ТОЧНЫЙ АТОМНЫЙ ПИНЦЕТ - Студенческий научный форум

XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

ТОЧНЫЙ АТОМНЫЙ ПИНЦЕТ

Воронина А.Д. 1, Попова А.В. 1
1Дальневосточный государственный университет путей сообщения
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Появление технологии оптического пинцета стало причиной быстрого развития некоторых областей науки, начиная от биологии и заканчивая квантовой оптикой. За разработку сверхточного оптического пинцета его создатель Артур Эшкин был в 2018 году удостоен Нобелевской премии по физике с формулировкой «за оптический пинцет и его приложение к биологическим системам». Разработанная технология захвата и перемещения сверхмелкими объектами, в том числе клетками получила большую популярность. Однако, у этой технологии имеется существенное ограничение, с ее помощью невозможно захватить в ловушку и удерживать там объекты, размеры которых меньше нескольких сотен нанометров. Этот недостаток послужил причиной появления множества других технологий нано-пинцетов, в частности, использующих для создания ловушки плазмоны. Силовые поля, генерируемые плазмонами, способны удерживать в ловушке столь крошечные объекты, как молекулы белков или наночастицы других типов, не нагревая и не разрушая их структуры.

Ключевым прорывом, позволившим при помощи оптических пинцетов манипулировать нано размерными объектами, стало использование принципов плазмоники. Плазмоника – это область, в которой используются свойства плазмонов, колеблющихся облаков свободных электронов, образующихся на поверхности некоторых металлов при освещении их светом с определенными параметрами.

Плазмонныенанопинцеты работают за счет сил, источником которых является электромагнитное поле, создаваемое колебаниями плазмонов, возникающих на поверхности наноструктур, освещаемых светом лазера. Главным недостатком такого подхода является то, что эти наноструктуры обычно создаются на поверхности металлического основания и плазмонныенанопинцеты могут эффективно действовать только в небольшом объеме пространства.

Альтернативным вариантом является использование плазмонных пинцетов – принцип работы которых основывается на использовании металлических нано размерных структур, позволяющих концентрировать энергию в субволновых масштабах и удерживать частицы размеры, которых много меньше размеров дифракционного пределе оптических пинцетов. Металические структуры, так называемые плазмонные концентраторы, обычно фиксируются, что затрудняет их использование при захвате и манипулировании движущимися объектами или манипулировании объектами в жидкой среде.

Решение этих затруднений было получено исследовательской группой Индийского института науки (IIS), в работах которой предложена конструкция комбинированного плазмонного пинцета, в котором пинцет выполнен в виде металлических нанодисков расположенных на поверхности стеклянного шара, вращение которого можно контролировать с помощью обычных оптических пинцетов. Исследователи предполагают, что предложенная схема сверхточного пинцета может найти применение, например, в области создания различных нано материалов в устройствах вида «лаборатория на кристалле».

Принцип работы плазмонного пинцета в общем виде не отличается от принципов работы традиционного оптического пинцета – захват частиц осуществляется воздействиями, которые генерируются электромагнитными полями световые волн. Конструктивные особенности плазмонных пинцетов позволяют сконцентрировать силовые воздействия на значительно меньших чем у оптических пинцетов масштабах.

Плазмонный пинцет можно использовать для захвата наночастиц с гораздо меньшей интенсивности воздействия на них, что снижает вероятность фото повреждений, наносимых световыми потоками микроскопическим объектам, например, вирусам.

Основным недостатком плазмонных пинцетов выступает неподвижность металлических структур и их расположение на поверхности камеры, что по сути означает необходимость ожидание для захвата приближения вирусов или коллоидных наночастиц в жидкости, что ограничивает их использование для динамических манипуляций с частицами в жидкости.

В некоторых исследованиях предпринимались попытки по решению данного ограничения, например, использовались оптические пинцеты для перемещения по поверхности камеры металлических наночастиц, таких как серебряные диски, которые сами затем могут выступать в качестве мобильных плазмонных пинцетов для захвата еще более мелких образцов. Однако на этих небольших масштабах длины диски подвергаются воздействию броуновского движения - случайных флуктуаций из-за столкновений с молекулами в окружающей жидкости. Использование обычного оптического пинцета для закрепления дисков на месте в условиях этих колебаний требует высокой энергии, которая может оказывать деструктивные воздействия на исследуемые объекты.

