Praktická využití silových účinků světla

84

Referáty

Praktická využití silových účinků světla Pavel Zemánek, Petr Jákl Ústav přístrojové techniky AV ČR, v. v. i., Královopolská 147, 612 64 Brno Po dlouhou dobu byly silové účinky světla doménou science fiction, až v posledních dvaceti letech našly výraznější praktické využití. Silové účinky laserových svazků nyní umožňují účinně zpomalit (tj. „zchladit“) atomy a molekuly, prostorově zachytit a přemístit mikroobjekty, živé mikroorganismy nebo nanoobjekty, roztřídit mikroobjekty podle velikosti či měřit síly v řádu pN působící na zachycený objekt.

ÚVOD Silové účinky světla na objekty jsou založeny na přenosu hybnosti z fotonů na hmotnou částici. První úvahy o existenci takové interakce lze vystopovat již v 17. století u J. Keplera v jeho díle O kometách [1]. J. Kepler předpokládal, že chvosty komet směřují od Slunce právě proto, že je strhává světlo. Teoretického důkazu se tato hypotéza dočkala od J. C. Maxwella [2], experimentálně byla prokázána začátkem 20. století P. N. Lebeděvem [3] a nezávisle E. F. Nicholsem a G. F. Hullem [4]. Výrazný rozvoj v praktickém využití silových účinků světla nastal až koncem 70. let minulého století, kdy lasery o výkonu desítek až stovek mW byly dostupné i v laboratořích, které se nespecializovaly na vývoj laserů. Fotony při interakci s hmotnými objekty mění směr svého šíření, čímž dochází ke změně jejich hybnosti. Podle druhého Newtonova zákona je tato změna hybnosti objektu za jednotku času dána silou, kterou objekty působí na fotony. Následně podle třetího Newtonova zákona akce a reakce fotony na objekt působí stejně velkou silou, jen opačně orientovanou. Tato

síla pak způsobuje viditelnou změnu polohy ozářeného objektu. Silové účinky světla si přibližme na příkladu, ve kterém se fotony šíří prostředím o indexu lomu n1, dopadají kolmo na rozhraní, odrážejí se nebo případně procházejí do druhého prostředí s indexem lomu n2 (viz obr. 1). Za dobu Δt na rozhraní dopadá N fotonů:

N=

PΔt PΔtλ0 PΔt = = , hν hc c p0

(1)

kde h je Planckova konstanta, ν kmitočet světla, c rychlost světla ve vakuu, λ0 vlnová délka světla ve vakuu, p0 označuje velikost hybnosti fotonu ve vakuu a P dopadající zářivý výkon. Hybnost fotonů dopadajících na povrch za dobu Δt je pi = n1 p0 N, hybnost fotonů prošlých rozhraním je pt = n2 p0 T N a hybnost všech fotonů odražených rozhraním zpět je pr = −n1 p0 R N. Celková změna hybnosti fotonů podél osy jejich šíření za dobu Δt tedy je

Δp = pt + pr − pi = p0 N [n2T − n1 ( R + 1) ].

(2)

Síla, která způsobila tuto změnu hybnosti fotonů, je podle druhého Newtonova zákona

F fot =

[

]

Δp P = n2T − n1 (R + 1) . Δt c

(3)

Podle zákona akce a reakce stejně velkou silou, ale opačného směru, působí fotony na rozhraní (objekt), které způsobilo změnu jejich hybnosti: odrazná plocha

absorbující plocha

Fobj = − F fot =

průhledné rozhraní dvou prostředí

Obr. 1 Znázornění velikosti a směru síly, která působí na rozhraní a je vyvolaná fotony dopadajícími na odrazné, absorbující a průhledné rozhraní mezi prostředími o různých indexech lomu n1 a n2. Velikost hybnosti jednoho fotonu ve vakuu je označena p0 = h/λ0, odrazivost plochy R a její propustnost T.

http://cscasfyz.fzu.cz

n1 P ⎡ n2 ⎤ n1 P Q, ⎢(R + 1) − T ⎥ ≡ c ⎣ n1 ⎦ c

(4)

kde Q udává, jaká část hybnosti dopadajících fotonů n1P/c se využije k silovému působení na objekt. Pro zcela odrazný povrch R = 1 nabývá maximální hodnoty Q = 2 a síla urychluje povrch ve směru dopadajícího záření. Od Slunce dopadá na 1 m2 zemského povrchu zářivý výkon 1 328 W, který podle vztahu (4) na stejně velkou stoprocentně odraznou plachtu působí silou 9 μN. Ze vztahu (4) lze snadno zjistit, že plachta o ploše 100×100 m2 udělí objektu o hmotnosti 100 kg přibližně

