Оптический пинцет

Оптические пинцеты (первоначально называвшиеся однолучевой градиентной силовой ловушкой ) — это научные приборы , которые используют высокосфокусированный лазерный луч для удержания и перемещения микроскопических и субмикроскопических объектов, таких как атомы , наночастицы и капли, способом, аналогичным пинцету . Если объект удерживается в воздухе или вакууме без дополнительной поддержки, это можно назвать оптической левитацией .

Лазерный свет обеспечивает притягивающую или отталкивающую силу (обычно порядка пиконьютонов ), в зависимости от относительного показателя преломления между частицей и окружающей средой. Левитация возможна, если сила света противодействует силе гравитации . Захваченные частицы обычно имеют микронный размер или даже меньше. Диэлектрические и поглощающие частицы также могут быть захвачены.

Оптические пинцеты используются в биологии и медицине (например, для захвата и удержания отдельной бактерии , клетки , такой как сперматозоид или клетка крови , или молекулы, такой как ДНК ), наноинженерии и нанохимии (для изучения и создания материалов из отдельных молекул ), квантовой оптике и квантовой оптомеханике (для изучения взаимодействия отдельных частиц со светом). Разработка оптического пинцета Артуром Эшкиным была отмечена Нобелевской премией по физике 2018 года .

История и развитие

Об обнаружении оптического рассеяния и градиентных сил на частицах микронного размера впервые сообщил в 1970 году Артур Эшкин, ученый, работающий в Bell Labs . ^[1] Спустя годы Эшкин и его коллеги сообщили о первом наблюдении того, что сейчас обычно называют оптическим пинцетом: плотно сфокусированный луч света, способный удерживать микроскопические частицы стабильными в трех измерениях. ^[2] В 2018 году Эшкин был удостоен Нобелевской премии по физике за эту разработку.

Один из авторов этой основополагающей статьи 1986 года, Стивен Чу , продолжил использовать оптический пинцет в своей работе по охлаждению и захвату нейтральных атомов. ^[3] Это исследование принесло Чу Нобелевскую премию по физике 1997 года вместе с Клодом Коэном-Тануджи и Уильямом Д. Филлипсом . ^[4] В интервью Стивен Чу рассказал, как Эшкин впервые представил себе оптический пинцет как метод захвата атомов. ^[5] Эшкин мог захватывать более крупные частицы (от 10 до 10 000 нанометров в диаметре), но именно Чу пришлось распространить эти методы на захват нейтральных атомов (диаметром 0,1 нанометра) с помощью резонансного лазерного света и магнитной градиентной ловушки (ср. Магнитооптическая ловушка ).

В конце 1980-х годов Артур Эшкин и Джозеф М. Дзеджич продемонстрировали первое применение этой технологии в биологических науках, используя ее для захвата отдельного вируса табачной мозаики и бактерии Escherichia coli^{. [6]} На протяжении 1990-х годов и позже такие исследователи, как Карлос Бустаманте , Джеймс Спудич и Стивен Блок, были пионерами в использовании оптической силовой спектроскопии ловушек для характеристики биологических двигателей молекулярного масштаба. Эти молекулярные двигатели повсеместно распространены в биологии и отвечают за передвижение и механическое действие внутри клетки. Оптические ловушки позволили этим биофизикам наблюдать силы и динамику наномоторов на уровне отдельных молекул ; с тех пор оптическая силовая спектроскопия ловушек привела к более глубокому пониманию стохастической природы этих молекул, генерирующих силу.

Оптические пинцеты также оказались полезными в других областях биологии. Они используются в синтетической биологии для создания тканеподобных сетей искусственных клеток ^[7] и для слияния синтетических мембран ^[8] для инициирования биохимических реакций. ^[7] Они также широко используются в генетических исследованиях ^[9] и исследованиях структуры и динамики хромосом. ^[10] В 2003 году методы оптических пинцетов были применены в области сортировки клеток; создавая большой рисунок оптической интенсивности на площади образца, клетки можно сортировать по их внутренним оптическим характеристикам. ^[11]^[12] Оптические пинцеты также использовались для исследования цитоскелета , измерения вязкоупругих свойств биополимеров ^[13] и изучения подвижности клеток . Биомолекулярный анализ, в котором кластеры наночастиц, покрытых лигандом, одновременно оптически улавливаются и оптически обнаруживаются после кластеризации, вызванной целевой молекулой, был предложен в 2011 году ^[14] и экспериментально продемонстрирован в 2013 году ^[15].

Оптические пинцеты также используются для захвата охлажденных лазером атомов в вакууме, в основном для приложений в квантовой науке. Некоторые достижения в этой области включают захват одного атома в 2001 году, ^[16] захват двумерных массивов атомов в 2002 году, ^[17] захват сильно взаимодействующих запутанных пар в 2010 году, ^[18]^[19]^[20] захват точно собранных двумерных массивов атомов в 2016 году ^[21]^[22] и трехмерных массивов в 2018 году. ^[23]^[24] Эти методы использовались в квантовых симуляторах для получения программируемых массивов из 196 и 256 атомов в 2021 году ^[25]^[26]^[27] и представляют собой многообещающую платформу для квантовых вычислений. ^[17]^[28]

Исследователи работали над тем, чтобы превратить оптические пинцеты из больших и сложных инструментов в более мелкие и простые, которые можно было бы использовать тем, у кого бюджет на исследования меньше. ^[3]^[29]

Физика

Общее описание

Оптические пинцеты способны манипулировать диэлектрическими частицами нанометрового и микронного размера и даже отдельными атомами, прилагая чрезвычайно малые силы с помощью высокосфокусированного лазерного луча. Луч обычно фокусируется, направляя его через объектив микроскопа . Вблизи самой узкой точки сфокусированного луча, известной как перетяжка луча , амплитуда колеблющегося электрического поля быстро меняется в пространстве. Диэлектрические частицы притягиваются вдоль градиента к области самого сильного электрического поля, которая является центром луча. Лазерный свет также имеет тенденцию прилагать силу к частицам в луче вдоль направления распространения луча. Это происходит из-за сохранения импульса : фотоны, которые поглощаются или рассеиваются крошечной диэлектрической частицей, передают импульс диэлектрической частице. Это известно как сила рассеяния и приводит к тому, что частица немного смещается вниз по течению от точного положения перетяжки луча, как показано на рисунке.

Оптические ловушки являются очень чувствительными приборами и способны манипулировать и обнаруживать субнанометровые смещения для субмикронных диэлектрических частиц. ^[30] По этой причине их часто используют для манипулирования и изучения отдельных молекул путем взаимодействия с бусиной, прикрепленной к этой молекуле. ДНК и белки ^[31] и ферменты , которые взаимодействуют с ней, обычно изучаются таким образом.

Для количественных научных измерений большинство оптических ловушек работают таким образом, что диэлектрическая частица редко отходит далеко от центра ловушки. Причина этого в том, что сила, приложенная к частице, линейна по отношению к ее смещению от центра ловушки, пока смещение мало. Таким образом, оптическую ловушку можно сравнить с простой пружиной, которая следует закону Гука .

Подробный вид

Правильное объяснение поведения оптического захвата зависит от размера захваченной частицы относительно длины волны света, используемого для ее захвата. В случаях, когда размеры частицы намного больше длины волны, достаточно простого рассмотрения с точки зрения лучевой оптики. Если длина волны света намного превышает размеры частицы, частицы можно рассматривать как электрические диполи в электрическом поле. Для оптического захвата диэлектрических объектов с размерами в пределах порядка величины длины волны захватывающего луча единственные точные модели включают обработку либо зависящих от времени, либо гармонических во времени уравнений Максвелла с использованием соответствующих граничных условий.

Лучевая оптика

В случаях, когда диаметр захваченной частицы значительно больше длины волны света, явление захвата можно объяснить с помощью лучевой оптики. Как показано на рисунке, отдельные лучи света, испускаемые лазером, будут преломляться при входе и выходе из диэлектрической бусины. В результате луч выйдет в направлении, отличном от того, в котором он возник. Поскольку свет имеет связанный с ним импульс , это изменение направления указывает на то, что его импульс изменился. Из-за третьего закона Ньютона должно быть равное и противоположное изменение импульса частицы.

Большинство оптических ловушек работают с интенсивностью профиля гауссовского пучка (режим TEM ₀₀ ). В этом случае, если частица смещена от центра пучка, как в правой части рисунка, у частицы есть чистая сила, возвращающая ее в центр ловушки, поскольку более интенсивные пучки передают большее изменение импульса к центру ловушки, чем менее интенсивные пучки, которые передают меньшее изменение импульса от центра ловушки. Чистое изменение импульса, или сила, возвращает частицу в центр ловушки.

