Опти́чний пінце́т (), інколи «опти́чні щи́пці», «ла́зерні щи́пці» або «опти́чна па́стка» — науковий прилад, що дозволяє маніпулювати мікроскопічними об'єктами за допомогою лазерного світла (зазвичай лазерного діода). Дозволяють прикладати до діелектричних об'єктів сили, величиною від фемтоньютонів до наноньютонів і вимірювати відстані від кількох нанометрів до мікрометрів. В останні роки оптичний пінцет став популярним знаряддям у біофізиці, де його використовують при дослідженні структури та принципу роботи білківA. C. De Luca, G. Volpe, M. Drets, M I. Geli, G. Pesce, G. Rusciano, A. Sasso, D. Petrov. Real-time actin-cytoskeleton depolymerization detection in a single cell using optical tweezers. Optic express 15 (13), 7922-7932 (2007) https://doi.org/10.1364/OE.15.007922.
2018 року творцям оптичного пінцета присуджено Нобелівську премію з фізики «за винайдення оптичного пінцета та його застосування в біологічних системах».
Історія Ще в XVII столітті висловлювалися припущення, що світло може чинити тиск на речовину. В роботі «De Cometis» німецький астроном Кеплер висунув думку, що хвости комет відхиляються під дією сонячного світла. Хоча пізніше виявилося, що це не єдиний механізм такого відхилення, ідея Кеплера стала важливою для розвитку астрономії. Наприклад, дослідження показали, що світловий (радіаційний) тиск — один з найголовніших механізмів, які відповідають за динаміку частинок в міжзоряному просторі. Через два сторіччя Максвелл за допомогою своєї теорії електромагнітних явищ розрахував величину світлового тиску. Експериментальні дослідження, які 1900 року провів російський фізик Лебедєв, підтвердили існування тиску світла.
Після відкриття Басовим та Прохоровим у 1953 році принципу дії лазера, з'явилося джерело світла, достатньо потужне та з пучком світла, достатньо колімованим для маніпулювання макроскопічними об'єктами. Але тільки 1970 року в науковій літературі з'явилися публікації співробітника Bell Labs Артура Ешкіна, в яких повідомлялося про реєстрацію оптичних сил розсіяння і градієнтних сил на частинках мікронних розмірів. Через кілька років Ешкін із колегами повідомили про перше спостереження того, що зараз називають оптичною пасткою, тобто пучка світла, сфокусованого так, що він може стійко утримувати мікроскопічні частинки (10 нм—10 мкм) у трьох вимірах.
Подібний принцип використовують і для лазерного охолодження, методу зниження температури атомів у оптичній пастці до значень, недосяжних іншими засобами, запропонований 1968 року радянським фізиком і реалізований 1978 року тією ж групою Ешкіна. Колишній співробітник Ешкіна Стівен Чу продовжив дослідження і 1997 року отримав за цю роботу Нобелівську премію.
У 1980-х роках і уперше застосували технологію оптичного пінцета в біології для того, щоб утримати бактерію з метою дослідження бактеріальних джгутиків. Вже в 1990-х роках дослідники , і Стівен Блок застосували метод оптичної для дослідження біологічних двигунів молекулярного масштабу. Ці молекулярні двигуни всюдисущі в природі і відповідають за переміщення та механічні дії в клітині. Оптичні пастки дозволили цим біофізикам спостерігати динаміку молекулярних двигунів, розглядаючи одну вибрану молекулу окремо від інших. Оптична силова спектроскопія дозволила краще зрозуміти природу рушійних сил, які діють у молекулі й мають стохастичну (випадкову) природу.
Оптичний пінцет виявився корисними і в інших галузях біології. Наприклад, 2003 року метод оптичного утримання використано для . Створюючи в ділянці, наповненій мікробіологічним зразком, світлову картину великої інтенсивності, можна сортувати клітини за їхніми власними оптичними характеристиками. Оптичний пінцет також використано для дослідження цитоскелета, вимірювання в'язкоеластичних властивостей біополімерів та вивчення рухливості клітин.
2018 року Артур Ешкін, Жерар Муру і Донна Стрікленд отримали нобелівську премію за розробку і застосування оптичного пінцета.