č. 2 stejné zrychlení, jaké se plánuje při cestách stávajících družic k Marsu (≅1 mm/s2). Tento druh pohonu již byl testován na menších satelitech, které byly vypuštěny na oběžnou dráhu [5–8]. Jsou rozpracovány i studie, které zvažují použití odrazu slunečních paprsků k bezotřesové stabilizaci orientace malých družic [9]. Zaměříme-li se na mikrosvět a na hliníkovou krychličku o délce hrany 1 μm zaostříme svazek z laserového ukazovátka o výkonu 5 mW, opětovné použití vztahu (4) překvapivě ukáže, že krychlička získá zrychlení přibližně 1 700× větší, než je tíhové zrychlení Země! Je tedy vidět, že i běžně dostupné lasery jsou schopny výrazně ovlivnit chování mikroobjektů. V posledním případě uvažujme pružnou rovinnou membránu, která neabsorbuje a odděluje vzduch n1 = 1 a vodu n2 = 1,33 (T = 4n1 n2/(n1+n2)2 = 0,98). Použijeme-li stejné laserové ukazovátko jako výše, získáme sílu, která působí na ozářený povrch membrány silou −4,7 pN. Záporné znaménko je způsobeno posledním členem v rovnici (4), který ukazuje, že v prostředí za membránou je v důsledku vyššího indexu lomu i vyšší hybnost fotonů. Důsledkem je, že plocha se deformuje proti směru šíření světla [10]. Tento efekt se s výhodou používá v zařízení zvaném optický natahovač (optical stretcher), kterým je možné bezkontaktně deformovat živé buňky [11]. Podrobnější fyzikální popis interakce mezi světlem a mikročásticí by odhalil, že výslednou působící optickou sílu lze rozložit na dva příspěvky. Tzv. rozptylová síla odpovídá síle popisované výše při odrazu světla na povrchu a způsobuje pohyb objektů ve směru šíření světla. Gradientní síla je vyvolána prostorově nehomogenním rozložením intenzity elektrického pole laserového svazku a způsobuje vtahování opticky hustší částice (resp. vypuzování opticky řidší částice z) do místa s vyšší intenzitou pole – typicky ohniska svazku. Tato síla je ekvivalentní síle působící na dielektrikum v nehomogenním elektrostatickém poli (např. zasouvání dielektrika do kondenzátoru).

KLASICKÉ METODY OPTICKÝCH MANIPULACÍ Optická pinzeta (Optical tweezers) Za průkopníka moderních optických mikromanipulačních technik je po právu považován dr. Arthur Ashkin z Bellových laboratoří, který v roce 2011 oslavil 89 let [12]. Koncem 60. let dospěl k závěru, že fokusovaný laserový svazek může způsobit pozorovatelné změny v chování mikročástic a také atomů. Jeho systematická experimentální i teoretická práce položila základ laserovému chlazení atomů, za které byla jiným vědcům v roce 1998 udělena Nobelova cena za fyziku [13]. A. Ashkin dále představil světu optickou pinzetu (optical tweezers) [14–16], která využívá jediného ostře fokusovaného laserového svazku k prostorovému zachycení objektu o větším indexu lomu, než má okolní médium. Tento nástroj umožňuje bezkontaktně zachytit objekty o velikostech od desítek nanometrů po desítky mikrometrů v blízkosti ohniska svazku. Z tohoto důvodu se k fokusaci používají mikroskopové objektivy s vysokou numerickou aperturou. Většina experimentů se provádí s olejovými imerzními objektivy o numerické apertuře 1,2–1,3 a zvětšením 60x až 100x. Vlnová délka laseru se volí tak, aby byla minimálně absorbována objektem, v případě živých buněk se většinou jedná o lasery v blízké infračervené oblasti.