Если частица расположена в центре пучка, то отдельные лучи света преломляются через частицу симметрично, что приводит к отсутствию чистой боковой силы. Чистая сила в этом случае действует вдоль осевого направления ловушки, что нейтрализует силу рассеивания лазерного света. Аннулирование этой силы осевого градиента с помощью силы рассеивания является причиной того, что шарик стабильно захватывается немного ниже по потоку от перетяжки пучка.

Стандартный пинцет работает с улавливающим лазером, распространяющимся в направлении силы тяжести ^[32] , а перевернутый пинцет работает против силы тяжести.

Приближение электрического диполя

В случаях, когда диаметр захваченной частицы значительно меньше длины волны света, выполняются условия рэлеевского рассеяния , и частицу можно рассматривать как точечный диполь в неоднородном электромагнитном поле . Сила, приложенная к одиночному заряду в электромагнитном поле, известна как сила Лоренца ,

\mathbf {F_{1}} =q\left(\mathbf {E} (\mathbf {x} _{1})+{\frac {d\mathbf {x_{1}} }{dt}}\times \mathbf {B} \right).

Силу на диполе можно рассчитать, подставив два члена для электрического поля в уравнение выше, по одному для каждого заряда. Поляризация диполя равна где - расстояние между двумя зарядами. Для точечного диполя расстояние бесконечно мало , Принимая во внимание, что два заряда имеют противоположные знаки, сила принимает вид $\mathbf {p} =q\mathbf {d},$ $\mathbf {d}$ $\mathbf {x} _{1}-\mathbf {x} _{2}.$

{\begin{aligned}\mathbf {F} &=q\left(\mathbf {E} (\mathbf {x} _{1})-\mathbf {E} (\mathbf {x} _{2})+{\frac {d(\mathbf {x} _{1}-\mathbf {x} _{2})}{dt}}\times \mathbf {B} \right)\\&=q\left(\mathbf {E} (\mathbf {x} _{1})+\left((\mathbf {x} _{1}-\mathbf {x} _{2})\cdot \nabla \right)\mathbf {E} -\mathbf {E} (\mathbf {x} _{1})+{\frac {d(\mathbf {x} _{1}-\mathbf {x} _{2})}{dt}}\times \mathbf {B} \right).\\\end{aligned}}

Обратите внимание, что сокращаются. Умножение на заряд, преобразует положение, , в поляризацию, , $\mathbf {E_{1}}$ $q$ $\mathbf {x}$ $\mathbf {p}$

{\begin{aligned}\mathbf {F} &=\left(\mathbf {p} \cdot \nabla \right)\mathbf {E} +{\frac {d\mathbf {p} }{dt}}\times \mathbf {B} \\&=\alpha \left[\left(\mathbf {E} \cdot \nabla \right)\mathbf {E} +{\frac {d\mathbf {E} }{dt}}\times \mathbf {B} \right],\\\end{aligned}}

где во втором равенстве предполагалось, что диэлектрическая частица линейна (т.е. ). $\mathbf {p} =\alpha \mathbf {E}$

На последних этапах будут использованы два равенства: (1) равенство векторного анализа , (2) закон индукции Фарадея .

$\left(\mathbf {E} \cdot \nabla \right)\mathbf {E} =\nabla \left({\frac {1}{2}}E^{2}\right)-\mathbf {E} \times \left(\nabla \times \mathbf {E} \right)$
$\nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}$

Сначала векторное равенство будет вставлено для первого члена в уравнении силы выше. Уравнение Максвелла будет подставлено для второго члена в векторном равенстве. Затем два члена, которые содержат производные по времени, могут быть объединены в один член. ^[33]

{\begin{aligned}\mathbf {F} &=\alpha \left[{\frac {1}{2}}\nabla E^{2}-\mathbf {E} \times \left(\nabla \times \mathbf {E} \right)+{\frac {d\mathbf {E} }{dt}}\times \mathbf {B} \right]\\&=\alpha \left[{\frac {1}{2}}\nabla E^{2}-\mathbf {E} \times \left(-{\frac {d\mathbf {B} }{dt}}\right)+{\frac {d\mathbf {E} }{dt}}\times \mathbf {B} \right]\\&=\alpha \left[{\frac {1}{2}}\nabla E^{2}+{\frac {d}{dt}}\left(\mathbf {E} \times \mathbf {B} \right)\right].\\\end{aligned}}

Второй член в последнем равенстве — это производная по времени величины, которая связана через мультипликативную константу с вектором Пойнтинга , который описывает мощность на единицу площади, проходящую через поверхность. Поскольку мощность лазера постоянна при дискретизации на частотах, намного превышающих частоту света лазера ~10 ¹⁴ Гц, производная этого члена в среднем равна нулю, и силу можно записать как ^[34]

\mathbf {F} ={\frac {1}{2}}\alpha \nabla E^{2}={\frac {2\pi n_{1}a^{3}}{c}}\left({\frac {m^{2}-1}{m^{2}+2}}\right)\nabla I(\mathbf {r} ),

где во второй части мы включили индуцированный дипольный момент (в единицах МКС) сферической диэлектрической частицы: , где - радиус частицы, - показатель преломления частицы, а - относительный показатель преломления между частицей и средой. Квадрат величины электрического поля равен интенсивности пучка как функции положения. Таким образом, результат показывает, что сила, действующая на диэлектрическую частицу, если ее рассматривать как точечный диполь, пропорциональна градиенту вдоль интенсивности пучка. Другими словами, описанная здесь градиентная сила стремится притянуть частицу в область наибольшей интенсивности. В действительности рассеивающая сила света работает против градиентной силы в осевом направлении ловушки, что приводит к положению равновесия, которое немного смещено вниз по потоку от максимума интенсивности. В приближении Рэлея мы также можем записать рассеивающую силу как $\mathbf {p} =\alpha \mathbf {E} (\mathbf {r} ,t)=4\pi n_{1}^{2}\epsilon _{0}a^{3}(m^{2}-1)/(m^{2}+2)\mathbf {E} (\mathbf {r} ,t)$ $a$ $n_{0}$ $m=n_{0}/n_{1}$

\mathbf {F} _{\text{scat}}(\mathbf {r} )={\frac {k^{4}\alpha ^{2}}{6\pi cn_{0}^{3}\epsilon _{0}^{2}}}I(\mathbf {r} ){\hat {z}}={\frac {8\pi n_{0}k^{4}a^{6}}{3c}}\left({\frac {m^{2}-1}{m^{2}+2}}\right)^{2}I(\mathbf {r} ){\hat {z}}.

Поскольку рассеяние изотропно, чистый импульс передается в прямом направлении. На квантовом уровне мы представляем градиентную силу как прямое рэлеевское рассеяние, в котором идентичные фотоны создаются и уничтожаются одновременно, в то время как в силе рассеяния (излучения) падающие фотоны движутся в одном направлении и «рассеиваются» изотропно. По закону сохранения импульса частица должна накапливать исходные импульсы фотонов, вызывая в последнем прямую силу. ^[35]

Приближение гармонического потенциала

Полезным способом изучения взаимодействия атома в гауссовом пучке является рассмотрение гармонического потенциального приближения профиля интенсивности, испытываемого атомом. В случае двухуровневого атома испытываемый потенциал связан с его AC-штарковским сдвигом ,

\mathbf {\Delta E} _{\text{AC Stark}}={\frac {3\pi c^{2}\Gamma }{2\omega _{0}^{3}\delta }}\mathbf {I(r,z)}

где — естественная ширина линии возбужденного состояния, — электрическая дипольная связь, — частота перехода, — расстройка или разность между частотой лазера и частотой перехода. $\Gamma$ $\mu$ $\omega _{o}$ $\delta$

Интенсивность профиля гауссова пучка характеризуется длиной волны , минимальной талией и мощностью пучка . Следующие формулы определяют профиль пучка: $(\lambda )$ $(w_{o})$ $(P_{o})$

I(r,z)=I_{0}\left({\frac {w_{0}}{w(z)}}\right)^{2}e^{-{\frac {2r^{2}}{w^{2}(z)}}}

w(z)=w_{0}{\sqrt {1+\left({\frac {z}{z_{R}}}\right)^{2}}}

z_{R}={\frac {\pi w_{0}^{2}}{\lambda }}

P_{0}={\frac {1}{2}}\pi I_{0}w_{0}^{2}

Чтобы аппроксимировать этот гауссовский потенциал как в радиальном, так и в аксиальном направлениях пучка, профиль интенсивности должен быть расширен до второго порядка по и для и соответственно и приравнен к гармоническому потенциалу . Эти расширения оцениваются при условии фиксированной мощности. $z$ $r$ $r=0$ $z=0$ ${\frac {1}{2}}m(\omega _{z}^{2}z^{2}+\omega _{r}^{2}r^{2})$

