Как лазер стал пинцетом

Лазеры в медицине, Новости науки и техники, События и выставки Комментариев к записи Как лазер стал пинцетом нет

Во вторник, 2 октября, Шведская академия наук присудила Нобелевскую премию по физике «за новаторские изобретения в области лазеров». Половину премии получит 96-летний американский физик Артур Эшкин (Arthur Ashkin), придумавший технологию оптического пинцета, другую половину поделят между собой Жерар Муру (Gerard Mourou) и Донна Стрикленд (Donna Strickland), разработавшие метод генерации фемтосекундных петаваттных лазерных импульсов.

Чтобы управлять мелкими предметами, — например, выщипывать брови или отделять зерна сорняков от гречневой крупы, — удобно использовать пинцет, способный механически захватывать и удерживать представляющие интерес объекты. К сожалению, перемещать обычным пинцетом объекты микронных размеров — живые клетки, белки и молекулы — нельзя: любая попытка захватить такой объект приведет к его разрушению, и дальнейшие манипуляции потеряют смысл. С целью преодолеть это препятствие, американский физик Артур Эшкин разработал оптический пинцет — устройство, которое с помощью лазерного пучка перемещает микроскопические объекты, сохраняя их внутреннюю структуру.

Вообще говоря, работа оптического пинцета зависит от размера перемещаемого объекта. Для начала рассмотрим ситуацию, когда размеры объекта превышают длину волны лазерного излучения — d > λ. Это условие позволяет использовать приближение геометрической оптики, чтобы рассчитать траектории лучей, отраженных и преломленных частицей. Для простоты можно приблизить частицу идеальной сферой (рассеяние Ми). Кроме того, заметим, что электромагнитная волна, рассеянная на частице, передает ей некоторый импульс — а следовательно, создает эффективную силу, которая толкает частицу вдоль градиента квадрата электрического поля, то есть в сторону увеличения интенсивности света (поэтому силу называют градиентной). В результате частица будет «прижиматься» к оси луча, около которой интенсивность лазера максимальна. Если же направить на частицу два лазера, распространяющихся в противоположных направлениях, или сфокусировать лазер с помощью системы линз, то можно «зажать» ее в трех измерениях и заставить перемещаться вслед за точкой фокусировки.

Чтобы понять, как возникает градиентная сила, представьте себе плоскую мишень площадью S, которая обстреливается пульками массой m и скорости v, причем концентрация пулек (число пулек в одном кубическом метре) равна n. Когда пулька упруго отражается от мишени, она передает ей импульс p = 2mv. За время Δt о мишень ударится N = nSvΔt пулек, которые передадут ей импульс ΔP = pN = 2Snmv2Δt. Используя второй закон Ньютона, находим, что на мишень действует сила F = ΔP/Δt = 2Snmv2. В случае оптического пинцета мишенью служит микрочастица, а пульками — фотоны электромагнитной волны. Из-за сложной формы частицы эффективная сила рассчитывается более сложным образом, однако ее природа остается прежней.

Если же диаметр микрочастицы оказывается меньше длины волны лазера (d < λ), то работу оптического пинцета можно объяснить с помощью приближения электрического диполя. Когда такая частица попадет в электрическое поле лазерного пучка, ее заряд перераспределяется по объему, и в ней наводится электрический дипольный момент. С другой стороны, энергия диполя, помещенного в электрическое поле, зависит от его ориентации, следовательно, в попытке уменьшить эту энергию микрочастица будет поворачиваться и «ползти» вдоль градиента поля. Получается, будто на частицу со стороны лазера действует эффективная градиентная сила. В остальном этот случай совпадает со случаем d > λ. Более подробно про принципы, на которых основан оптический пинцет, можно прочитать в статье доктора технических наук А. Голубева.

Схема работы оптического пинцета

Впервые градиентные силы были экспериментально открыты Артуром Эшкиным в 1970 году. После этого физику понадобилось еще 16 лет, чтобы отточить технологию и создать первый полноценный оптический пинцет, способный захватывать и перемещать микроскопические частицы. В основном ученому мешали тепловые колебания атомов, которые он пытался захватить, и низкая мощность лазеров, доступных на тот момент. Еще через год Эшкин, захватив с помощью оптического пинцета вирус табачной мозаики и бактерию Escherichia coli, показал, что его технологию можно использовать для изучения биологических объектов. Более того, уменьшая длину волны лазерного пучка, ученый добился того, чтобы бактерии сохраняли жизнеспособность и продолжали размножаться, будучи пойманными в оптическую ловушку.

Сотрудник Лаборатории 3D-печати функциональных микроструктур МФТИ Дмитрий Чубич так прокомментировал разработку Артура Эшкина: «Оптические пинцеты активно используется в биологии — для этого нужно подобрать длину волны лазера так, чтобы частица его не поглощала, то есть не нагревалась. В этом случае вы можете перемещать, например, живую клетку или органеллы в клетке в произвольном направлении, причем клетка не разрушается, остается целой и жизнеспособной. Более того, ее можно разместить там, где вам нужно, с точностью до нескольких сотен нанометров — в зависимости от длины волны лазера».

Заведующий отделом лазерной плазмы Объединенного института высоких температур (ОИВТ) РАН Михаил Агранат рассказал N+1 об одном из таких проектов. По его словам, его сотрудники совместно с коллегами из МГУ разработали комбинированную установку, объединяющую в себе лазерный скальпель и пинцет. С помощью этой установки ученые смогли разрезать оболочку зародыша на ранних стадиях деления и извлечь с помощью пинцета полярное тельце, изучение которого позволяет судить о состоянии эмбриона, в частности, о генетических отклонениях. Кроме того, световые инструменты позволяют экспериментировать с клеточными сфероидами.

Источник: https://nplus1.ru/material/2018/10/02/laser-nobel


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2016
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top