Оптикалық зембіл - Optical stretcher

Бұл мақала болып табылады жетім, басқа мақалалар сияқты емес оған сілтеме. өтінемін сілтемелерді енгізу осы параққа қатысты мақалалар; көріңіз Сілтеме құралын табыңыз ұсыныстар үшін. (Маусым 2013)

Оптикалық созғыш - бұл екі сәулелі оптикалық тұзақ микрометрлік мөлшерде ұстауға және деформациялауға («созуға») арналған жұмсақ зат биологиялық сияқты бөлшектер жасушалар тоқтата тұру күштер нысандарды ұстау және деформациялау үшін пайда болады фотон импульсі объектілердің бетіне беру, оптикалық зембіл жасау - айырмашылығы атомдық күштің микроскопиясы немесе микропипетаның аспирациясы - байланыссыз құрал реология өлшемдер.

Шолу

Медиа ойнату

Оптикалық зембілдегі ұяшықтың деформациясының мысалы. Созылу фазасы 1 секундтан кейін басталып, 2 секундқа созылады. Лазерлік қуат ұяшықты ұстап қалу үшін 100 мВт құрайды, бір талшыққа 1200 мВт созу үшін. Фазалық контрастты кескіндер, 63х объективті; масштабтық жолақ 10 мкм.

Микрометр өлшеміндегі бөлшектерді екіге ұстау лазер сәулелерді Артур Ашкин алғаш рет 1970 жылы көрсетті,^[1]ол қазір белгілі болған бір сәулелі тұзақты дамытқанға дейін оптикалық пинцет.Бір сәулелі дизайнның артықшылығы - екі оптикалық осьтерді сәйкестендіру үшін екі лазер сәулесін дәл реттеудің қажеті жоқ. 1980 жылдардың соңынан бастап оптикалық пинцет биологиялық диэлектриканы ұстап қалу үшін қолданылды, мысалы, жасушалар немесе вирустар.^[2]

Алайда, тұзақтың тұрақтылығын қамтамасыз ету үшін бөлшек фокус нүктесіне жақын орналасқан бір сәуле жоғары фокусталған болуы керек. Көру ) фокустағы жоғары жергілікті жарық интенсивтілігімен оптикалық пинцетте қолдануға болатын лазерлік қуаттар реологиялық эксперименттер үшін өте аз күш ауқымын шектейді, яғни оптикалық пинцет биологиялық бөлшектерді ұстауға жарамды, бірақ оларды деформациялауға жарамсыз.

Оптикалық зембіл, 1990 жылдардың соңында Джохен Гак және Josef A. Käs,^[3]бастапқыда Ashkin жасаған қос сәулелі дизайнға оралу арқылы бұл мәселені шешеді, бұл әлсіз дивергентті лазерге мүмкіндік береді, осылайша жарықтың интенсивтілігінің зақымдануын болдырмайды және созылу күштерін жұмсақ заттың деформациясы үшін жеткілікті деңгейге дейін арттырады Ұзартқыш жасушаларда қолданылатын лазерлік қуат әдетте 1 Вт-қа тең, созылу күштері 100 рН-ге тең болады. Нәтижесінде ұялы салыстырмалы деформация 1% - 10% аралығында болады.

Оптикалық зембіл бүкіл әлемде көптеген жасушалармен байланыссыз, маркерсіз бүкіл клеткалық реологияны өлшеу үшін қолданылатын жан-жақты биофизикалық құралға айналды. Автоматтандырылған қондырғыларды қолдана отырып, сағатына 100 жасушадан жоғары өткізу қабілеттілігіне қол жеткізілді, деректерді статистикалық талдауға мүмкіндік береді.

Қолданбалар

Жасушалар механикасы және клеткалық реология жасушалық дамуда, сонымен қатар көптеген ауруларда шешуші рөл атқарады.Өткізгіштігі жоғары болғандықтан, оптикалық зембіл көптеген биомеханикалық зерттеулерде жасуша механикасының дамуын немесе өзгеруін зерттеу құралы болды, олардың арасында зерттеулер дамыту қатерлі ісік және бағаналы жасуша саралау.