{\frac {1}{2!}}{\frac {\partial ^{2}U}{\partial z^{2}}}{\Biggr |}_{r,z=0}z^{2}={\frac {\alpha }{2\epsilon _{0}c}}{\frac {2P_{0}\lambda ^{2}}{\pi ^{3}w_{0}^{6}}}z^{2}={\frac {1}{2}}m\omega _{z}^{2}z^{2}

{\frac {1}{2!}}{\frac {\partial ^{2}U}{\partial r^{2}}}{\Biggr |}_{r,z=0}r^{2}={\frac {\alpha }{2\epsilon _{0}c}}{\frac {4P_{0}}{\pi w_{0}^{4}}}r^{2}={\frac {1}{2}}m\omega _{r}^{2}r^{2}

Это означает, что при решении задачи о гармонических частотах (или частотах ловушек при рассмотрении оптических ловушек для атомов) частоты определяются как:

\omega _{r}={\sqrt {\frac {4\alpha P_{0}}{\pi \epsilon _{0}cmw_{0}^{4}}}}

\omega _{z}={\sqrt {\frac {2\alpha P_{0}\lambda ^{2}}{m\pi ^{3}\epsilon _{0}cw_{0}^{6}}}}

так что относительные частоты захвата для радиального и осевого направлений как функция только масштаба перетяжки пучка:

{\frac {\omega _{r}}{\omega _{z}}}={\sqrt {2}}{\frac {w_{0}\pi }{\lambda }}

Оптическая левитация

Для того чтобы поднять частицу в воздух, направленная вниз сила гравитации должна быть уравновешена силами, возникающими из передачи импульса фотона . Обычно давление фотонного излучения сфокусированного лазерного луча достаточной интенсивности уравновешивает направленную вниз силу гравитации, одновременно предотвращая боковую (из стороны в сторону) и вертикальную нестабильность, что позволяет создать стабильную оптическую ловушку, способную удерживать мелкие частицы во взвешенном состоянии.

В этом типе эксперимента используются прозрачные диэлектрические сферы микрометрового размера (от нескольких до 50 микрометров в диаметре), такие как сферы из плавленого кварца , капли масла или воды. Лазерное излучение может быть зафиксировано на длине волны , например, как у аргонового ионного лазера или перестраиваемого лазера на красителе . Требуемая мощность лазера составляет порядка 1 Вт, сфокусированного на пятне размером в несколько десятков микрометров. Явления, связанные с резонансами, зависящими от морфологии, в сферической оптической полости изучались несколькими исследовательскими группами.

Для блестящего объекта, такого как металлическая микросфера, стабильная оптическая левитация не была достигнута. Оптическая левитация макроскопического объекта также теоретически возможна, ^[36] и может быть улучшена с помощью наноструктурирования. ^[37]

Материалы, которые были успешно подняты в воздух, включают черный щелок, оксид алюминия, вольфрам и никель. ^[38]

Оптотермический пинцет

В последние два десятилетия оптические силы объединяются с термофоретическими силами, чтобы обеспечить захват при пониженной мощности лазера, что приводит к минимизации повреждения фотонов. Вводя поглощающие свет элементы (частицы или субстраты), создаются микромасштабные температурные градиенты, что приводит к термофорезу . ^[39] Обычно частицы (включая биологические объекты, такие как клетки, бактерии, ДНК/РНК) дрейфуют к холоду, что приводит к отталкиванию частиц с использованием оптического пинцета. Преодолевая это ограничение, для успешного захвата объектов использовались различные методы, такие как формирование пучка и модификация раствора с помощью электролитов и поверхностно-активных веществ ^[40] . Лазерное охлаждение также достигалось с помощью кристаллов фторида иттрия лития, легированных иттербием, для создания холодных пятен с использованием лазеров для достижения захвата с уменьшенным фотообесцвечиванием . ^[41] Температура образца также была снижена для достижения оптического захвата для значительно увеличенного выбора частиц с использованием оптотермического пинцета для приложений доставки лекарств . ^[42]

Настройки

Самая простая установка оптического пинцета, скорее всего, будет включать в себя следующие компоненты: лазер (обычно Nd:YAG ), расширитель пучка, некоторую оптику, используемую для управления положением пучка в плоскости образца, объектив микроскопа и конденсор для создания ловушки в плоскости образца, детектор положения (например, квадрантный фотодиод ) для измерения смещения пучка и источник освещения микроскопа, соединенный с ПЗС-камерой .

Лазер Nd:YAG (длина волны 1064 нм) является распространенным выбором лазера для работы с биологическими образцами. Это связано с тем, что такие образцы (в основном вода) имеют низкий коэффициент поглощения на этой длине волны. ^[43] Низкое поглощение рекомендуется для минимизации повреждения биологического материала, иногда называемого оптикой. Возможно, наиболее важным соображением при проектировании оптического пинцета является выбор объектива. Стабильная ловушка требует, чтобы градиентная сила, которая зависит от числовой апертуры (NA) объектива, была больше силы рассеивания. Подходящие объективы обычно имеют NA от 1,2 до 1,4. ^[44]

Хотя доступны альтернативы, возможно, самый простой метод определения положения заключается в визуализации улавливающего лазера, выходящего из камеры образца, на квадрантном фотодиоде. Боковые отклонения луча измеряются аналогично тому, как это делается с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) .

Расширение луча, испускаемого лазером, для заполнения апертуры объектива приведет к более узкому, ограниченному дифракцией пятну. ^[45] В то время как боковое перемещение ловушки относительно образца может быть достигнуто путем перемещения предметного стекла микроскопа, большинство установок пинцета имеют дополнительную оптику, предназначенную для перемещения луча, чтобы дать дополнительную степень поступательной свободы. Это можно сделать путем перемещения первой из двух линз, обозначенных на рисунке как «Управление лучом». Например, перемещение этой линзы в боковой плоскости приведет к боковому отклонению луча от того, что изображено на рисунке. Если расстояние между линзами управления лучом и объективом выбрано правильно, это будет соответствовать аналогичному отклонению перед входом в объектив и результирующему боковому перемещению в плоскости образца. Положение перетяжки луча, то есть фокуса оптической ловушки, можно отрегулировать путем осевого смещения начальной линзы. Такое осевое смещение приводит к небольшому расхождению или схождению пучка, результатом чего является смещенное в осевом направлении положение перетяжки пучка в камере образца. ^[46]

Визуализация плоскости образца обычно осуществляется посредством освещения через отдельный источник света, подключенный к оптическому пути в противоположном направлении с помощью дихроичных зеркал . Этот свет падает на ПЗС-камеру и может просматриваться на внешнем мониторе или использоваться для отслеживания положения захваченной частицы с помощью видеотрекинга .

Альтернативные режимы лазерного луча

Большинство оптических пинцетов используют обычные гауссовы пучки TEM _00. Однако для захвата частиц использовались и другие типы пучков, включая лазерные пучки высокого порядка, например, пучки Эрмита-Гаусса (TEM _xy ), пучки Лагерра-Гаусса (LG) (TEM _pl ) и пучки Бесселя .

Оптические пинцеты на основе пучков Лагерра-Гаусса обладают уникальной способностью улавливать частицы, которые являются оптически отражающими и поглощающими. ^[47]^[48]^[49] Пучки Лагерра-Гаусса также обладают четко определенным орбитальным угловым моментом , который может вращать частицы. ^[50]^[51] Это достигается без внешнего механического или электрического управления пучком.