Čs. čas. fyz. 62 (2012)

85

» Průkopníkem

a)

mikromanipulačních technik využívajících tlaku záření je Arthur Ashkin.

b)

«

c)

d)

Obr. 2 Optické zachytávání a manipulace s částicemi s indexem lomu vyšším než okolního prostředí. a) Středně fokusovaný gaussovský svazek táhne částici do osy svazku tzv. gradientní optickou silou a tlačí ve směru svého šíření tzv. rozptylovou silou. Ve vzduchu jsou částice urychlovány, ale v kapalném prostředí je pohyb přetlumený a částice se pohybuje s konečnou rychlostí určenou rovnováhou mezi Stokesovou silou tření a optickou silou v = Fopt/γ, kde v případě kulové částice γ = 6πηr, r je poloměr kulové částice, η je koeficient dynamického tření. b) Dva mírně fokusované protiběžné neinterferující svazky s nepřekrývajícími se ohnisky. Částice jsou opět gradientní silou taženy do osy svazků a následně rozptylovými silami do místa, kde se rozptylové síly od obou svazků kompenzují (označeno +). c) Jeden ostře fokusovaný svazek vytváří gradientní optickou past, ve které jsou částice zachyceny mírně za ohniskem v místě, kde axiální gradientní síla kompenzuje axiální rozptylovou sílu. d) Stojatá vlna je vytvořena interferencí dvou protiběžných svazků. Velikost a index lomu částic určují, zda částice bude svým středem zachycena v kmitně (zelená částice) nebo uzlu (modře) stojaté vlny. Částice určité velikosti jsou pouze zachyceny na ose svazků, ale nepodléhají silám vznikajícím vlivem stojaté vlny.

Prostorové manipulace s živými i neživými mikroobjekty se dosahuje změnou polohy ohniska svazku, např. systémem vychylovacích zrcátek, akustooptickými deflektory nebo fázovými maskami. Optická pinzeta dosáhla největší popularity z rodiny optických mikromanipulačních technik patrně z toho důvodu, že ji lze velmi snadno kombinovat s optickými mikroskopy a nevyžaduje speciální přípravu vzorků. V dnešní době existuje již několik prodejců (včetně tuzemského výrobce Meopta – optika, s. r. o.), kteří nabízejí různě drahé varianty [17]. Optická pinzeta nalezla využití všude, kde je třeba bezkontaktně organizovat mikroobjekty za průhlednou přepážkou (sklem, uvnitř živých buněk apod.), např. v biologii při manipulacích s živými buňkami, při studiu aerosolů a v koloidní chemii. Je však třeba si uvědomit, že tzv. optické síly nejsou dostatečně silné, aby bylo možné tímto nástrojem objekty vytahovat z buněk nebo z kapaliny. Rostoucí popularita optické pinzety vedla k postupným modifikacím klasického jednosvazkového schématu, které zvyšovaly flexibilitu nástroje a umožnily nové typy experimentů. Byly navrženy a realizovány


86

Referáty

»

Optické mikromanipulační techniky se s úspěchem kombinují s technikami mikrospektroskopickými.

«

Obr. 3 Ukázka mikromanipulace s polystyrenovými kuličkami o průměru 2 μm. Optické pasti jsou tvořeny simultánně fázovými difrakčními mřížkami generovanými řídicím počítačem na prostorovém fázovém modulátoru světla. Modulátor tak umožňuje bezkontaktně dynamicky měnit polohu i intenzitu světla v jednotlivých optických pastech.

systémy s více optickými pastmi (ohnisky laserů), které byly generovány navýšením počtu chytacích svazků, např. polarizačním děličem, mřížkou, hologramem nebo rychlými přeběhy jediného svazku mezi optickými pastmi [18, 19]. V poslední době na tomto poli dominuje metoda počítačem generovaných hologramů, které jsou realizovány prostorovými fázovými modulátory světla (viz obr. 3). Tato metoda dosáhla snad nejvyššího stupně univerzálnosti, protože umožňuje vytvořit téměř libovolný počet optických pastí (s limitem daným dostupným výkonem laseru a počtem pixelů modulátoru) rozmístěných v prostoru. Navíc umožňuje dynamicky měnit hologramy a tím parametry a počet optických pastí s frekvencí, která je dána technickým řešením zvoleného typu modulátoru [20].