Дің жасушаларын зерттеудің үлгілі зерттеуі жасушалардың дифференциациялану процесін жарыққа шығарады: сүйек кемігінде орналасқан гемопоэтический жасушалар қан жасушаларының әр түрлі типтеріне бөлініп, адам қанын түзеді, яғни эритроциттер мен ақ қан жасушаларының әр түрлі типтері. Бұл зерттеуде ақ қан клеткаларының типтері олардың кейінгі физиологиялық қызметіне байланысты әр түрлі механикалық мінез-құлықты көрсететіндігі және бұл айырмашылықтар дің жасушаларын дифференциалдау процесінде пайда болатындығы көрсетілген.^[4]

Оптикалық зембілдің көмегімен қатерлі ісік жасушаларының механикалық қасиеттері бойынша олардың сау аналогтарынан едәуір айырмашылығы бар екендігі көрсетілді.^[5]Авторлар «оптикалық деформацияны» қатерлі ісіктерді сау жасушалардан, тіпті одан жоғары сатылардан ажырату үшін биомеханикалық маркер ретінде пайдалануға болады дейді. қатерлі ісік анықтауға болады.

Зембілдің оптикалық қондырғысы

Зембілдің оптикалық қондырғысының негізгі бөліктеріне шолу.

Әдеттегі оптикалық зембіл қондырғысы келесі негізгі бөліктерден тұрады:

• A микрофлюидті жүйе. Әдетте, а тоқтата тұру бір жасушалардың а. арқылы айдалады капиллярлы. Ұяшық лазерлерге түсіп қалу үшін дұрыс жағдайда болған кезде, ағынды тоқтатып, лазерлерді қосу керек.
• Екі қарсы оптикалық талшықтар екеуі лазер сәулелер пайда болады. Екі ерекше лазерді немесе бір лазер көзін және а сәулені бөлгіш.
• A микроскоп ұсталған заттарды бейнелеу үшін қолданылады. Бір жасушалар іс жүзінде мөлдір болғандықтан, көбінесе фазалық контрастты микроскоптар қолданылады, бірақ қажетті өлшемге байланысты, мысалы пайдалану флуоресценттік микроскопия сонымен қатар опция. Кескіндерден деформацияны алуға болады жиекті анықтау алгоритм.
• Сәйкес бағдарламалық жасақтамасы бар компьютерді микрофлюидті ағынды, лазерлерді және микроскоп камерасын кескіндерді жазу үшін пайдалануға болады.

Оптикалық зембіл физикасы

Оптикалық зембілдегі күштердің физикалық шығу тегі

Оптикалық зембілге түскен заттар, әдетте, 10 микрометрлік шкала бойынша диаметрге ие, бұл лазермен салыстырғанда өте үлкен толқын ұзындығы пайдаланылған (көбінесе 1064 нм) .Осылайша лазер сәулесімен өзара әрекеттесуді қарастыру жеткілікті сәулелік оптика.

Қашан сәуле объектіге кіреді, солай сынған сәйкес әр түрлі сыну көрсеткішіне байланысты Снелл заңы.Себебі фотондар тасу импульс, жарық сәулесінің таралу бағытының өзгеруі импульстің өзгеруін, яғни күшін білдіреді Ньютонның үшінші заңы, қарсы бағытта бағытталған тиісті күш заттың бетіне әсер етеді.Фотон импульсінің өзгеруіне байланысты бұл беттік күштер оптикалық зембілдің заттарды ұстап қалу және созу қабілеттерінің бастауы болып табылады.^[6]

Тұтқындаушы күш

Бөлшектер бетіндегі сәулелердің сынуы. Шоқ осіне бағытталған бөлшек үшін импульстің таралуы таралу бағытында болады (шашырау күші, жоғары). Осьтен шыққан бөлшек сәулеге тартылады (градиент күші, төмен).

Барлық беттік күштерді күштің күшіне қарай қосуға болады масса орталығы объектілерді ұстау үшін пайдаланылатын объектінің, әдетте, біреуін қолданады Гаусстық лазер сәулелері Бөлшектерді ұстап қалу үшін.Ең басты назар аударатын нәрсе - Гаусс сәулелерінің жарық күшінің градиенті бар, яғни сәуленің ортасында жарық қарқындылығы жоғары оптикалық ось ) және осьтен төмендейді.