Как нулевой, так и более высокий порядок Бесселя также обладают уникальной способностью пинцета. Они могут захватывать и вращать несколько частиц, которые находятся на расстоянии миллиметров друг от друга и даже вокруг препятствий. ^[52]

Микромашины могут приводиться в движение этими уникальными оптическими лучами благодаря их внутреннему вращательному механизму, обусловленному спином и орбитальным угловым моментом света. ^[53]

Мультиплексные оптические пинцеты

Типичная установка использует один лазер для создания одной или двух ловушек. Обычно две ловушки генерируются путем разделения лазерного луча на два ортогонально поляризованных луча. Операции оптического пинцета с более чем двумя ловушками могут быть реализованы либо путем временного разделения одного лазерного луча между несколькими оптическими пинцетами, ^[54] , либо путем дифракционного разделения луча на несколько ловушек. С помощью акустооптических дефлекторов или зеркал, управляемых гальванометром , один лазерный луч может быть разделен между сотнями оптических пинцетов в фокальной плоскости или же распространен в расширенную одномерную ловушку. Специально разработанные дифракционные оптические элементы могут разделять один входной луч на сотни непрерывно освещаемых ловушек в произвольных трехмерных конфигурациях. Голограмма, образующая ловушку, также может определять структуру мод каждой ловушки по отдельности, тем самым создавая массивы оптических вихрей, оптических пинцетов и голографических линейных ловушек, например. ^[55] При реализации с пространственным модулятором света такие голографические оптические ловушки также могут перемещать объекты в трех измерениях. ^[56] Продвинутые формы голографических оптических ловушек с произвольными пространственными профилями, где плавность интенсивности и фазы контролируются, находят применение во многих областях науки, от микроманипуляций до ультрахолодных атомов . ^[57] Ультрахолодные атомы также могут быть использованы для реализации квантовых компьютеров. ^[58]

Одномодовые оптические волокна

Стандартная волоконно-оптическая ловушка основана на том же принципе, что и оптическая ловушка, но с гауссовым лазерным лучом, доставляемым через оптическое волокно . Если один конец оптического волокна отформован в линзоподобную грань, почти гауссов луч, переносимый одномодовым стандартным волокном, будет сфокусирован на некотором расстоянии от кончика волокна. Эффективная числовая апертура такой сборки обычно недостаточна для обеспечения полной трехмерной оптической ловушки, а только для двухмерной ловушки (оптический захват и манипулирование объектами будут возможны только тогда, когда, например, они находятся в контакте с поверхностью). ^[59] Настоящий трехмерный оптический захват, основанный на одном волокне, с точкой захвата, которая не находится в близком контакте с кончиком волокна, был реализован на основе нестандартной кольцевой сердечниковой волоконной конструкции и геометрии полного внутреннего отражения. ^[60]

С другой стороны, если концы волокна не отформованы, лазер, выходящий из волокна, будет расходящимся, и, таким образом, стабильная оптическая ловушка может быть реализована только путем уравновешивания градиента и силы рассеивания от двух противоположных концов волокна. Сила градиента будет захватывать частицы в поперечном направлении, в то время как осевая оптическая сила исходит от силы рассеивания двух встречных лучей, выходящих из двух волокон. Равновесное z-положение такой захваченной бусины находится там, где две силы рассеивания равны друг другу. Эта работа была впервые предпринята A. Constable et al. , Opt. Lett. 18 ,1867 (1993), а затем J. Guck et al. , Phys. Rev. Lett. 84 , 5451 (2000), которые использовали эту технику для растяжения микрочастиц. Манипулируя входной мощностью на двух концах волокна, будет происходить увеличение «оптического растяжения», которое может быть использовано для измерения вязкоупругих свойств клеток, с чувствительностью, достаточной для различения различных индивидуальных фенотипов цитоскелета, т. е. человеческих эритроцитов и фибробластов мыши. Недавний тест показал большой успех в дифференциации раковых клеток от нераковых с помощью двух противоположных, не сфокусированных лазерных лучей. ^[61]

Ловушки на основе многомодового волокна

В то время как более ранняя версия волоконных лазерных ловушек использовала исключительно одномодовые пучки, М. Крейзинг и коллеги недавно показали, что осторожное возбуждение дополнительных оптических мод в коротком отрезке оптического волокна позволяет реализовать нетривиальные геометрии захвата. Благодаря этому исследователи смогли ориентировать различные типы человеческих клеток (отдельные клетки и кластеры) на микроскопе. Главным преимуществом так называемой технологии «оптического вращателя клеток» перед стандартными оптическими пинцетами является развязка захвата от оптики визуализации. Это, ее модульная конструкция и высокая совместимость расходящихся лазерных ловушек с биологическим материалом указывают на большой потенциал этого нового поколения лазерных ловушек в медицинских исследованиях и науках о жизни. ^[62] Недавно технология оптического вращателя клеток была реализована на основе адаптивной оптики , что позволяет динамически перенастраивать оптическую ловушку во время работы и адаптировать ее к образцу. ^[63]

Сортировка клеток

Одна из наиболее распространенных систем сортировки клеток использует проточную цитометрию посредством флуоресцентной визуализации . В этом методе суспензия биологических клеток сортируется в два или более контейнера на основе специфических флуоресцентных характеристик каждой клетки во время вспомогательного потока. Используя электрический заряд, в котором клетка «захвачена», клетки затем сортируются на основе измерений интенсивности флуоресценции. Процесс сортировки осуществляется электростатической отклоняющей системой, которая направляет клетки в контейнеры на основе их заряда.

В процессе сортировки с оптическим приводом клетки протекают в оптический ландшафт, т. е. 2D или 3D оптические решетки. Без какого-либо индуцированного электрического заряда клетки сортировались бы на основе их внутренних свойств показателя преломления и могли бы быть переконфигурируемыми для динамической сортировки. Оптическая решетка может быть создана с использованием дифракционной оптики и оптических элементов. ^[11]

С другой стороны, К. Ладавак и др. использовали пространственный модулятор света для проецирования картины интенсивности, чтобы обеспечить процесс оптической сортировки. ^[64] К. Сяо и Д. Г. Гриер применили голографическую видеомикроскопию, чтобы продемонстрировать, что эта техника может сортировать коллоидные сферы с разрешением в одну тысячную часть по размеру и показателю преломления. ^[65]

Основным механизмом сортировки является расположение точек оптической решетки. Когда клетка течет через оптическую решетку, возникают силы, обусловленные силой перетаскивания частиц , которая напрямую конкурирует с силой оптического градиента (см. Физика оптического пинцета) от точки оптической решетки. При смещении расположения точки оптической решетки возникает предпочтительный оптический путь, где оптические силы являются доминирующими и смещенными. С помощью потока клеток возникает результирующая сила, которая направлена вдоль этого предпочтительного оптического пути. Следовательно, существует связь скорости потока с силой оптического градиента. Регулируя эти две силы, можно будет получить хорошую эффективность оптической сортировки.

Конкуренция сил в сортировочной среде требует тонкой настройки для достижения высокой эффективности оптической сортировки. Необходимость в основном касается баланса сил; силы сопротивления, обусловленной потоком жидкости, и силы оптического градиента, обусловленной расположением пятна интенсивности.

Ученые из Университета Сент-Эндрюс получили значительное финансирование от Совета по исследованиям в области инженерии и физических наук Великобритании ( EPSRC ) для оптической сортировочной машины. Эта новая технология может конкурировать с обычной сортировкой клеток, активированной флуоресценцией. ^[66]

Эфемерные поля

Эванесцентное поле ^[67] — это остаточное оптическое поле , которое «просачивается» во время полного внутреннего отражения . Эта «просачивание» света затухает с экспоненциальной скоростью. Эванесцентное поле нашло ряд применений в визуализации с нанометровым разрешением (микроскопия); оптическая микроманипуляция (оптические пинцеты) становится все более актуальной в исследованиях.

В оптических пинцетах непрерывное исчезающее поле может быть создано, когда свет распространяется через оптический волновод (множественное полное внутреннее отражение ). Результирующее исчезающее поле имеет направленное направление и будет продвигать микрочастицы по своему пути распространения. Эта работа была впервые предпринята С. Каватой и Т. Сугиурой в 1992 году, которые показали, что поле может быть связано с частицами, находящимися поблизости на расстоянии порядка 100 нанометров. ^[68] Эта прямая связь поля рассматривается как тип туннелирования фотона через зазор от призмы к микрочастицам. Результатом является направленная оптическая движущая сила.

Недавняя обновленная версия оптического пинцета с затухающим полем использует расширенные оптические ландшафтные шаблоны для одновременного направления большого количества частиц в предпочтительном направлении без использования волновода . Это называется безлинзовым оптическим захватом («LOT»). Упорядоченное движение частиц обеспечивается введением правила Ронки , которое создает четко определенные оптические потенциальные ямы (заменяя волновод). Это означает, что частицы приводятся в движение затухающим полем, в то время как они захватываются линейными яркими полосами. В настоящее время есть ученые, работающие также над сфокусированными затухающими полями.