Фізичні принципи
Загальний огляд Маленькі діелектричні сфери взаємодіють з електричним полем, створеним світловою хвилею, завдяки наведеному дипольному моменту. В результаті взаємодії цього диполя з полем, сфера втягується уздовж градієнту електричного поля до точки найвищої інтенсивності світла. Крім градієнтної сили, на сферу також діє розсіювальна сила, викликана відбиттям світла від її поверхні. Ця сила штовхає сферу вздовж пучка світла. Проте, якщо промінь сильно сфокусований, градієнт інтенсивності долає силу світлового тиску.
Детальніший аналіз, проведений Ешкіном, базується на двох механізмах, дія яких залежить від розміру частинки. З теорії розсіювання відомо, що частинка в повітрі, залежно від свого розміру, розсіює світло по-різному. Якщо розмір розсівних частинок набагато менший, ніж довжина хвилі світла, це розсіювання називають релеївським (від імені британського фізика лорда Релея). Релеївське розсіювання зростає із збільшенням частоти електромагнітної хвилі, тому при розсіюванні білого світла розсіяне світло матиме блакитний відтінок. Відповідно світло, яке проходить прямо має червоний відтінок. Цей ефект спричиняє червоні барви заходу сонця і блакитний колір неба. Коли світло розсіюється на частинках (пил, дим, водяні крапельки), розмір яких більший, ніж довжина хвилі світла, закони розсіювання складніші. В загальному випадку задачу про розсіювання світла сферою, незалежно від розмірів сфери, розв'язав німецький фізик Густав Мі. Розсіюванням Мі пояснюють білизну хмар.
Використовуючи ці ідеї, Ешкін запропонував аналізувати оптичне мікроманіпулювання двома окремими методами, а саме, підходом фізичної оптики для великих частинок (діаметр частинки d > λ, де λ — довжина хвилі світла) і наближенням електричного диполя для релеївських частинок (d < λ).
Фізична оптика
Підхід хвильової оптики до процесів заломлення і відбиття світла від мікросфери дозволяє проаналізувати втягування в оптичну пастку (див. малюнок).
Найпростіше зрозуміти сили, які діють на мікроскопічну частинку з боку сфокусованого променя, можна використовуючи принципи геометричної оптики. Попадаючи на частинку промінь відбивається і заломлюється. При цьому змінюється напрям його руху, а отже й імпульс фотонів. За законом збереження імпульсу, зміна імпульсу передається частинці.
Використовуючи просту діаграму променів і розглядаючи напрямки імпульсів відбитих і заломлених променів, можна помітити, що на мікросферу діють дві різні оптичні сили. Як видно з діаграми, результуюча сила тягне сферу в напрямку області найвищої інтенсивності променя. Цю силу називають градієнтною. Крім того, на сферу діє світловий тиск, штовхаючи її в напрямку падіння променя.
У своєму першому експерименті Ешкін використав міліватний гаусівський пучок одномодового (TEM00) аргонового лазера з довжиною хвилі 514,5 нм, сфокусованого в пляму діаметром w0 = 6,2 мкм. Він рухав за допомогою цього пучка латексні кулі діаметром 0,51; 1,31 і 2,68 мкм у воді й повітрі. Для куль радіусом r = 1,31 мкм, поміщених у воду, за потужності лазера P = 19 мВт швидкість куль досягала 26 мкм/с. А з оцінки за формулою
де q — частка світла, ефективно відбитого від сфери (0,062), c — швидкість світла, η — динамічна в'язкість рідини (1 мПа·с для води) виходить 29 мкм/с. А відповідна сила, що діє на частинку, виходить із закону Стокса
і становить 730 фН.
У повітрі найбільша швидкість крапель води діаметром 5 мкм за потужності лазера 50 мВт склала 0,25 см/c.
Щоб досліджуваний об'єкт залишався нерухомим, необхідно скомпенсувати силу, зумовлену тиском світла. Це можна зробити, використовуючи два зустрічні пучки світла, які штовхатимуть кулю в протилежних напрямках, або за допомогою сильно сфокусованого гаусівського пучка (з високою числовою апертурою, NA>1.0). В цьому випадку світловий тиск компенсується високою градієнтною силою.
