Оптические ловушки имеют большой
потенциал для применения в микробиологии благодаря своей способности удерживать
крошечные биочастицы, не вызывая их повреждения. Красноярские исследователи в
сотрудничестве с учеными из Самары предложили метод, позволяющий формировать
набор оптических ловушек на основе оптических вихрей с заданными положениями и
значениями топологического заряда. Это позволит расширить традиционные методы
оптического манипулирования микрообъектами. Результаты исследования опубликованы в журнале Laser Physics Letters.
За последние десятилетия был достигнут значительный
прогресс в обнаружении отдельных молекул и манипулировании микроскопическими
объектами. Во многом это стало возможным благодаря изобретению оптических
пинцетов (оптических ловушек) – устройств, позволяющих манипулировать образцами
с помощью света, т. е. перемещать микроскопические объекты с помощью светового
давления без изменения их внутренней структуры. За изобретение оптического пинцета
и его применение в биологических системах была вручена Нобелевская премия в
2018 году. За годы активного развития оптический пинцет привел к
фундаментальным открытиям в физических и химических науках. Например,
оптический пинцет позволил измерить силы, действующие на отдельные атомы, а
также провести химические реакции между отдельными атомами. Оптические ловушки
определили стремительный прогресс в биологических науках ввиду неинвазивности и
малой травматичности метода. С помощью оптических ловушек были захвачены
одиночные клетки и вирусы, изучены молекулярные механизмы движения моторных
белков, разработаны комбинированные устройства, объединяющие лазерный скальпель
и оптический пинцет, для различных задач цитологии, генетики и эмбриологии.
Развитие многих направлений фотоники трудно
представить без структурированных световых полей, представляющих собой свет со
сложной пространственно-временной структурой и другими характеристиками. Ярким
примером структурированных световых полей являются вихревые лазерные пучки,
широко используемые, в том числе, в оптических пинцетах. Захваченный с помощью
вихревого лазерного пучка ансамбль микроскопических объектов совершает
орбитальное движение с определенной угловой скоростью и направлением вращения.
Растущая потребность в оптических манипуляциях в медико-биологической практике
требует расширения существующего арсенала методов и их функциональных
возможностей для максимально полного контроля над микрообъектами.
Учеными ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» в
сотрудничестве с коллегами из Самарского филиала ФИАН предложен и
экспериментально продемонстрирован метод, позволяющий одновременно создавать
массив оптических ловушек, при этом параметрами каждой отдельной ловушки можно
управлять независимо от остального массива.
«Данная ловушка может быть использована
для оптического захвата, удержания и манипулирования микрообъектами, в том
числе живыми биологическими клетками. Вихревые лазерные пучки, лежащие в основе
оптической ловушки, обладают орбитальным угловым моментом, который
характеризует момент силы, действующий на микрочастицу, попавшую в световое
поле лазерного пучка. Таким образом, микрочастицы приобретают способность к
орбитальному движению с определенной угловой скоростью и направлением вращения.
При этом, предложенный метод позволяет формировать массив оптических ловушек,
положениями и значениями орбитальных моментов, которых можно независимо
управлять», – рассказал один из авторов работы, научный сотрудник Института
физики им. Л. В. Киренского СО РАН Денис Иконников.
Исследователи отметили, что полученные знания
представляют интерес для потенциальных приложений в области микробиологии.
«Структурированные световые поля находят
все большее распространение в таких областях как оптическая микроскопия
высокого разрешения и оптические манипуляции. Одним из примеров
структурированных световых полей являются вихревые лазерные пучки. Нашей
группой совместно с коллегами из Самары предложен и экспериментально
продемонстрирован метод, позволяющий получать наборы конфигурируемых вихревых
пучков для использования их в устройстве оптического пинцета. Полученные
результаты могут послужить основой для дальнейшего развития и совершенствования
методов исследования в области микробиологии и фундаментальных процессов в
микромире», – рассказал руководитель группы, старший научный сотрудник
Института физики им. Л. В. Киренского СО РАН Андрей Вьюнышев.
Исследования выполнены при финансовой поддержке
Российского научного фонда (проект № 19-12-00203).
Источник: ФИЦ
«Красноярский научный центр СО РАН».