Ramanovská pinzeta (Raman tweezers) Praktické aplikace nalézají kombinace optických mikromanipulačních metod se spektroskopickými technikami (ramanovská spektroskopie, fluorescenční mikroskopie) [21] a také s mikrofluidními systémy představujícími jádro lab-on-a-chip zařízení [22]. Výhoda ramanovské spektroskopie spočívá v tom, že poskytuje informaci o vibračním spektru chemických vazeb ve vzorku (např. v živé buňce nebo mikroorganismu), aniž by bylo třeba vzorek jakkoliv modifikovat (např. fluorescenčními barvivy). Je-li Ramanův rozptyl excitován fokusovaným svazkem, lze získat mapu rozložení vibračních spekter chemických vazeb se submikrometrovým prostorovým rozlišením [23, 24]. Kombi Kombi-

nace s optickou pinzetou byla navržena již před 25 lety [25] a nabízí jedinečnou možnost bezkontaktně zachytit jednotlivé mikroobjekty (bakterie, řasy, mikroorganismy) difundující v médiu a udržet je po dobu snímání ramanovského spektra v excitačním svazku. Analýza spektra umožňuje „in situ“ odlišit mikroobjekty (např. jednotlivé bakteriální kmeny [26] nebo získat nasycenost mastných kyselin obsažených v lipidických kapénkách uvnitř řas [27]). Kombinace s optickou pinzetou a mikrofluidními čipy nabízí i možnost bezkontaktního „on-line“ třídění mikroobjektů na základě výsledků analýzy ramanovského spektra v průtočných čipech.

Optický pikotenzometr A. Ashkin byl také u zrodu metody, která optickou pinzetu doplňuje o přesnou detekci výchylky zachyceného objektu z rovnovážné metody a nabízí měření extrémně slabé působící síly v řádu jednotek až stovek pN [28]. Zachycená částice slouží jako sonda (viz obr. 6), která změnou své polohy reaguje na velmi slabé vnější silové působení vyvolané např. interakcí s povrchem, proudem kapaliny, tahem biomolekuly připoutané k sondě. Předpokládá se, že výchylka je přímo úměrná působící síle a součástí každého experimentu je přesné určení konstanty úměrnosti, tzv. tuhosti optické pasti [29, 30]. Využití této metody k měření silových interakcí mezi jednotlivými molekulami molekulárních motorů vedlo k revolučním poznatkům o fungování systémů zajišťujících transport uvnitř buněk (myosin-aktin, kinesin/ dynein mikrotubule), DNA a RNA polymeráz, bakte dynein-mikrotubule), bakteriofágů apod. [31–34].

Obr. 4 Schéma sestavy pro snímání ramanovských spekter mikrobiologických vzorků, která na základě spektrální odlišnosti od sebe separuje jednotlivé mikroorganismy polohovatelnou optickou pinzetou.


č. 2 Optický natahovač (Optical stretcher) Geometrie optického natahovače je založena na dvou protiběžných středně zaostřených laserových svazcích, mezi jejichž ohnisky je zachycen objekt (tzv. dual-beam trap, viz obr. 2b) [35]. Technicky se nejčastěji využívají protiběžná optická vlákna, která rovněž umožňují snadnou integraci s průtočnými mikrofluidními čipy (viz obr. 5). Mírná fokusace svazků zajistí nižší hustotu energie v zachyceném objektu, a tím i jeho menší poškození světlem. Zachyceny bývají velmi pružné objekty s indexem lomu mírně vyšším než okolní prostředí (např. červené krvinky, buňky). Takové objekty jsou deformovány s rostoucím dopadajícím zářivým výkonem a protahují se ve směru osy šíření svazků mechanismem vysvětleným v úvodu. Rychlé snímání a analýza deformace objektu umožňuje stanovit parametry pružnosti objektu, které v případě živých buněk zprostředkovaně vypovídají o jejich fyzické kondici. a)

b)

Obr. 6 Princip měření velmi slabých sil optickou pinzetou. (a) Pokud vnější síla nepůsobí, zachycená částice zůstává v rovnovážné poloze. (b) Vnější síla Fext způsobí výchylku Δx zachycené částice z rovnovážné polohy tak velkou, aby vyvolaná opačně působící optická síla Fopt byla stejně velká jako Fext. Pro malé výchylky částice z rovnovážné polohy platí závislost Fopt = – κΔx, kde κ je tuhost optické pasti. Maximální měřitelná velikost vnější síly je omezena hodnotou Fmax.

