Оптическая ловушка

Оптическая ловушка, или оптический пинцет, представляет собой устройство для захвата и манипулирования микроскопическими объектами с помощью сфокусированного лазерного луча. Принцип действия основывается на использовании силы излучения света, действующего на частицы, обладающие поляризуемостью. В мягкой материи такие ловушки широко применяются для исследования коллоидных частиц, биологических молекул, полимерных цепей и других объектов микрометрического и субмикрометрического размера.

Сила, действующая на частицу, делится на два основных компонента:

  1. Сила рассеяния (radiation pressure force) – направлена вдоль направления распространения светового пучка и обусловлена переносом импульса от фотонов на частицу.
  2. Градиентная сила (gradient force) – возникает из-за неоднородного распределения интенсивности поля в фокусе лазера; стремится переместить частицу к области максимальной интенсивности.

Для стабильного удержания частицы требуется, чтобы градиентная сила превышала силу рассеяния. В этом случае частица удерживается вблизи фокуса пучка, образуя трехмерную ловушку.

Теоретическая модель

В случае диэлектрических сферических частиц, размеры которых малы по сравнению с длиной волны света (регион Рэлея), градиентная сила может быть выражена как:

$$ \mathbf{F}_{\text{grad}} = \frac{2\pi n_m r^3}{c} \Re\left(\frac{m^2-1}{m^2+2}\right) \nabla I(\mathbf{r}) $$

где:

  • nm – показатель преломления среды,
  • r – радиус частицы,
  • m = np/nm – относительный показатель преломления частицы np к среде,
  • I(r) – локальная интенсивность лазерного пучка,
  • c – скорость света в вакууме.

Для более крупных частиц (r ∼ λ) используется теория геометрической оптики, где на частицу действуют силы, возникающие при преломлении и отражении светового луча на границе частица–среда.

Конфигурации оптических ловушек

Существуют несколько основных конфигураций:

  1. Однолучевая фокусированная ловушка – стандартная оптическая ловушка с высокоапертурным объективом, создающая точку с максимальной интенсивностью, в которой удерживается частица.
  2. Двухлучевая ловушка – используется для уменьшения нагрева частицы и стабилизации захвата, когда силы рассеяния сбалансированы противоположными пучками.
  3. Оптический конвейер и решетка – массив лазерных пучков позволяет перемещать частицы по заданной траектории, формируя одномерные или двумерные оптические потенциалы.

Применение в физике мягкой материи

Оптические ловушки стали незаменимым инструментом для исследования динамики коллоидных частиц и полимеров. Среди ключевых применений:

  • Измерение микроригидности: удерживая частицу в жидкости, можно изучать локальные вязкостные и упругие свойства среды по амплитуде термических флуктуаций частицы.
  • Манипуляция отдельными макромолекулами: например, растяжение ДНК или белковых молекул для исследования их механических свойств.
  • Формирование упорядоченных структур: с помощью оптических решеток можно собирать коллоидные кристаллы или создавать динамические ансамбли частиц.
  • Изучение межчастичных взаимодействий: удерживая две и более частиц вблизи друг друга, можно измерять силы отталкивания или притяжения на микроскопическом уровне.

Технические особенности и ограничения

  • Выбор длины волны: для биологических и мягкоматериальных систем важно минимизировать фототермический эффект. Чаще всего используют инфракрасные лазеры (~1064 нм).
  • Аппаратура: высокоапертурные объективы (NA > 1.2) позволяют достигать достаточных градиентов для удержания субмикрометровых частиц.
  • Флуктуации и стабилизация: оптические ловушки чувствительны к колебаниям лазера и вибрациям установки, что требует активной стабилизации.
  • Ограничения по размеру частицы: слишком маленькие частицы ( < 50 нм) удерживаются плохо из-за низкой поляризуемости, слишком крупные могут быть выброшены силой рассеяния.

Методы измерений и анализа

  • Броуновская динамика в ловушке: анализ флуктуаций координат частицы позволяет получать информацию о локальной вязкости и конформационной свободе полимеров.
  • Калибровка силы: чаще всего используется метод рассеяния света или метод гидродинамического дрейфа, позволяющий точно определить коэффициент жёсткости ловушки.
  • Визуализация траекторий: высокоскоростные камеры и флуоресцентная маркировка дают возможность наблюдать динамику отдельных частиц и их взаимодействий.
Оглавление