XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Введение.

Ещё в 18 веке, И. Кеплер, предположил, что свет может оказывать давление на вещество. Позже выяснилось, что это не единственный механизм такого отклонения. Было показано, что световое давление — один из самых главных механизмов, которые отвечают за динамику частиц в пространстве.

Через два столетия после исследований Кеплера, Максвелл рассчитал значение светового давления. Этот эффект был экспериментально измерен в 1910 году российским физиком П. Лебедевым, который продемонстрировал, что свет оказывает давление на тела.

Много позже Ашкин и коллеги сообщили о первом наблюдении того, что в настоящий момент называется оптической ловушкой.

Подобный принцип используется и для лазерного охлаждения — метода, который позволил довести температуру атомов в оптической ловушке до наименьших значений, недосягаемых другими средствами. Метод этот был предложен советским физиком Летоховым в 1968 году и реализован той же группой Ашкина в 1978 году.

В 1980-х годах С. Блок и Г. Берг впервые применили технологию оптического пинцета в биологии, используя её, с целью изучения бактерий.

Молекулярные моторы встречаются повсеместно в биологии, и отвечают за движение клеток, изменение их формы. Оптические ловушки позволили наблюдать силы и динамику молекулярных моторов на примере одной молекулы.

Оптический пинцет оказался полезными также и в других областях биологии. Например, в 2003 году метод оптического удержания был использован для сортировки клеток.

Разработка оптического пинцета относится преимущественно к области вспомогательных репродуктивных технологий и к подразделу эмбриология. Значит с помощью данного устройства мы можем решать несколько биологических задач. Поговорим поподробнее о составе, а также о способах применения.

Основные понятия.

Оптический прибор, позволяющий удерживать и перемещать в пространстве микро- и наноразмерные объекты, захваченные в перетяжку (фокус) лазерного луча. Оптический пинцет или оптическая ловушка, это сфокусированное лазерное излучение, только гораздо меньшей мощности, длина волны излучения подбирается таким образом, чтобы биологический объект был прозрачен на этой длине волны, то есть, чтобы излучением не поглощалось. И работает это следующим образом, если мы возьмем биологический объект, клеточку, которые являются нашей прозрачной частичкой, и поместим ее в сходящийся лазерный пучок (сфокусированный пучок), важный пучок у нас будет представлен двумя лучами - левый и правый. После прохождения сквозь частичку они преломятся, и каждый пойдет по своему направлению. Если частичка находится в центре лазерного пучка, то за счет того, что у нас изменилось направление распространения луча левого и правого, то по закону сохранения импульса возникает сила, действующая в ту же сторону, что и изменение направления. Так вот если частичка находилась в центре пучка, то равнодействующая этих двух сил равна нулю и никакого действия на частичку не оказывается, если же мы сместим лазерный хочет так, что частичка окажется вне оси лазерного луча, то возникнут результирующая сила, которая заставит частичку сместится в направлении оси лазерного луча. Таким образом, перемещая лазерный луч, мы можем заставить частичку следовать за ним, это удивительное явление было открыто около 50 лет назад и нашло широкое распространение в биологии, поскольку это удобный бесконтактный инструмент для работы с биологическими объектами, в частности с клетками и даже внутриклеточными структурами.