В недавних исследованиях затухающее поле, генерируемое лазером среднего инфракрасного диапазона, использовалось для селективной сортировки частиц с помощью молекулярного колебательного резонанса. Средний инфракрасный свет обычно используется для идентификации молекулярных структур материалов, поскольку колебательные моды существуют в средней инфракрасной области. Исследование Стаценко и др. описало усиление оптической силы с помощью молекулярного колебательного резонанса путем возбуждения растягивающей моды связи Si-O-Si при 9,3 мкм. ^[69] Показано, что кремниевые микросферы, содержащие значительную связь Si-O-Si, движутся до десяти раз быстрее, чем полистирольные микросферы из-за молекулярного колебательного резонанса. Более того, эта же группа также исследовала возможность оптической силовой хроматографии на основе молекулярного колебательного резонанса. ^[70]

Другой подход, который был недавно предложен, использует поверхностные плазмоны, которые являются усиленной затухающей волной, локализованной на границе раздела металл/диэлектрик. Усиленное силовое поле, испытываемое коллоидными частицами, подвергающимися воздействию поверхностных плазмонов на плоской границе раздела металл/диэлектрик, было впервые измерено с помощью фотонного силового микроскопа, при этом общая величина силы была обнаружена в 40 раз большей по сравнению с обычной затухающей волной. ^[71] Путем структурирования поверхности золотыми микроскопическими островками можно получить селективный и параллельный захват в этих островках. Силы последних оптических пинцетов лежат в диапазоне фемтоньютонов. ^[72]

Эванесцентное поле также можно использовать для захвата холодных атомов и молекул вблизи поверхности оптического волновода или оптического нановолокна. ^[73]^[74]

Косвенный подход

Мин У, профессор электротехники и компьютерных наук Калифорнийского университета в Беркли, изобрел новый оптоэлектронный пинцет.

Ву преобразовал оптическую энергию маломощных светодиодов (LED) в электрическую энергию через фотопроводящую поверхность. Идея заключается в том, чтобы позволить светодиоду включать и выключать фотопроводящий материал через его тонкую проекцию. Поскольку оптический рисунок можно легко трансформировать через оптическую проекцию, этот метод обеспечивает высокую гибкость переключения различных оптических ландшафтов.

Процесс манипуляции/выщипывания осуществляется посредством изменений электрического поля, возбуждаемого световым узором. Частицы будут либо притягиваться, либо отталкиваться от активированной точки из-за ее индуцированного электрического диполя. Частицы, взвешенные в жидкости, будут восприимчивы к градиенту электрического поля, это известно как диэлектрофорез .

Одним из явных преимуществ является то, что электропроводность различна для разных типов клеток. Живые клетки имеют более низкую проводящую среду, в то время как мертвые имеют минимальную или нулевую проводящую среду. Система может быть способна манипулировать примерно 10 000 клеток или частиц одновременно.

См. комментарии профессора Кишана Дхолакии об этой новой технологии, K. Dholakia, Nature Materials 4, 579–580 (01 августа 2005 г.) Новости и мнения.

«Система смогла перемещать живые бактерии E. coli и частицы размером 20 микрометров, используя выходную оптическую мощность менее 10 микроватт. Это одна стотысячная мощности, необходимой для [прямого] оптического пинцета». ^[75]

Еще одним заметно новым типом оптических пинцетов является оптотермический пинцет, изобретенный Юэбином Чжэном в Техасском университете в Остине . Стратегия заключается в использовании света для создания температурного градиента и использования термофоретической миграции вещества для оптического захвата. ^[76] Команда далее интегрировала термофорез с лазерным охлаждением для разработки опто-холодильного пинцета, чтобы избежать термических повреждений для неинвазивного оптического захвата и манипуляции. ^[77]

Оптическое связывание

Когда кластер микрочастиц захватывается монохроматическим лазерным лучом, организация микрочастиц в оптическом захвате в значительной степени зависит от перераспределения сил оптического захвата среди микрочастиц. Это перераспределение световых сил среди кластера микрочастиц обеспечивает новое силовое равновесие для кластера в целом. Таким образом, мы можем сказать, что кластер микрочастиц в некоторой степени связан вместе светом. Одно из первых экспериментальных доказательств оптического связывания было сообщено Майклом М. Бернсом, Жаном-Марком Фурнье и Джен А. Головченко ^[78] , хотя первоначально оно было предсказано Т. Тирунамачандраном ^[79] . Одно из многих недавних исследований оптического связывания показало, что для системы хиральных наночастиц величина сил связывания зависит от поляризации лазерного луча и направленности самих взаимодействующих частиц ^[80] с потенциальными приложениями в таких областях, как энантиомерное разделение и оптическая наноманипуляция.

Флуоресцентный оптический пинцет

Для того чтобы одновременно манипулировать и визуализировать образцы, которые демонстрируют флуоресценцию , можно построить оптический пинцет вместе с флуоресцентным микроскопом . ^[81] Такие инструменты особенно полезны, когда речь идет об изучении отдельных или небольшого количества биологических молекул, которые были флуоресцентно помечены, или в приложениях, в которых флуоресценция используется для отслеживания и визуализации объектов, которые должны быть захвачены.

Этот подход был расширен для одновременного обнаружения и визуализации динамических белковых комплексов с использованием длинных и прочных связей, созданных с помощью высокоэффективного многошагового ферментативного подхода ^[82] и применен для исследования машин для дезагрегации в действии. ^[83]

Пинцет в сочетании с другими методами визуализации

Помимо «стандартных» флуоресцентных оптических пинцетов, в настоящее время выпускаются многоцветные конфокальные, широкопольные, STED, FRET, TIRF или IRM.

Это позволяет использовать такие приложения, как измерение: связывания локализации белка/ДНК, сворачивания белка, конденсации, генерации силы моторного белка, визуализации филаментов цитоскелета и динамики мотора, динамики микротрубочек, манипулирования каплями жидкости (реология) или слияния. Эти установки сложно построить, и традиционно они встречаются в некоррелированных «академических» установках. В последние годы даже строители домашних хозяйств (как биофизики, так и общие биологи) переходят на альтернативу и получают полное коррелированное решение с простым получением и анализом данных.