Тұтқырлық күшін деп аталатын екі компонентке бөлу иллюстрациялық сипатта болуы мүмкін шашырау күші және градиент күші:

• Оптикалық зембілдерде қолданылатын гаусс сәулелері - оптикалық пинцеттен айырмашылығы - әр түрлі. Фотондардың импульсі осылайша, негізінен, жарықтың таралу бағытына бағытталады. Заттан шыққаннан кейін импульстің шамасы бірдей, бірақ фотондардың көп бөлігі таралу бағытында өзгерді, осылайша олар алға қарай аз импульс алады. Бұл жетіспейтін импульс объектіге ауысады. Бұл бөлік деп аталады шашырау күші, өйткені ол жарықты жан-жаққа шашыратудан туындайды. Шашырату күші әрқашан заттарды сәуленің таралу бағытына қарай итеретін болғандықтан, ұяшықтарды тұрақты ұстау үшін, шашырау күштері өзара күшін жоятын екі қарама-қарсы өсінді қажет.
• Лазер бағытына перпендикуляр күштің компоненті деп аталады градиент күші. Егер сфероид тәрізді зат оптикалық осьте тураланса, онда бұл күштер Гаусс сәулесінің айналу симметриясына байланысты жойылады және градиент күші болмайды. Алайда, егер зат осьтен жылжытылса, онда сәуле осіне жақын жақта онымен әсерлесетін сәулелер көп болады, ал сыртқы жағынан аз болады.

Ішкі жағындағы сәулелер көбінесе сәуле осінен алшақтатылады (оң жақтағы суретті қараңыз), бұл объектідегі сәуле осіне қарай тиісті күшке әкеледі, осылайша градиент күші затты сәуле осіне тартады.

Бұл қажет сыну көрсеткіші бұл объект қоршаған ортаның индексінен жоғары болса, әйтпесе сыну қарама-қарсы нәтижелерге әкеліп соқтырады, бөлшектерді сәуледен шығарады, бірақ биологиялық заттардың сыну көрсеткіші әрқашан судың немесе жасуша ортасының көрсеткішінен жоғары болады ақуыздың қосымша мөлшері.

Оптикалық зембілде олардың сәйкес шашырау күштерін болдырмау үшін противопаграциялық екі лазерлік сәулелер қолданылады, өйткені олардың градиенттік күштері бөлшектерді ортақ сәуле осіне қарай тарта отырып, бір бағытқа бағытталады, олар қосылады, ал біреуі тұрақты қақпан күйіне келеді. .

Тұтқындау механизмін түсінудің балама тәсілі - бұл бөлшектің лазерлік сәуленің электр өрістерімен өзара әрекеттесуін қарастыру, бұл электр дипольдарының (немесе диэлектриктің, жасушалар тәрізді поляризацияланатын орталардың) ең жоғары аймаққа тартылатындығына әкеледі. өрістің қарқындылығы, яғни сәуленің ортасына дейін электрлік дипольді жуықтау толық ақпарат алу үшін.

Созылу күші

Беттік күштер объектіні негізінен таралу бағыты бойынша тартып, жеткілікті жұмсақ заттардың деформациясына әкеледі.

Бөлшек тұрақты ұсталғаннан кейін, бөлшектің масса центрінде ешқандай таза күш болмайды, бірақ бөлшектің бетінде пайда болатын күштер күшін жоя алмайды, ал аңғалдықпен күткеннің керісінше, жарық болмайды. сығу ұяшық бірақ созу ол:

Фотон импульсінің шамасы арқылы беріледі

${ displaystyle p = { frac {h} { lambda}} = { frac {hn} { lambda _ {0}}}}$

қайда сағ болып табылады Планк тұрақтысы, n The сыну көрсеткіші орта және λ The толқын ұзындығы фотон импульсі артады фотон жоғары сыну индикаторының ортасына енгенде.Моменттің сақталуы бөлшекке әсер ететін, қарсы бағытқа бағытталған беттік күшке әкеледі, яғни. сыртқа.Фотон ұсталған заттан шыққан кезде оның импульсі азаяды және импульстің сақталуы қайтадан сыртқа бағытталған күш жұмсауды талап етеді, осылайша, барлық беттік күштер сыртқа бағытталғандықтан, олар жойылмайды, бірақ қосылады.

Ең жоғары созылу күштерін сәуленің осінен табуға болады, онда жарықтың қарқындылығы жоғары және сәулелер тік бұрышқа енеді.Жасушаның полюстері жанында, ешқандай сәуле кедергі жасамайды, беттік күштер жоғалады.

Созылу күштерін есептеу үшін сәулелік оптикаға негізделген әр түрлі математикалық модельдер жасалды^[7][8]немесе Максвелл теңдеулерінің шешімі.^[9]

Әдебиеттер тізімі