Применение оптического пинцета

Помимо эмбриологии, оптический пинцет может применяться для сортировки каких-то клеток, для изоляции, для того чтобы взять, рассмотреть, повернуть клетку таким образом, каким это удобно исследователю. Сейчас мы решаем еще одну задачу, это исследование транспортных свойств внутри клетки, то есть мы захватываем отдельные органеллы, это элементы клетки и смотрим, как устроена транспортная система внутри клеток, транспортные белки, которые перемещают. Если говорить о применении нашей системы - оптический пинцет, то помимо эмбриологии существует на самом деле очень широкий круг задач, где он может быть применен, это универсальный прибор, который позволяет выполнять функции скальпеля удаленно, с живыми объектами, то есть в тех случаях, когда вам нужно сформировать маленькую перфорацию в мембране клетки, например это задачи трансфекции - это помещение генетического материала внутрь клетки для перекодирования, это создание гибридов клеточных, когда вы берете две клетки, например с помощью двух оптических пинцетов, подводя их вместе, у вас образуется области прикосновения, если вы воздействуете лазерным импульсом скальпеля в это место, то у вас в обоих клеточках образуются локальной перфорации, то есть отверстие. И мембрана замыкается уже не каждая на свою клеточку, а замыкается друг на друга. Таким образом, у нас получается гибридная клетка с двумя ядрами.

Существует несколько методов применения. Механические методы, то есть когда специалист использует стеклянные пипетки и иглы, и механически повреждает эту защитную оболочку. Химические методы, то есть когда капается специальный химический раствор, который разъедает локально эту оболочку, но который нужно впоследствии смывать.

У всех этих методов существует ряд существенных недостатков, таких как невозможность полной автоматизации данных процедур, зависимость от квалификации специалиста, потому что он несет очень большую ответственность и соответственно нельзя до конца исключить риск повреждения самого вибриона механическим или химическим путем, а также риском заражения. Некоторые ученые предлагают выполнить данную процедуру бесконтактным способом с помощью лазерного излучения, в этом суть лазерного скальпеля.

Они фокусируют лазерное излучение и в области контакта, в области фокусировки, они делают надрез этой защитной оболочки. 2 процедура, биопсия. Многие мамы хотят быть уверены, что их ребенок впоследствии не будет иметь каких-то генетических отклонений и очень часто до подсадки эмбриона, маме проводится процедура генетической диагностики, для этого часть клеточек забирается и собственно проводится упомянутая диагностика.

Принцип работы

Принцип работы оптического пинцета состоит в том, что прозрачные микрочастицы, по размерам больше длины волны падающего света, одновременно отражают и преломляют свет лазера, что приводит, к возникновению силы отталкивания частиц в направлении от источника света. При помещении частицы в фокус луча лазера эти силы уравновешиваются, и частица попадает в ловушку. Ее смещение от этого положения вызывает появление дополнительной силы, возвращающей частицу обратно. Диэлектрические частицы размером меньше длины волны лазерного излучения также захватываются хорошо сфокусированным лазерным лучом. Их поведение объясняется с точки зрения теории электромагнетизма. Диэлектрические частицы поляризуются в негомогенном электрическом поле лазерного луча и смещаются к оси луча, где напряженность поля максимальна. Открытие Эшкина катализировало развитие целого направления оптической манипуляции микрообъектами и разработку новых видов оптических ловушек. В современных оптических ловушках и пинцетах используется один или несколько лазеров и акустооптические преобразователи, позволяющие создавать стационарные и подвижные ловушки и работать с несколькими объектами сразу. С помощью таких приборов стало возможным измерить силу, развиваемую одиночными молекулами молекулярных моторов, таких, как миозин и кинезин, а также элементарные шаги, которые делают эти молекулы при двигательном акте. Благодаря способности манипулировать субмикроскопическими объектами вплоть до атомов и измерять пиконьютонные силы и нанометровые перемещения, оптический пинцет рассматривается как один из важнейших инструментов для нано-технологий.

Список литературы.

1. Оптический пинцет [Электронный ресурс] // Википедия - свободная энциклопедия. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Оптический_пинцет/ [18 декабря 2020].

2. Третьяков Ю.Д Нанотехнологии. Азбука для всех. 2008 М.: Физматлит, 2008 г., 368 с.

3. https://obuchalka.org/2013011769247/nanotehnologii-azbuka-dlya-vseh-t

4. INFO-FARM.RU (полезное о медицине ) https://info-farm.ru/alphabet_index/o/opticheskijj-pincet.html

5. Пермский политех научная литература http://lib.pstu.ru/readers/