Смотрите также

Ссылки

^ Эшкин, А. (1970). «Ускорение и захват частиц давлением излучения». Physical Review Letters . 24 (4): 156–159. Bibcode : 1970PhRvL..24..156A. doi : 10.1103/PhysRevLett.24.156 .
^ Ашкин А, Дзеджич Дж. М., Бьёркхольм Дж. Э., Чу С. (1986). «Наблюдение однолучевой градиентной силовой оптической ловушки для диэлектрических частиц». Оптические письма . 11 (5): 288–290. Бибкод : 1986OptL...11..288A. CiteSeerX 10.1.1.205.4729 . дои : 10.1364/OL.11.000288. ПМИД 19730608.
^ ab Matthews JNA (2009). «Коммерческие оптические ловушки появляются в биофизических лабораториях». Physics Today . 62 (2): 26–28. Bibcode : 2009PhT....62b..26M. doi : 10.1063/1.3086092.
↑ Хилл, Мюррей (ноябрь 1987 г.). «Он написал книгу об атомной ловушке». Получено 25 июня 2005 г.
Интервью для внутреннего информационного бюллетеня Bell Labs. Содержит подтверждение того, что Эшкин является изобретателем оптической ловушки, и предоставляет информацию о Нобелевской премии по физике 1997 г.
^ "Conversations with History: An Interview with Steven Chu" (2004), Institute of International Studies, UC Berkeley. Последний доступ 2 сентября 2006 г.
^ Эшкин А, Дзедзиц Дж. М. (1987). «Оптическая ловушка и манипуляция вирусами и бактериями». Science . 235 (4795): 1517–1520. doi :10.1126/science.3547653. PMID 3547653.
^ ab Bolognesi, Guido; Friddin, Mark S.; Salehi-Reyhani, Ali; Barlow, Nathan E.; Brooks, Nicholas J.; Ces, Oscar; Elani, Yuval (2018-05-14). "Создание и слияние сетей биомиметических везикул с использованием оптического пинцета". Nature Communications . 9 (1): 1882. Bibcode :2018NatCo...9.1882B. doi :10.1038/s41467-018-04282-w. ISSN 2041-1723. PMC 5951844 . PMID 29760422.
^ Рёрвиг-Лунд, Андреас; Бахадори, Азра; Семси, Сабольч; Бендикс, Пол Мартин; Оддершеде, Лене Б. (29.05.2015). «Слияние везикул, вызванное оптически нагретыми золотыми наночастицами». Nano Letters . 15 (6): 4183–4188. Bibcode : 2015NanoL..15.4183R. doi : 10.1021/acs.nanolett.5b01366. ISSN 1530-6984. PMID 26010468. S2CID 206726159.
^ Бласкес-Кастро А.; Фернандес-Пикерас Х.; Сантос Х. (2020). «Манипуляция генетическим материалом и его модификация с помощью оптического захвата и нанохирургии — перспектива». Frontiers in Bioengineering and Biotechnology . 8 : 580937_1–25. doi : 10.3389/fbioe.2020.580937 . PMC 7530750. PMID 33072730. S2CID 221765039 .
^ Бернс М. В. (2020). «Лазерные ножницы и пинцеты для изучения хромосом: обзор». Frontiers in Bioengineering and Biotechnology . 8 : 721_1–16. doi : 10.3389 /fbioe.2020.00721 . PMC 7401452. PMID 32850689.
^ ab MacDonald MP, Spalding GC , Dholakia K (2003). «Микрожидкостная сортировка в оптической решетке». Nature . 426 (6965): 421–424. Bibcode : 2003Natur.426..421M. doi : 10.1038/nature02144. PMID 14647376. S2CID 4424652.
^ Косс BA, Грир ДГ, «Оптическая перистальтика» Архивировано 2006-09-02 на Wayback Machine
^ Murugesapillai, D.; et al. (2016). «Исследования отдельных молекул высокомобильных архитектурных белков изгибания ДНК группы B». Biophysical Reviews . 9 (1): 17–40. doi :10.1007/s12551-016-0236-4. PMC 5331113 . PMID 28303166.
^ Witzens, J., Hochberg, M. (2011). «Оптическое обнаружение целевой молекулы, индуцированной агрегацией наночастиц с помощью высокодобротных резонаторов». Optics Express . 19 (8): 7034–7061. Bibcode : 2011OExpr..19.7034W. doi : 10.1364/OE.19.007034 . PMID 21503017.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
^ Лин С.; К. Б. Крозье (2013). «Обнаружение частиц и белков с помощью улавливания с использованием оптических микрорезонаторов на чипе». ACS Nano . 7 (2): 1725–1730. doi :10.1021/nn305826j. PMID 23311448.
^ Шлоссер, Николас; Реймонд, Жорж; Проценко, Игорь; Гранжье, Филипп (28 июня 2001 г.). «Субпуассоновская загрузка отдельных атомов в микроскопической дипольной ловушке». Nature . 411 (6841): 1024–1027. Bibcode :2001Natur.411.1024S. doi :10.1038/35082512. ISSN 1476-4687. PMID 11429597. S2CID 4386843.
^ ab Dumke, R.; Volk, M.; Müther, T.; Buchkremer, FB J; Birkl, G.; Ertmer, W. (8 августа 2002 г.). "Микрооптическая реализация массивов селективно адресуемых дипольных ловушек: масштабируемая конфигурация для квантовых вычислений с атомными кубитами". Phys. Rev. Lett . 89 (9): 097903. arXiv : quant-ph/0110140 . Bibcode : 2002PhRvL..89i7903D. doi : 10.1103/PhysRevLett.89.097903. PMID 12190441.
^ Томас, Джессика; Грондальски, Соня (2010-01-19). «Открывая ворота в квантовые вычисления». Физика . 3. Bibcode : 2010PhyOJ...3S...9.. doi : 10.1103/Physics.3.s9.
^ Wilk, T.; Gaëtan, A.; Evellin, C.; Wolters, J.; Miroshnychenko, Y.; Grangier, P.; Browaeys, A. (2010-01-08). "Запутывание двух отдельных нейтральных атомов с использованием блокады Ридберга". Physical Review Letters . 104 (1): 010502. arXiv : 0908.0454 . Bibcode : 2010PhRvL.104a0502W. doi : 10.1103/PhysRevLett.104.010502. ISSN 0031-9007. PMID 20366354. S2CID 16384272.
^ Айзенхауэр, Л.; Урбан, Э.; Чжан, XL; Гилл, AT; Хенаге, Т.; Джонсон, TA; Уокер, TG; Саффман, М. (2010-01-08). "Демонстрация квантового вентиля, контролируемого нейтральным атомом, НЕТ". Physical Review Letters . 104 (1): 010503. arXiv : 0907.5552 . Bibcode : 2010PhRvL.104a0503I. doi : 10.1103/PhysRevLett.104.010503. ISSN 0031-9007. PMID 20366355. S2CID 2091127.
^ "Ассемблер атома создает бездефектные массивы". Physics World . 2016-11-07 . Получено 2021-12-04 .
^ Барредо, Даниэль; де Леселёк, Сильвен; Линхард, Винсент; Лахайе, Тьерри; Бровайес, Антуан (2016-11-25). «Ассемблер атом за атомом бездефектных произвольных двумерных атомных массивов». Science . 354 (6315): 1021–1023. arXiv : 1607.03042 . Bibcode :2016Sci...354.1021B. doi :10.1126/science.aah3778. ISSN 0036-8075. PMID 27811285. S2CID 25496096.
^ Экстенс, Энди. «Атомная Эйфелева башня возвышается над ландшафтом квантовых вычислений». Chemistry World . Получено 2021-12-04 .
^ Барредо, Даниэль; Линхард, Винсент; де Леселёк, Сильвен; Лахайе, Тьерри; Бровайс, Антуан (5 сентября 2018 г.). «Синтетические трехмерные атомные структуры, собранные атом за атомом». Nature . 561 (7721): 79–82. arXiv : 1712.02727 . Bibcode :2018Natur.561...79B. doi :10.1038/s41586-018-0450-2. ISSN 0028-0836. PMID 30185955. S2CID 52158666.
^ "Высокопрограммируемый квантовый симулятор работает с 256 кубитами". Physics World . 2021-07-22 . Получено 2021-12-04 .
^ Эбади, Сепер; Ван, Тут Т.; Левин, Гарри; Кислинг, Александр; Семегини, Джулия; Омран, Ахмед; Блувштейн, Долев; Самайдар, Райн; Пихлер, Ханнес; Хо, Вэнь Вэй; Чой, Сунвон (2021-07-08). «Квантовые фазы материи на программируемом квантовом симуляторе из 256 атомов». Nature . 595 (7866): 227–232. arXiv : 2012.12281 . Bibcode :2021Natur.595..227E. doi :10.1038/s41586-021-03582-4. ISSN 0028-0836. PMID 34234334. S2CID 229363764.
^ Шолль, Паскаль; Шулер, Майкл; Уильямс, Ханна Дж.; Эберхартер, Александр А.; Барредо, Даниэль; Шимик, Кай-Никлас; Линхард, Винсент; Генри, Луи-Поль; Ланг, Томас К.; Лахайе, Тьерри; Лёйхли, Андреас М. (2021-07-08). «Квантовое моделирование двумерных антиферромагнетиков с сотнями ридберговских атомов». Nature . 595 (7866): 233–238. arXiv : 2012.12268 . Bibcode :2021Natur.595..233S. doi :10.1038/s41586-021-03585-1. ISSN 0028-0836. PMID 34234335. S2CID 229363462.
