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
[edytuj | edytuj kod]W 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
[edytuj | edytuj kod]
Do 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
[edytuj | edytuj kod]Możliwość 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 | edytuj kod]- ↑ 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.).
