

Оптические пинцеты позволяют делать с микрочастицами удивительные вещи. Недавно мы рассказывали, как с их помощью пожонглировали глицериновыми каплями и увидели квантование электрического заряда невооруженным глазом.

Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/