^ Блювштейн, Долев; Эверед, Саймон Дж.; Гейм, Александра А.; Ли, Софи Х.; Чжоу, Хэнъюнь; Мановиц, Том; Эбади, Сепер; Каин, Мэделин; Калиновский, Марцин; Ханглейтер, Доминик; Атаидес, Х. Пабло Бонилья; Маскара, Нишад; Конг, Ирис; Гао, Сюнь; Родригес, Педро Сейлс (6 декабря 2023 г.). «Логический квантовый процессор на основе реконфигурируемых массивов атомов». Природа . 626 (7997): 58–65. arXiv : 2312.03982 . дои : 10.1038/s41586-023-06927-3. ISSN 1476-4687. ПМЦ 10830422 . PMID 38056497.
^ Эпплгейт, младший RW; Вестад, Тор; и др. (2004). «Оптический захват, манипуляция и сортировка клеток и коллоидов в микрофлюидных системах с диодными лазерными стержнями». Optics Express . 12 (19): 4390–8. Bibcode : 2004OExpr..12.4390A. doi : 10.1364/OPEX.12.004390 . PMID 19483988. S2CID 8424168.
^ Moffitt JR, Chemla YR, Izhaky D, Bustamante C (2006). «Дифференциальное обнаружение двойных ловушек улучшает пространственное разрешение оптических пинцетов». Труды Национальной академии наук . 103 (24): 9006–9011. Bibcode : 2006PNAS..103.9006M. doi : 10.1073 /pnas.0603342103 . PMC 1482556. PMID 16751267.
^ Джаганнатхан, Б.; Маркузи, С. (2013). «Сворачивание и разворачивание белков под действием силы». Биополимеры . 99 (11): 860–869. doi :10.1002/bip.22321. PMC 4065244. PMID 23784721 .
^ Линн Патерсон «Новые методы микроманипуляций в оптических пинцетах», (2003)
^ Гордон, Дж. П. (1973). «Силы излучения и импульсы в диэлектрических средах». Physical Review A. 8 ( 1): 14–21. Bibcode : 1973PhRvA...8...14G. doi : 10.1103/PhysRevA.8.14.
^ Harada Y, Asakura T (1996). "Силы излучения на диэлектрической сфере в режиме рэлеевского рассеяния". Optics Communications . 124 (5–6): 529–541. Bibcode : 1996OptCo.124..529H. doi : 10.1016/0030-4018(95)00753-9.
^ Брэдшоу DS, Эндрюс DL (2017). «Управление частицами с помощью света: излучение и градиентные силы». European Journal of Physics . 38 (3): 034008. Bibcode : 2017EJPh...38c4008B. doi : 10.1088/1361-6404/aa6050 .
^ Guccione, G.; M. Hosseini; S. Adlong; MT Johnsson; J. Hope; BC Buchler; PK Lam (июль 2013 г.). "Оптическая левитация зеркала полости без рассеяния". Physical Review Letters . 111 (18): 183001. arXiv : 1307.1175 . Bibcode :2013PhRvL.111r3001G. doi :10.1103/PhysRevLett.111.183001. PMID 24237512. S2CID 36954822.
^ Илич, Огнен; Этуотер, Гарри, А. (апрель 2019 г.). «Самостабилизирующаяся фотонная левитация и движение наноструктурированных макроскопических объектов» (PDF) . Nature Photonics . 13 (4): 289–295. Bibcode :2019NaPho..13..289I. doi :10.1038/s41566-019-0373-y. ISSN 1749-4893. S2CID 127470391.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
^ Smalley, DE; Nygaard, E.; Squire, K.; Van Wagoner, J.; Rasmussen, J.; Gneiting, S.; Qaderi, K.; Goodsell, J.; Rogers, W.; Lindsey, M.; Costner, K. (январь 2018 г.). "Объемный дисплей с фотофоретической ловушкой". Nature . 553 (7689): 486–490. Bibcode :2018Natur.553..486S. doi : 10.1038/nature25176 . ISSN 0028-0836. PMID 29368704.
^ Чэнь, Чжихань; Ли, Цзинган; Чжэн, Юэбин (2022-02-09). «Оптическая манипуляция с помощью тепла». Chemical Reviews . 122 (3): 3122–3179. doi :10.1021/acs.chemrev.1c00626. ISSN 0009-2665. PMC 9833329 . PMID 34797041.
^ Линь, Линьхан; Ван, Минсонг; Пэн, Сяолей; Лиссек, Эмануэль Н.; Мао, Чжанмин; Скарабелли, Леонардо; Адкинс, Эмили; Коскун, Сахин; Уналан, Хусну Эмрах; Коргель, Брайан А.; Лиз-Марзан, Луис М.; Флорин, Эрнст-Людвиг; Чжэн, Юэбин (апрель 2018 г.). «Оптотермоэлектрические нанопинцеты». Nature Photonics . 12 (4): 195–201. Bibcode :2018NaPho..12..195L. doi :10.1038/s41566-018-0134-3. ISSN 1749-4893. PMC 5958900 . PMID 29785202.
^ Ли, Цзинган; Чен, Чжихан; Лю, Яоран; Коллипара, Павана Сиддхартха; Фэн, Ичао; Чжан, Чжэнлун; Чжэн, Юэбин (25 июня 2021 г.). «Оптико-холодильный пинцет». Достижения науки . 7 (26). Бибкод : 2021SciA....7.1101L. doi : 10.1126/sciadv.abh1101. ISSN 2375-2548. ПМЦ 8232904 . ПМИД 34172454.
^ Коллипара, Павана Сиддхартха; Ли, Сюин; Ли, Цзинган; Чен, Чжихан; Дин, Хунру; Ким, Ёнсун; Хуан, Суйчу; Цинь, Чжэньпэн; Чжэн, Юэбин (23 августа 2023 г.). «Гипотермические оптотермофоретические пинцеты». Природные коммуникации . 14 (1): 5133. Бибкод : 2023NatCo..14.5133K. дои : 10.1038/s41467-023-40865-y . ISSN 2041-1723. ПМЦ 10447564 . ПМИД 37612299.
^ DJ Stevenson; TK Lake; B. Agate; V. Gárcés-Chávez; K. Dholakia; F. Gunn-Moore (2006-10-16). "Оптически управляемый рост нейронов на длинах волн ближнего инфракрасного диапазона". Optics Express . 14 (21): 9786–93. Bibcode : 2006OExpr..14.9786S . doi : 10.1364/OE.14.009786. PMC 2869025. PMID 19529370.
^ Neuman KC, Block SM (2004). «Оптическая ловушка». Review of Scientific Instruments . 75 (9): 2787–809. Bibcode : 2004RScI...75.2787N. doi : 10.1063/1.1785844. PMC 1523313. PMID 16878180 .
^ Свобода К , Блок СМ (1994). «Биологическое применение оптических сил». Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure . 23 : 247–285. doi :10.1146/annurev.bb.23.060194.001335. PMID 7919782. S2CID 8197447.
^ Shaevitz JW, "Практическое руководство по оптическому захвату" (22 августа 2006 г.). Последний доступ 12 сентября 2006 г.
^ Шварцлендер, GA; Гахаган, KT (1996-06-01). «Оптическая вихревая ловушка частиц». Optics Letters . 21 (11): 827–829. Bibcode : 1996OptL...21..827G. doi : 10.1364/OL.21.000827. ISSN 1539-4794. PMID 19876172. S2CID 8647456.
^ He, H.; Friese, MEJ; Heckenberg, NR; Rubinsztein-Dunlop, H. (1995-07-31). "Прямое наблюдение передачи углового момента поглощающим частицам от лазерного луча с фазовой сингулярностью" (PDF) . Physical Review Letters . 75 (5): 826–829. Bibcode :1995PhRvL..75..826H. doi :10.1103/PhysRevLett.75.826. PMID 10060128.
^ Фризе, MEJ; Хекенберг, NR; Рубинштейн-Данлоп, Х. (1998). «Оптическое выравнивание и вращение микроскопических частиц, захваченных лазером» (PDF) . Nature . 394 (6691): 348–350. arXiv : physics/0308113 . Bibcode :1998Natur.394..348F. doi :10.1038/28566. S2CID 4404320.
^ Curtis JE, Grier DG, "Structure of Optical Vortices" Архивировано 2006-09-02 в Wayback Machine (2003). Последний доступ 3 сентября 2006 г.
^ Паджетт М., «Оптические гаечные ключи». Последний доступ 3 сентября 2006 г.
^ McGloin D, Garces-Chavez V, Paterson L, Carruthers T, Melvil H, Dholakia K, "Bessel Beams". Последний доступ 3 сентября 2006 г.
^ Ладавак К, Грир ДГ (2004). «Микрооптомеханический насос, собранный и управляемый голографическими оптическими вихревыми решетками». Optics Express . 12 (6): 1144–9. arXiv : cond-mat/0402634 . Bibcode : 2004OExpr..12.1144L. doi : 10.1364/OPEX.12.001144. PMID 19474932. S2CID 18255607.
^ Нум, Мартен С; ван ден Брук, Брэм; ван Мамерен, Йост; Вите, Гийс Дж.Л. (11 ноября 2007 г.). «Визуализация отдельных белков, связанных с ДНК, с использованием ДНК в качестве сканирующего зонда». Природные методы . 4 (12): 1031–1036. дои : 10.1038/nmeth1126. PMID 17994031. S2CID 7007569.
^ AD Chandra & A. Banerjee (2020). «Быстрая фазовая калибровка пространственного модулятора света с использованием новых фазовых масок и оптимизация его эффективности с использованием итерационного алгоритма». Journal of Modern Optics . 67 (7): 628–637. arXiv : 1811.03297 . Bibcode :2020JMOp...67..628C. doi :10.1080/09500340.2020.1760954. S2CID 219646821.
^ Родриго, Хосе А.; Алиева, Татьяна (2015-09-20). "Freestyle 3D laser traps: tools for study light-drivenarticulate dynamics and beyond". Optica . 2 (9): 812. Bibcode :2015Optic...2..812R. doi : 10.1364/OPTICA.2.000812 . ISSN 2334-2536.