Для решения этих проблем команда Индийского института науки (IIS), в состав которой входили докторантСувик Гош и его научный руководитель Амбариш Гош предложила использовать креплениеметаллическихнанодисков на диэлектрические стрежни больших размеров. Размеры стержней достаточно велики, что бы они оставались неподвижными под воздействием броуновского движения, и достаточно маленькими для возможности их перемещения в пространстве классическим оптическим пинцетом с низкой интенсивностью используемого светового потока.

Таким образом, металлический иск играет роль плазмонного пинцета расположеного на конце диэлектрческого стержня, концентрируя световые волны с низкой интенсивностью излучения для захвата наночастицсубволнового размера.

Исследователи создали платформу для проверки предложеннойконструкции точного пинцета, сначала используя коллоидную литографию и реактивное ионное травление, чтобы создать большое количество кремниевых наностержней, длиной около 2,5 мкм и диаметром 250 нм, на подложке из кремниевых пластин с плотностью около 100 миллионов наностержней на квадратный сантиметр. Затем они нанесли серебро толщиной 50 нм на нанопиллары, создав тонкие стеклянные стержни, покрытые дисками серебра размером 250 × 50 нм. После чего полученный массив стержней на подложке был помещен в жидкую среду. отделение Стержней от пластины осуществлялось ультразвуковым методом. Изображение полученной конструкции приведенно на рисунке 1.

Получив в результате раствор с металлическими дисками на стержнях, который команда называет активными коллоидными пинцетами (АКП), Гош и Гош провели испытание полученной системы с помощью пинцета, состоящего из лазерного источника 1064 нм, соединенного с инвертированным оптическим микроскопом с объектив 100 ×, 1,4 NA. Они смогли продемонстрировать захват флуоресцентных наноалмазов диаметром 100 нм, а также захват и манипуляции над флуоресцентными полистирольными шарами диаметром около 200 нм.

Стекло-металлическая гибридная структура мобильных пинцетов позволяет манипулировать частицами с использованием световых волн с интенсивностью излучения на один-два порядка ниже, чем в предыдущих исследованиях, в которых пинцет использовался только для манипулирования нано частицами металлов. В более сложной конфигурации предложенная конструкция точного

пинцета позволила осуществить захват еще более мелких частиц полистиролла размером около 40 нм.

Рисунок 1 – Конструкция плазмонного пинцета.

Вверху: массив выращенных кремниевых наностержней на подложке пластины, масштабная линейка = 500 нм. 

Внизу: изображение, полученное методом просвечивающего электронного микроскопа (PEM) одной частицы активного коллоидного пинцета (AКП), включая наностержень из диоксида кремния исеребрянныйнанодиск, масштабная линейка = 300 нм.

Помимо возможности захвата и перемещения наночастиц с помощью низкоинтенсивных световых потоков, рассматриваемая конструкция плазмонного пинцета позволяет активно манипулировать ими в микрофлюидынх камерах с использованием только оптического излучения. Эта особенность позволяет использовать пинцет для перемещения коллоидных частиц субволновых размеров на стандартных платформах «лаборатория на кристалле» с использованием оптических пинцетов.

Технология может использоваться для создания нанокристаллов, флуоресцентных наноалмазов и квантовых точек, и позволяет неинвазивные манипуляции с хрупкими биообразцами, такими как бактерии, вирусы и различные макромолекулы

Список литературы:

1) Наноплазмоника. / Климов В. В. Москва: Физматлит, 2009. 480 с.

2) Shevchenko Y. Y., Albert J. Plasmon resonances in gold-coated tilted fiber Bragg gratings // Optics Letters. 2007. V. 32, No 3.

3) Виноградов А. П., Андрианов Е. С., Пухов А. А., Дорофеенко А. В., Лисянский А. А. Квантовая плазмоника метаматериалов: перспективы компенсации потерь при помощи спазеров // Успехи физических наук. 2012. T. 182, No 10.

 
Просмотров работы: 28