Стандартная система оптических пинцетов от JCOPTIX состоит из четырех модулей: лазерного модуля, модуля освещения, модуля формирования изображения и модуля управления положением образца.

1.Лазерный модуль.

Полупроводниковый лазер с длиной волны 780 нм, диаметром пучка около 3,5 мм и оптической мощностью 50 МВт. После того, как лазерный луч отражается от двух зеркал с серебряным покрытием, он попадает на главную оптическую ось системы. Используя два зеркала, можно легко настроить направление луча таким образом, чтобы он был направлен вертикально вдоль оптической оси объектива.

2. Модуль освещения. 

Система оптических пинцетов использует в качестве источника излучения стандартный предварительно коллимированный светодиод (LEM-W1C1) и вспомогательный контроллер (LEC1-A). Излучение отражается зеркалом, расположенным под углом 45°, и направляется снизу на образец, а затем собирается линзой объектива для получения изображения.

3. Модуль формирования изображения.

Система оптических пинцетов использует стандартную цветную камеру USB3.0 (AIC-502C-USB). В схеме используется коротковолновое дихроичное зеркало (длина волны пропускания/отражения: 680 нм). Излучение лазера с длиной волны 780 нм отражается от дихроичного зеркала и затем фокусируется объективом; после того, как луч попадает на образец, он собирается объективом, отражается от дихрочного зеркала и поступает в камеру, где формируется изображение. Перед камерой также установлены два узкополосных фильтра (длина волны отсечки: 505 нм) для устранения отражаемого образцом лазерного излучения. Модуль формирования изображения оснащен двумя микроскопическими объективами: 100-кратным с числовой апертурой NA=1,25; и 60-кратным с числовой апертурой NA=0,85. Пользователи могут выбрать объектив, подходящий под их задачи.

4.Система управления положением образца.

В стандартной системе оптических пинцетов используется стандартный трехосевой линейный транслятор из нержавеющей стали (DML65S-25LXYZ). Ход смещения по трем осям составляет 25 мм, минимальное перемещение – 10 мкм.

Рисунок 1 – Схема системы оптических пинцетов

Оптический пинцет

Артур Эшкин получил Нобелевскую премию по физике в 2018 году “за изобретение оптического пинцета и его применение в биологических системах”. Технология вызвала интерес многих исследователей, что способствовало развитию инновационного применения оптических пинцетов.

Оптический пинцет, изобретенный Артуром Эшкином, использует лазеры для захвата различных частиц. Механизм захвата частиц основан на явлении давления света, которое можно разложить на градиентную силу и силу рассеяния. На рисунке 2 представлена принципиальная схема действия оптического пинцета. Два краевых луча падающего лазерного излучения a и b фокусируются за линзой и освещают поверхность частицы. После двух преломлений направление распространения лучей изменяется. Из-за неравномерного распределения интенсивности светового поля возникают градиентные силы Fa и Fb, и импульс частицы изменяется. Величина силы пропорциональна градиенту интенсивности света, и этот эффект заставляет частицы двигаться в направлении максимальной интенсивности света. При этом доля излучения поглощается частицей, что также приводит к преобразованию импульса. Некоторая часть лазерного излучения рассеивается от поверхности частиц, часть света отражается. Возникает сила отталкивания – рассеивающая сила, которая пропорциональна интенсивности излучения, то есть рассеивающая сила увеличивается с увеличением мощности лазера, а ее направление сонаправлено с распространением излучения. Когда градиент светового поля достаточно велик, градиентная сила больше силы рассеяния, и возможно осуществить захват частиц и манипулирование ими в трехмерном пространстве.

Рисунок 2 - Принципиальная схема оптического пинцета

Поскольку оптические пинцеты не соприкасаются непосредственно с образцом, их преимущества заключаются в минимальном повреждении образца, что делает их важным инструментом в физике, биологии, химии и других областях исследований.

Как рассчитать силу удержания оптического пинцета

В световой ловушке частицы подвергаются одновременному воздействию двух сил: трения между частицами и жидкостью

FR и силы удержания оптического пинцета FH. Сила удержания может быть определена как сила, необходимая для поддержания частицей скорости, достаточной для захвата оптическим пинцетом. В частности,

F Hmax =FR.

Сила трения между частицами и жидкостью прямо пропорционально скорости перемещения частиц v, то есть чем выше скорость, тем больше сила трения. Силу трения можно рассчитать по следующей формуле

FR=6πηeffRv,

где R – радиус частиц, ηeff – эффективная вязкость, параметр, указывающий на степень связанности частиц и жидкости. Эффективная вязкость вычисляется исходя из величины смещения каждой частицы во время броуновского движения в жидкости-носителе по следующей формуле:

   ηeff = 2kBT/3πmR,

где m – среднеквадратичное значение смещения частиц, T – температура образца в Кельвинах, kB – постоянная Больцмана. Таким образом, максимальная сила удержания в оптическом пинцете составляет:

FHmax=FR=4kBTvmax/m.

Конкретное значение максимальной силы удержания, которую может обеспечить стандартный оптический пинцет JCOPTIX STS1, зависит от используемой жидкости-носителя и природы частиц.

Компания INSCIENCE является эксклюзивным дистрибьютором продукции JCOPTIX на территории РФ. Для подробного ознакомления с ассортиментом производителя приглашаем Вас посетить сайт jcoptix.ru