ОПТИЧЕСКИЙ ПИНЦЕТ
Доктор технических наук А. ГОЛУБЕВ
Механическое устройство для управления микроскопическими объектами создать невозможно. Но достаточные для этого усилия способны создавать лазерные лучи. Сама идея лазерных методов манипулирования атомами восходит к работам российских физиков: в 1979 году в Институте спектроскопии АН СССР доктор физико-математических наук В. С. Летохов с сотрудниками осуществили первый удачный эксперимент по торможению светом пучка атомов натрия (см. "Наука и жизнь" № 11, 1980 г.; № 9, 1995 г.). Однако устройство, названное оптическим пинцетом, впервые продемонстрировали в 1986 году американские исследователи из знаменитого научного центра "Белл-лаб".
Принцип действия оптического пинцета основан на том, что световой поток обладает импульсом и при изменении его направления возникает сила, связанная с этим изменением.
Понятие импульса (количества движения) пришло из механики, где импульсом называют произведение массы тела на скорость его движения. Скорость - вектор, который характеризует не только величину, но и направление. А поскольку движение любого тела происходит под действием силы, изменение направления скорости связано с изменением направления действия силы.
Фотон характеризуется энергией Е и импульсом р, который, по аналогии с механическим случаем, есть произведение его массы на скорость света: р = mc (здесь имеется в виду масса движущегося фотона, так как масса покоя фотона равна нулю). Если фотон падает на непрозрачную (поглощающую или отражающую) поверхность, то сообщаемый ей импульс есть, по сути дела, давление света на эту поверхность. Но если осветить лазером прозрачную частицу, то световой пучок испытает на ней преломление - направление вектора скорости света и, следовательно, направление импульса фотонов изменится. Пользуясь механической аналогией, можно сказать, что при этом возникает изменение силы, которое подействует на частицу так, что она двинется в сторону наибольшей интенсивности лазерного пучка.
Интенсивность лазерного пучка максимальна на его оси и плавно спадает к краям. Закон изменения интенсивности соответствует так называемому нормальному, или гауссовскому, распределению, которому подчиняются все природные процессы (см. "Наука и жизнь" № 2, 1995 г.). Поэтому частица удерживается на оси пучка, а при фокусировке пучка линзой она "втягивается" в точку фокуса и оказывается "пойманной" в трех измерениях. Чтобы создать силы, способные осуществить такую "трехмерную ловушку", требуется излучение мощностью порядка нескольких милливатт.
Перемещением фокуса можно передвигать частицы, выстраивая из них самые разнообразные конструкции. Современная технология рисует совершенно фантастическую картину: луч лазера движется, и под его воздействием в пространстве материализуется требуемый объект.
Объединяя метод оптического пинцета с использованием других лазерных пучков, исследователи могут, например, захватить отдельную хромосому и разрезать на кусочки для дальнейшего анализа. Для захвата можно применить инфракрасное излучение с длиной волны λ=1,064 мкм, а вторую его гармонику - зеленый свет (λ=0,532 мкм) - для разрезания в качестве "оптических ножниц": биологические объекты почти прозрачны в инфракрасной области, но сильно поглощают зеленый свет.
Оптический пинцет представляет собой удобный инструмент, имеющий, однако, ряд недостатков.
Во-первых, чем сильнее стянут пучок в фокус, тем быстрее он расходится после него. Это означает, что сила, удерживающая частицу, очень быстро падает по мере удаления от зоны захвата, и уже на расстоянии несколько десятков микрон от фокуса оказывается недостаточной, чтобы снова захватить частицу. Однопучковая ловушка реально полезна лишь для захвата одиночной частицы и только в области фокуса.
Во-вторых, лазерный пучок после встречи с объектом будет отличаться от исходного из-за дифракции, преломления, отражения и поглощения. Это также ограничивает расстояние, на котором он может действовать как оптический пинцет.
Существует и еще одно обстоятельство, связанное с расходимостью самого лазерного пучка. Чем сильнее он расходится, тем хуже его фокусирует оптическая система, но получить идеально параллельный пучок принципиально невозможно из-за дифракции. И долгое время не было даже мысли о том, что можно как-то обойти это ограничение. Но в 1987 году американские физики Дж. Дарнин, Дж. Майсели и В. Эберли показали, что существует класс световых пучков, фактически свободных от дифракции. Их проекция на экран выглядит как яркое пятно, окруженное системой концентрических колец (такое распределение интенсивности описывает известная в математике функция Бесселя, и поэтому сами пучки называют бесселевыми).
