Оптические микроманипуляторы

В последнем выпуске журнала Nature Photonics появилась небольшая подборка статей по манипулированию микрочастиц лазерными лучами. Все статьи находятся в свободном доступе, по крайней мере сейчас.

Вот краткое описание.

Ключевой инструмент в этой области — так называемый оптический пинцет, узко сфокусированный лазерный луч, в фокусе которого удерживается микрочастица, отдельные молекулы или много молекул. Держатся они в фокусе самостоятельно за счет того, что в неоднородном световом поле возникают силы, втягивающие диэлектрические частички в область самого сильного поля. С отдельными атомами, правда, ситуация посложнее, нужна четкая подстройка частоты лазера под резонанс, а также требуется охладить атомы, чтоб они не вылетали из оптической потенциальной ямы.

Придумал оптический пинцет Артур Ашкин (в подборке есть интервью с ним) в 1978 году, реализован он был в 1986. Дальнейшее развитие этой методики привело как минимум к двум нобелевским премиям: премия 1997 года за охлаждение и удерживание атомов в оптической ловушке и премия 2001 года за создание атомных бозе-конденсатов.

Как только оптический пинцет был создан, его сразу же применили в биофизике. В фокусе лазерного луча можно удерживать живые клетки или даже отдельные биологически важные молекулы. Их можно двигать, вращать, раздвигать в стороны (двумя лучами), удерживать против течения жидкости и т.д. Более того, утверждается даже, что можно манипулировать отдельными органеллами внутри клеток — получается этакая внутриклеточная хирургия!

Эксперимент по растягиванию молекулы ДНК и график силы в зависимости от длины растяжения. Изображение из Nature Photonics 5, 318–321 (2011).

Такие эксперименты позволяют измерять механические свойства молекул и клеток (в пиконьютоновом диапазоне сил), изучать исчезновение и формирование структуры при распутывании и спутывании длинных молекул под нагрузкой, и так далее. И причем всё это делается не на подложке, не с помощью механических контактов, а буквально в подвешенном состоянии. Сейчас эти биофизические применения оптического пинцета дошли до такой стадии, что удается управлять смещением молекул с точностью в ангстремы и, к примеру, чувствовать отдельные шаги длиной 3,4А, которые делает РНК-полимераза при своем движении вдоль спирали ДНК. Всем этим достижениям посвящен обзор Optical tweezers study life under tension из подборки.

Кроме непосредственно прикладного применения, изучаются и развиваются дополнительные возможности оптических пинцетов, связанные с тонкой настройкой амплитудного и фазового распределения световой волны вблизи фокуса. Вот только один пример, описанный в обзоре Shaping the future of manipulation. Существуют так называемые бездифракционные пучки, в которые центральная яркая сердцевина тянется на ненормально длинные дистанции без дефокусировки. В простейшем случае (бесселевы пучки) эта сердцевина прямая, но есть и более хитрые пучки, в которых сердцевина кривая, в пучках Эйри, например, она имеет форму параболы. Более того, буквально на днях в PRL появилась статья, в которой утверждается, что этой сердцевине можно придать форму произвольной выпуклой кривой!

Получение и распространение некоторых бездифракционных пучков: вверху бесселев пучок, внизу — пучок Эйри. Яркая сердцевина идет практически без дефокусировки. Изображение из Nature Photonics 5, 335–342 (2011).

Так вот, если это реализовать, то захваченная в яркий канал частица будет переноситься вдоль него, не уходя в сторону. Это позволит бесконтактно(!) перемещать клетки на расстояния в миллиметры, заставляя их проходить через разные камеры автоматического микрофлюидного устройства и подвергаться разным воздействиям.

Еще одно направление развития оптических пинцетов — использование лазерного луча с орбитальным угловым моментом, про который я тут недавно рассказывал. Этой теме посвящен обзор Tweezers with a twist. Такие лучи полезны тем, что они позволяют контролировать вращение частиц, а также позволяют удерживать их не в точке, в вдоль кольца.

Наконец, в подборке есть еще статьи про плазмонные и про оптоэлектронные пинцеты.