^ Боуман, Д.; Харт, Т.Л.; Шардонне, В.; Гроот, К. Де; Денни, С.Дж.; Гок, Г. Ле; Андерсон, М.; Айрленд, П.; Кассеттари, Д. (1169). «Высокоточное управление фазой и амплитудой компьютерных голограмм, генерируемых только на основе фазы, с использованием минимизации сопряженного градиента». Optics Express . 25 (10): 11692–11700. arXiv : 1701.08620 . Bibcode : 2017OExpr..2511692B. doi : 10.1364/OE.25.011692. ISSN 1094-4087. PMID 28788742. S2CID 46763848.
^ Немировски, Джонатан; Саги, Йоав (2021). «Быстрый универсальный двухкубитный вентиль для нейтральных фермионных атомов в оптических пинцетах». Physical Review Research . 3 (1): 013113. arXiv : 2008.09819 . Bibcode : 2021PhRvR...3a3113N. doi : 10.1103/PhysRevResearch.3.013113 .
^ Hu Z, Wang J, Liang J (2004). «Манипуляция и расположение биологических и диэлектрических частиц с помощью линзированного волоконного зонда». Optics Express . 12 (17): 4123–8. Bibcode : 2004OExpr..12.4123H. doi : 10.1364/OPEX.12.004123 . PMID 19483954. S2CID 31640506.
^ Либерале С, Минциони П, Брагери Ф, Де Анжелис Ф, Ди Фабрицио Э, Кристиани I (2007). «Миниатюрный цельноволоконный зонд для трехмерного оптического захвата и манипулирования». Природная фотоника . 1 (12): 723–727. Бибкод : 2007NaPho...1..723L. дои : 10.1038/nphoton.2007.230.
^ Йохен Гук; Стефан Шинкингер; Брайан Линкольн; Фальк Воттава; Сюзанна Эберт; Марен Ромейке; Доминик Ленц; Гарольд М. Эриксон; Ревати Анантакришнан; Дэниел Митчелл; Йозеф Кэс; Сидни Ульвик; Курт Билби (2005). «Оптическая деформируемость как врожденный клеточный маркер для тестирования злокачественной трансформации и метастатической компетентности». Biophysical Journal . 88 (5): 3689–3698. Bibcode :2005BpJ....88.3689G. doi :10.1529/biophysj.104.045476. PMC 1305515 . PMID 15722433. Архивировано из оригинала 9 ноября 2007 г.
^ Мориц Крейсинг; Тобиас Кисслинг; Анатоль Фрич; Кристиан Дитрих; Йохен Гук; Йозеф Кяс (2008). «Оптический ротатор ячеек». Оптика Экспресс . 16 (21): 16984–92. Бибкод : 2008OExpr..1616984K. дои : 10.1364/OE.16.016984 . PMID 18852807. S2CID 23912816.
^ Kreysing, M.; Ott, D.; Schmidberger, MJ; Otto, O.; Schürmann, M.; Martín-Badosa, E.; Whyte, G.; Guck, J. (2014). «Динамическая работа оптических волокон за пределами одномодового режима облегчает ориентацию биологических клеток». Nature Communications . 5 : 5481. Bibcode :2014NatCo...5.5481K. doi :10.1038/ncomms6481. PMC 4263128 . PMID 25410595.
^ Ладавац, К.; Каша, К.; Гриер, Д. (2004). «Сортировка мезоскопических объектов с периодическими потенциальными ландшафтами: оптическое фракционирование». Physical Review E. 70 ( 1): 010901. Bibcode : 2004PhRvE..70a0901L. doi : 10.1103/PhysRevE.70.010901. PMID 15324034. S2CID 14608670.
^ Сяо, Кэ; Грир, Дэвид Г. (2010). «Многомерное оптическое фракционирование коллоидных частиц с голографической проверкой». Physical Review Letters . 104 (2): 028302. arXiv : 0912.4754 . Bibcode : 2010PhRvL.104b8302X. doi : 10.1103/PhysRevLett.104.028302. PMID 20366628. S2CID 21476119.
^ "Оптическое фракционирование и сортировка.", IRC Scotland. Последний доступ 3 сентября 2006 г.
^ "Evanescent Field Polarization and Intensity Profiles". Архивировано из оригинала 2006-07-21 . Получено 2005-11-15 .
^ Кавата, С; Сугиура, Т (1992). «Движение частиц микрометрового размера в затухающем поле лазерного луча». Optics Letters . 17 (11): 772–4. Bibcode : 1992OptL...17..772K. CiteSeerX 10.1.1.462.4424 . doi : 10.1364/OL.17.000772. PMID 19794626.
^ Стаценко, Анна; Дармаван, Йошуа Альберт; Фудзи, Такао; Кудо, Тетсухиро (15.11.2022). «Оптическая манипуляция в среднем инфракрасном диапазоне на основе молекулярного вибрационного резонанса». Physical Review Applied . 18 (5): 054041. Bibcode : 2022PhRvP..18e4041S. doi : 10.1103/PhysRevApplied.18.054041.
^ Дармаван, Йошуа Альберт; Гото, Такума; Янагишима, Тайки; Фудзи, Такао; Кудо, Тетсухиро (2023-08-17). «Среднеинфракрасная оптическая силовая хроматография микросфер, содержащих силоксановые связи». The Journal of Physical Chemistry Letters . 14 (32): 7306–7312. doi :10.1021/acs.jpclett.3c01679. ISSN 1948-7185. PMID 37561048.
^ Volpe G, Quidant R, Badenes G, Petrov D (2006). "Силы излучения поверхностного плазмона". Physical Review Letters . 96 (23): 238101. Bibcode : 2006PhRvL..96w8101V. doi : 10.1103/PhysRevLett.96.238101. hdl : 11693/53564 . PMID 16803408. S2CID 26221345.
^ Righini M, Volpe G, Girard C, Petrov D, Quidant R (2008). "Оптические пинцеты для поверхностных плазмонов: настраиваемая оптическая манипуляция в диапазоне фемтоньютонов". Physical Review Letters . 100 (18): 186804. Bibcode : 2008PhRvL.100r6804R. doi : 10.1103/PhysRevLett.100.186804. PMID 18518404. S2CID 38405168.
^ "Физика холодных атомов с использованием оптических нановолокон". Прикладная квантовая физика . Венский технический университет . Получено 10 сентября 2012 г.
^ "Quantum Networking with Atomic Ensembles". Квантовая оптика Калифорнийского технологического института . Получено 10 сентября 2012 г.
^ Изобретение: солдаты, подчиняющиеся запахам ^{[ мертвая ссылка ]} , New Scientist, 8 ноября 2005 г.
^ Linhan Lin, ...; Yuebing Zheng (2018). «Опто-термоэлектрические нанопинцеты». Nature Photonics . 12 (4): 195–201. Bibcode : 2018NaPho..12..195L. doi : 10.1038/s41566-018-0134-3. PMC 5958900. PMID 29785202 .
^ Цзинган Ли; З. Чен; Ю. Лю; PS Коллипара; Ю. Фэн; З. Чжан; Юэбин Чжэн (2021). «Оптико-холодильные пинцеты». Достижения науки . 7 (26): eabh1101. Бибкод : 2021SciA....7.1101L. doi : 10.1126/sciadv.abh1101. ПМЦ 8232904 . ПМИД 34172454.
^ Burns MM; Golovchenko JM.; Golovchenko JA (1989). «Оптическое связывание». Physical Review Letters . 63 (12): 1233–1236. Bibcode : 1989PhRvL..63.1233B. doi : 10.1103/PhysRevLett.63.1233. PMID 10040510.
^ Thirunamachandran, T. (1980-06-10). «Межмолекулярные взаимодействия в присутствии интенсивного поля излучения». Молекулярная физика . 40 (2): 393–399. Bibcode : 1980MolPh..40..393T. doi : 10.1080/00268978000101561. ISSN 0026-8976.
^ Форбс, Кайн А.; Эндрюс, Дэвид Л. (2015-05-14). "Хиральная дискриминация в оптическом связывании" (PDF) . Physical Review A. 91 ( 5): 053824. Bibcode : 2015PhRvA..91e3824F. doi : 10.1103/PhysRevA.91.053824.
^ Уитли, Кевин Д.; Комсток, Мэтью Дж.; Чемла, Янн Р. (2017). «Высокоразрешающие «Fleezers»: оптические пинцеты с двойной ловушкой в сочетании с обнаружением флуоресценции отдельных молекул». Оптические пинцеты . Методы в молекулярной биологии. Т. 1486. С. 183–256. doi :10.1007/978-1-4939-6421-5_8. ISBN 978-1-4939-6419-2. PMC 5541766 . PMID 27844430.
^ Avellaneda MJ, Koers EJ, Minde DP, Sunderlikova V, Tans SJ (2020). «Одновременное зондирование и визуализация отдельных биомолекулярных комплексов, обеспечиваемые модульной связью ДНК–белок». Communications Chemistry . 3 (1): 1–7. doi : 10.1038/s42004-020-0267-4 . PMC 9814868. PMID 36703465 .
^ Avellaneda MJ, Franke KB, Sunderlikova V, Bukau B, Mogk A, Tans SJ (2020). «Процессивная экструзия полипептидных петель дезагрегацией Hsp100». Nature . 578 (7794): 317–320. Bibcode :2020Natur.578..317A. doi :10.1038/s41586-020-1964-y. PMID 31996849. S2CID 210949475.

Внешние ссылки

Видео: Левитация АЛМАЗОВ с помощью лазерного луча