Оптический пинцет

Опти́ческий пинце́т (англ. optical tweezers), иногда «лазерный пинцет» или «оптическая ловушка» — система, дающая возможность захватывать и перемещать микрообъекты, такие как атомы, живые клетки или вирусы, аналогично тому, как мы пользуемся обычным пинцетом для мелких предметов. Этот процесс реализуется путём воздействия специфически сформированного лазерного луча. Когда микрочастица оказывается внутри электрического поля лазера, она приобретает заряд, распределённый неоднородно, вследствие чего она буквально «прикрепляется» к фокусированной лазерной ловушке.

Оптический пинцет вошёл в состав стандартного оборудования научных лабораторий, занимающихся исследованиями белков, ДНК, клеток и их компонентов. Применение множества оптических пинцетов одновременно даёт возможность, отделять здоровые кровяные клетки от инфицированных.

История

За последние десятилетия лазеры стали инструментом для совершения немалого числа выдающихся открытий. Некоторые из этих достижений принесли своим авторам Нобелевские премии, среди которых особо выделяется оптический пинцет. Предположение о том, что свет оказывает давление на физические тела, было выдвинуто ещё в XVII веке астрономом Кеплером. Теоретическое описание данного эффекта спустя двести лет предоставил Джеймс Максвелл, а в 1910 году его экспериментально подтвердил российский физик Пётр Лебедев.

После изобретения лазера в 1961 году появилась возможность исследования воздействия света на отдельные микроскопические частицы. Уже в 1970 году в журнале «Physical Review» была опубликована работа Артура Эшкина, озаглавленная «Ускорение и захват частиц давлением излучения». В 1987 году он продемонстрировал управление и захват одиночных частиц при помощи инфракрасного лазерного излучения. За своё изобретение в 2018 году Артур Эшкин был удостоен Нобелевской премии по физике. Начиная с 1980-х годов оптический пинцет активно используется для проведения исследований в биологии.

Развитие технологии

Концепция, основанная на применении гауссовых пучков, обладает рядом существенных минусов, обусловленных дифракционной расходимостью лазерного луча. По причине невозможности создать абсолютно параллельный поток света и усиливающейся расходимости после точки максимального сжатия, удерживать объект вне фокальной области или манипулировать сразу несколькими частицами становится затруднительно.

Следовательно, научные исследования сосредоточились на преодолении указанных ограничений путём разработки технологий оптического захвата с применением лазерных пучков более сложных модовых структур:

• эрмит-гауссовые пучки;
• лаггер-гауссовые пучки;
• бесселевы пучки.

В отличие от обычного гауссова пучка, способного притягивать лишь прозрачные объекты, использование лаггер-гауссовых позволяет эффективно воздействовать на непрозрачные тела и даже приводить их во вращательное движение вдоль центральной оси. Проекция бесселевого пучка на плоскость экрана выглядит как центральное светлое пятно, окружённое кольцами меньшей интенсивности. Для формирования такого распределения применяется специальная оптика — аксикон, представляющий собой конусообразную линзу. После прохождения через неё формируется своеобразный «оптический шнур», характеризующийся минимальной расходимостью на небольшом расстоянии от оси пучка.

Ещё одним ценным качеством бесселевых пучков является способность восстанавливать свою структуру после взаимодействия с препятствием благодаря волнам, огибающим преграду и формирующим исходное распределение интенсивности посредством интерференции. Помимо этого, существует техника мультиплексирования лазерных лучей, позволяющая разделять исходный луч на множество отдельных каналов с помощью специальных устройств-модуляторов и дифракционных компонентов, что расширяет возможности управления крупными ансамблями микрочастиц.

Применение

Оптический пинцет применяется в самых разнообразных областях науки и технологии, включая фундаментальную медицину, биофизику, физику и другие направления. В частности, этот инструмент активно задействуется для изучения биологических клеток, внутриклеточных органелл, клеточных мембран, а также белковых макромолекул. С его помощью были исследованы процессы синтеза и взаимодействия макромолекул, ответственных за хранение и передачу генетической информации (таких как РНК и ДНК).

Оптический пинцет широко применяется в исследованиях наноразмерных частиц, к которым относятся квантовые точки, фуллерены и наностержни. На принципах действия оптического пинцета базируется фотонно-силовая микроскопия. Оптический захват используется в молекулярной спектроскопии высокого разрешения и служит для лазерного охлаждения.