Обычный гауссов пучок превращают в бесселев при помощи так называемого аксикона - конической линзы, которая фокусирует параллельный пучок лучей не в точку, а в отрезок прямой линии на оптической оси. (Существуют и другие методы, основанные на использовании голограмм или пространственных модуляторов света.) Этот центральный луч подобен нерасходящемуся "световому шнуру" постоянной интенсивности.
Бесселеву пучку присуще одно замечательное свойство. В отличие от гауссова пучка, который искажается после прохождения через частицу, он обладает способностью самостоятельно восстанавливаться. Часть волн, выходящих из конической поверхности аксикона, проходят мимо препятствия и сходятся позади него; их интерференция образует неискаженный пучок. Это позволяет преодолеть ограничение, присущее оптическому пинцету на гауссовом пучке, способному захватить лишь частицы, расположенные очень близко одна к другой. В недавних работах было показано, что оптический пинцет, использующий бесселев пучок, способен захватывать частицы, разнесенные на расстояние 3 миллиметра и лежащие в отдельных независимых ячейках. В этих экспериментах использовалось лазерное излучение с длиной волны 1,064 мкм, образующее бесселев пучок с ярким центральным пятном, окруженным 19-ю кольцами. Общая мощность излучения составляла 700 мВт, из которой на центральное пятно приходилось примерно 35 мВт. Захватывалась полая сфера диаметром около 5 микрон между центральным пятном и первым кольцом пучка. Сфера искажала пучок, который за ней восстанавливался и работал как оптический пинцет, сводящий вместе три кварцевые сферы диаметром 5 микрон. После этого пучок восстанавливался еще раз.
Другое отличие оптических пинцетов на бесселевом пучке заключается в их способности захватывать сразу несколько разных частиц. Например, в экспериментах производился одновременный захват сплошной кварцевой сферы в первой ячейке, полой сферы во второй и частицы из двупреломляющего материала в третьей. Полая сфера имеет меньший показатель преломления, чем вода, заполняющая ячейки, и поэтому выталкивается из областей высокой интенсивности света. Ее захват происходил в темных зонах бесселева пучка между кольцами.
С помощью оптических пинцетов измеряли механические свойства молекул ДНК, прицепляя к их концам полистирольные бусинки и растягивая их. Исследователи из Гарвардского университета укладывали эритроциты (клетки крови) на белковое основание в кольца, цепочки и тетраэдры, создавая модели клеточных "датчиков", настроенных на обнаружение определенных химических веществ. Оптический пинцет уже сейчас используют для пересадки генов в клетки, а также при искусственном оплодотворении в пробирке.
Весьма интересные эксперименты выполнены в венгерском Биологическом исследовательском центре. Там разработана методика получения микроскопических объектов произвольной формы в результате полимеризации клейкой массы под действием света. Оптический пинцет на основе инфракрасного (λ = 0,994 мкм) полупроводникового лазера захватывал и удерживал в фокусе микрочастицы. Далее использовалась так называемая двухфотонная методика: клей освещали ультрафиолетовым лазером, генерирующим две слегка различающиеся длины волны вблизи 0,340 мкм, а необходимая для полимеризации интенсивность достигалась фокусировкой в нужной точке излучения аргонового лазера (λ = 0,514 мкм). В результате воздействия света образовывался твердый полимер. Высокоточный трехкоординатный пьезоэлектрический манипулятор, управляемый компьютером, перемещал материал относительно фокуса, создавая микроскопические детали - роторы, шестеренки, пропеллеры. А дальше начинается самое интересное.
Было обнаружено, что при сдвиге точки фокуса свет, отклоняясь от частицы, приводит ее во вращение. Величина и направление момента вращения зависят от ориентации ротора или шестеренки в фокусе. Если ротор оснащался центральной осью, устойчивость его захвата в пинцете повышалась, а при увеличении числа зубцов шестеренки вращение становилось более равномерным. При мощности излучения 20 мВт конструкция равномерно вращалась с частотой до нескольких оборотов в секунду. Отсюда - один шаг до создания действующих микромашин, управляемых светом. Авторы сконструировали две сцепленные шестеренки, сидящие на фиксированных осях, и свободно плавающий ротор. Ротор захватывали лазерным пинцетом, приводили во вращение и затем подводили к паре шестеренок, заставляя их крутиться.
Изобретение оптического пинцета совершило подлинную революцию в микротехнике. Сейчас во множестве лабораторий ведется отработка методов его использования в различных областях. Можно с уверенностью сказать: оптический пинцет - это инструмент, который сыграет чрезвычайно важную роль в научных исследованиях ХХI столетия.
Читайте в любое время