З іншого боку, в релеївському режимі, форма частинок несуттєва. Взагалі, для найменших частинок потрібна найменша сила притягання. В більшості випадків, для пояснення робочого механізму оптичного пінцета для будь-якої форми частинок застосовують модель наведеного диполя. Електромагнітна хвиля індукує диполь, або поляризацію, в діалектичній частинці. Сила взаємодії цього диполя зі світлом спричиняє виникнення градієнтної сили притягання.
Детальніше про прилад із оптичною пасткою в лабораторії Стівена Блока можна дізнатися на сайті Стенфордського університету.
Наближення електричного диполя У випадках, коли діаметр спійманої в пастку частинки значно менший, ніж довжина хвилі світла, умови задовольняють умову розсіювання Релея, і частинку можна розглянути як точковий диполь у неоднорідному електромагнітному полі. Сила, що діє на заряджену частинку в електромагнітній області, відома як сила Лоренца:
Сила, що діє на диполь, обчислюється за сумою сил, що діють на окремі заряди.: ,
Через невелику відстань між зарядами в диполі можна розкласти напруженість електричного поля поблизу першого заряду:
Зауважте, що скорочується. Розкриваючи дужки та замінюючи добуток заряду на відстань поляризацією диполя , маємо
де у другій рівності припущено, що поляризація частинки є лінійною функцією напруженості електричного поля (тобто ).
Якщо тепер скористатися рівнянням із векторного аналізу
і одним із рівнянь Максвелла,
отримаємо
Другий доданок в останній рівності — похідна за часом величини, яка пов'язана через сталий множник із вектором Пойнтінга, який описує потужність випромінювання, що проходить через одиничну площу. Припускаючи, що потужність лазера не залежить від часу, похідна цього доданку — нуль, і сила запишеться якGordon J. P. Radiation forces and Momenta in Dielectric Media Phys. Rev. A 8, 14 (1973) .
Квадрат величини напруженості електричного поля дорівнює інтенсивності променя як функції координат. Тому результат вказує, що сила, яка діє на діелектричну частинку, в наближенні точкового диполя, пропорційна градієнту інтенсивності пучка. Інакше кажучи, описана тут сила приводить до тяжіння частинки в область з найвищою інтенсивністю. Насправді сила, що виникає при розсіюванні світла залежить лінійно від інтенсивності променя, поперечного перерізу частинки і показника заломлення середовища, в якому міститься пастка (наприклад, вода), діє проти градієнтної сили в напрямі осі пастки, приводячи до деякого зміщення вниз від положення максимуму інтенсивності.
Наближення гармонічного потенціалу Корисний спосіб вивчити взаємодію атома з пучком Гаусса — наближення гармонійного потенціалу профілю інтенсивності, який діє на атом. У випадку дворівневого атома цей потенціал пов'язаний із його ,
де — природна ширина лінії збудженого стану, — електричний дипольний зв'язок, — частота переходу, — розладування або різниця між частотою лазера та частотою переходу.
Інтенсивність профілю гаусового променя характеризується довжиною хвилі , найменшим звуженням і потужністю променя . Профіль променя визначають такі формули:
Щоб апроксимувати цей гаусівський потенціал як у радіальному, так і в осьовому напрямках променя, профіль інтенсивності слід розширити до другого порядку за і для і відповідно і прирівняти до гармонічного потенціалу . Ці розширення оцінюються за умови фіксованої потужності.
Це означає, що при розв'язанні для гармонійних частот (або частот пасток, коли розглядаються оптичні пастки для атомів), частоти подано як:
так що відносні частоти захоплення для радіального та осьового напрямків як функція лише звуження променя, як:
Оптична левітація Щоб підняти частинку в повітрі, спрямованій вниз силі тяжіння мають протидіяти сили, що виникають від передання імпульсу фотона. Як правило, тиск фотонного випромінювання сфокусованого лазерного променя достатньої інтенсивності протидіє спрямованій вниз силі тяжіння, а також запобігає латеральній (з боку в бік) і вертикальній нестабільності, створюючи стабільну оптичну пастку, здатну утримувати дрібні частинки в завислому стані.