XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Оптический пинцет - это техника манипулирования микроскопическими объектами с помощью лазерного луча. Оптический пинцет использует силу радиационного давления излучения для удержания и перемещения маленьких объектов, таких как бактерии, клетки или наночастицы. Эта техника широко используется в биологии, физике и других научных областях для исследования и манипулирования микроскопических объектов.

 

В 18 веке И. Кеплер выдвинул гипотезу о том, что свет может оказывать давление на вещество. Позже было установлено, что это не единственный механизм, способный вызывать подобное отклонение. Было доказано, что световое давление - один из основных факторов, определяющих движение частиц в пространстве.

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

Впоследствии А. Ашкин и его коллеги сделали первое наблюдение оптической ловушки, что в настоящее время является важным достижением. Тот же принцип используется для лазерного охлаждения, метода, который позволяет достигнуть наименьших измеримых температур атомов в оптической ловушке. Советский физик В.С. Летохов предложил этот метод в 1968 году, и группа А. Ашкина успешно реализовала его в 1978 году.

В 1980-х годах С.Блок и Г.Берг впервые применили технологию оптического пинцета в биологии для изучения бактерий. Оптические ловушки позволили наблюдать силы и динамику молекулярных моторов на примере одной молекулы, что имеет широкое применение в биологии. Например, в 2003 году метод оптического удержания был использован для сортировки клеток. Оптический пинцет является важным инструментом в области вспомогательных репродуктивных технологий и эмбриологии, благодаря которому можно решать различные биологические задачи. Рассмотрим детали состава и способы применения данного устройства подробнее.

Основные понятия.

Оптический пинцет (оптическая ловушка) – оптический прибор, задача которого удерживать и перемещать микро и наноразмерные объекты в пространстве с помощью сфокусированного лазерного излучения. Принцип работы заключается в том, что биологический объект необходимо поместить в сходящийся лазерный пучок. Для работы оптического пинцета, на лазерном оборудовании мы подбираем длину волны таким образом, чтобы объект, на который будет направлен лазер, находясь под волной не поглощал её, но был для неё прозрачен. Таким образом мы получаем два пучка лучей ( левый и правый), эти лучи, проходя через объект преломляются и двигаются в своём направлении. Если объект находится в центре пучка, то изменение направления левого и правого лучей в соответствии с законом сохранения импульса вызывает силу, направленную в ту же сторону, что и изменение направления лучей. Это значит, что находясь в центре пучка, частица не получает никакого воздействия, но если частицу поместить вне центра, то результирующая сила сместит направление оси лазерного луча. Таким образом, перемещая лазерный луч, тем самым мы перемещаем и частицу – этому явлению было найдено широкое применение в биологии, благодаря нему, можно бесконтактно взаимодействовать с клетками.

Рис.1 Схема удержания частицы оптическим пинцетом. Градиент интенсивности излучения затягивает частицу в область перетяжки пучка, тогда как давление света выталкивает ее по направлению оптической оси. Если градиентная сила будет доминировать, частица «поймается» в области точки фокуса.

Применение оптического пинцета

При использовании оптического пинцета, можно бесконтактно переворачивать, сортировать, изолировать и рассматривать клетки. На данный момент исследуют возможность использования оптического пинцета для транспортировки внутри клеток. Кроме эмбриологии, существует возможность использования оптического пинцета как скальпель. Внутрь клетки помещают помещают генетический материал для перекодирования, таким образом мы создаём гибридные клетки – этот процесс называется трансфекцией. Если двумя оптическими пинцетами воздействовать на на клетки и создать область прикосновения, то в клетках образуется отверстие (локальная перфорация), таким образов мембраны замыкаются друг на друге, а не каждая на своей клетке. Исходя из этого – получается гибридная клетка с двумя ядрами.

Существует два основных метода воздействия. Механический – прямое воздействие специалиста, повреждающего защитную оболочку стеклянной пипеткой или иглой. Химический – специальный химический раствор, нанесённый на клетку, разъедает оболочку. Основной недостаток этих методов заключается в том, что в обоих случаях необходимые процедуры должен выполнять высококвалифицированный профессионал. Возможность использования оптического пинцета в таких операциях поможет исключить прямой контакт специалиста с клетками, тем самым сократится возможность повреждения и риск заражения. Например, процедура взятия(биопсия), у будущих мам, бластомера, поможет существенно снизить всевозможные риски, при использовании оптического пинцета

Рис.2 схема использования оптического пинцета рнк-полимеразы.

Принцип работы

Принцип работы оптического пинцета основан на свойстве прозрачных микрочастиц отражать и преломлять свет лазера. Это создает силу отталкивания, направленную от источника света. При совпадении фокуса лазерного луча с позицией частицы, эти силы уравновешиваются, и частица попадает в ловушку. Если частица смещается от этого положения, возникает дополнительная сила, возвращающая ее обратно. Диэлектрические частицы, размер которых меньше длины волны лазерного излучения, также могут быть захвачены сфокусированным лазерным лучом. Поведение этих частиц объясняется на основе теории электромагнетизма.

В негомогенном электрическом поле лазерного луча диэлектрические частицы поляризуются и перемещаются к оси луча, где напряженность поля наибольшая. Открытие А.Эшкина стало толчком для развития оптической манипуляции микрообъектами и создания новых оптических ловушек. Современные оптические ловушки и пинцеты используют лазеры и акустооптические преобразователи, позволяя создавать стационарные и подвижные ловушки и работать с несколькими объектами одновременно. Эти приборы позволяют измерять силу, развиваемую молекулярными моторами, такими как миозин и кинезин, и следить за их элементарными шагами в процессе движения. Благодаря возможности манипулировать субмикроскопическими объектами, вплоть до атомного уровня, и измерять крайне малые силы и перемещения, оптический пинцет считается важнейшим инструментом для нанотехнологий.

Таким образом, принцип действия оптического пинцета является результатом взаимодействия лазерного излучения с частицами и обеспечивает возможность захвата и манипулирования микроскопическими объектами. Этот метод нашел широкое применение в научных исследованиях и инновационных технологиях с высокой точностью и уникальными возможностями.

Список литературы.

1. Третьяков Ю.Д Нанотехнологии. Азбука для всех. 2008 М.: Физматлит, 2008 г., 368 с.. 4. Пермский политех научная литература 

2. Ашкин, А. (1992). Воздействие однолучевой градиентной лазерной ловушки на диэлектрическую сферу в режиме лучевой оптики. Биофизический журнал, 61 (2), 569-582.

3. Гриер, Д. Г. (2003). Революция в оптических манипуляциях. Nature, 424 (6950), 810-816.

4. Нейман К. С. и Блок С. М. (2004). Оптический захват. Обзор научных приборов, 75 (9), 2787-2809.

5. Марго, О. М., Джонс, П. Х., Гвиччарди, П. Г., Вольпе, Г. и Феррари, А. С. (2013). Оптический захват и манипулирование наноструктурами. Природные нанотехнологии, 8 (11), 807-819.

6. Гак Дж., Анантакришнан Р., Садеги Х. и Брэди Дж. П. (2017). Оптический растяжитель: новый лазерный инструмент для микроманипуляции клеток. Биофизический журнал, 81 (2), 767-784.

Код для цитирования: Скопировать