Szczypce optyczne
Szczypce optyczne, także pęseta optyczna – urządzenie wykorzystujące promień lasera do manipulacji bardzo małymi obiektami (o rozmiarach rzędu od 0,4 do 20,0 mikrometrów).
Historia
edytujW 1969 Arthur Ashkin opublikował doniesienie, że działając laserem na mikroobiekty można nadawać im przyśpieszenie[1]. W 1986 Ashkin po raz pierwszy zademonstrował szczypce optyczne[2]. Za to odkrycie i prace z nim związane, w 2018 otrzymał Nagrodę Nobla[3]. W latach 90. XX wieku pojawiły się pierwsze modele komercyjne[4]. Na początku XXI wieku urządzenie rozpowszechniło się i jest używane w wielu dziedzinach nauk[5].
Zasada działania
edytujDo utworzenia szczypiec optycznych używany jest laser o długości fali świetlnej dużo większej niż średnica badanego obiektu (podczerwień lub światło widzialne), o gaussowskim gradiencie światła (natężenie światła największe jest w centrum wiązki). Promień ten jest przepuszczony przez soczewkę wypukłą, której ognisko znajduje się w płaszczyźnie próbki. Padające na obiekt światło zostaje załamane i biegnie w innym kierunku niż pierwotnie. Ponieważ zmienił się wektor pędu światła, więc oddziałuje ono na obiekt (zgodnie z III zasadą dynamiki), nadając mu przyśpieszenie w kierunku ogniska soczewki. W podobny sposób gradientowość wiązki światła powoduje, że cząsteczka jest utrzymywana w osi wiązki światła[4].
Tak unieruchomioną cząsteczkę można obserwować za pomocą mikroskopu.
Dalsze możliwości daje wyposażenie urządzenia w możliwość sterowania wiązką lasera i jej przemieszczania. Powoli przesuwając ognisko można poruszyć złapany obiekt, mierząc siły działające na niego z dokładnością do pikoniutonów (1*10−12 N).
Szybko przemieszczając ognisko można utrzymać w pułapce kilka obiektów w określonych (i dowolnie zmienianych) odległościach od siebie (w tym wypadku ruch wiązki musi być na tyle szybki, aby przejścia między poszczególnymi pozycjami były znacząco krótsze niż czasy zatrzymania w tych punktach)[4]. Większą liczbę obiektów można złapać, używając przestrzennego modulatora optycznego, czyli opartego na ciekłych kryształach „wyświetlacza” hologramów. Odpowiednie hologramy dzielą wiązkę laserową, generując wiele pułapek w płaszczyźnie próbki, umożliwiając manipulowanie każdym złapanym obiektem z osobna[4].
Zastosowanie
edytujMożliwość zatrzymania i obserwacji pojedynczych obiektów tej wielkości oraz pomiarów sił na nie działających pozwala na badania właściwości mechanicznych błon komórkowych czy nici DNA[4], oddziaływań między komórkami zdrowymi a nowotworowymi[5].
Specjalnie zbudowane szczypce optyczne pozwalają na określenie grupy krwi w ciągu kilkunastu sekund[2].
Oprócz możliwości zatrzymania lub poruszania tak małych obiektów szczypce optyczne mają dodatkowe zalety. Dzięki użyciu światła, a nie elementów mechanicznych proces jest sterylny i nieinwazyjny. Siły działające na obiekty utrzymywane w pułapkach mogą być określone z dokładnością do pikoniutonów, co pozwala zredukować niebezpieczeństwo mechanicznego uszkodzenia badanych obiektów[5][4].
Przypisy
edytuj- ↑ Arthur Ashkin , Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure, „Physical Review Letters”, 24 (4), 1970, s. 156–159, DOI: 10.1103/PhysRevLett.24.156 [dostęp 2018-10-03] (ang.).
- ↑ a b Jermey N.A. Matthews. Commercial optical traps emerge from biophysics labs. „Physics Today”, s. 26, 2009-02. American Institute of Physics. (ang.).
- ↑ The Nobel Prize in Physics 2018. Nobel Media AB, 2018-10-02. [dostęp 2018-10-04]. (ang.).
- ↑ a b c d e f Marcin Bacia, Sławomir Drobczyński, Jan Masajada, Marta Kopaczyńska. Pęseta optyczna jako narzędzie współczesnej bioinżynierii Optical tweezers as a tool of modern bioengineering. „Acta Bio-Optica et Informatica Medica. Inżynieria Biomedyczna”. 19, s. 114–122, 2013. Indygo Zahir Media ; Polskie Towarzystwo Inżynierii Biomedycznej. ISSN 1234-5563. (pol.).
- ↑ a b c Zbigniew Wojtasiński: Dr Drobczyński: Nobel za pęsetę optyczną jak najbardziej zasłużony. Nauka Polska, 2018-10-03. [dostęp 2018-10-04]. (pol.).