Protože rakovinné buňky se deformují více a rychleji než zdravé, byl optický stretcher například testován k odlišování zdravých buněk od rakovinných v průběhu desítek milisekund [11, 36, 37]. Aplikační potenciál optického natahovače ještě umocňují kombinace s mikromanipulačními metodami (nehomogenním elektrickým nebo teplotním polem, optickou pinzetou) a optickými diagnostickými metodami (fluorescenční mikroskopie, laserové spektroskopie) aplikovanými přímo v mikrofluidních čipech.

a)

Čs. čas. fyz. 62 (2012) b)

Obr. 5 Světlem vyvolaná síla vede k zachycení a protažení buněk. Buňky plují mikrofluidním kanálem a mohou být postupně zachycovány (a) a deformovány (b) dvojicí protiběžných laserových svazků přivedených optickými vlákny [11].

je vlnová délka světla a v prostředí s nižším indexem lomu při totálním odrazu světla. Blízké pole je typické tím, že v určitém směru jeho intenzita exponenciálně klesá s charakteristickou délkou ve stovkách nanometrů, a tudíž se v tomto směru není schopno volně šířit (zářit). Kromě dielektrických útvarů lze využít kovových nanostruktur, ve kterých lze po ozáření vhodnou vlnovou délkou vyvolat plazmonové rezonance, které způsobí řádové zesílení blízkého pole obklopujícího nanoobjekt [44]. Nechtěným efektem však je zahřívání nanoobjektů. Z hlediska optických mikromanipulací působí na částice silně nehomogenní elektromagnetické pole, které dává vznik gradientní síle táhnoucí částice k povrchu nebo nanostruktuře. Je-li povrch plošně ozářen, dojde k zachycení velmi malých částic nebo organizaci jejich pohybu na povrchu za přispění vhodných povrchových nanostruktur (kovových nanoantén) [45] nebo prostorovým vytvarováním rozložení intenzity pole chytacího svazku [42, 45, 46].

Manipulace negaussovskými svazky Klasický rezonátorový mód TEM00 má po výstupu z rezonátoru laseru tvar tzv. gaussovského svazku [47]. Vhodná transformace takového svazku, např. fázovou maskou, hranoly apod., generuje celé skupiny dalších svazků, které jsou většinou nazývány podle autorů funkcí, jež popisují jejich prostorové rozložení intenzity (např. Besselovy, Airyovy, Laguerreovy-Gaussovy, Mathieovy svazky) [48]. Zvláštní kategorii tvoří tzv. nedifrakční svazky, které při svém šíření nemění příčné rozložení intenzity. Lze vytvořit například velmi úzké svazky, které si tuto svou vlastnost udržují na řádově větších axiálních vzdálenostech než klasický (difrakč-

POKROČILÉ METODY OPTICKÝCH MANIPULACÍ A JEJICH APLIKACE Mimo standardního schématu optické manipulace „jeden svazek – jedna částice“ se též objevily a objevují nové přístupy, které k ovlivnění polohy a pohybu objektů nevyužívají silně zaostřených svazků, ale např. samovolné organizace mnoha částic v širších svazcích [38, 39], v nezářivých (evanescentních) polích [40–43], využívají kovových struktur se zesíleným blízkým polem plazmonovými rezonancemi, nedifrakčních a vírových svazků, interferujících svazků, polí mikrozrcadel apod.

Využití blízkých polí a plazmonových rezonancí Blízkým polem rozumíme tzv. nezářivou evanescentní vlnu, která vzniká v blízkosti objektů menších než

87

Obr. 7 Příklad stojaté vlny vytvořené nad hranolem dvěma protiběžnými laserovými svazky dopadajícími na horní rozhraní pod úhly většími než mezními. Částice jsou na povrchu zachyceny v intenzitním maximu nebo minimu světelné interferenční struktury v závislosti na své velikosti. Jisté velikosti částic však stojatá vlna silově neovlivňuje, a ty se pak vlivem tepelného pohybu volně pohybují v interferenční struktuře.


88

0

Referáty

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

z [μm] Obr. 8 Přibližně 1 mm dlouhý řetězec asi 5 000 optických pastí, z nichž každá je 200 nm dlouhá a 2 μm široká. Je v nich prostorově zachyceno asi 1 000 polystyrenových kuliček o poloměru 175 nm. Obrázek vznikl složením 10 záběrů CCD kamery, velikost jednoho záběru označuje bílý obdélník. Změnou fáze jednoho svazku bylo možné všechny objekty přemísťovat doprava nebo doleva (tzv. optický dopravník).

Obr. 9 Optická manipulace s polymerovými mikročásticemi pomocí nedifrakčního Airyova svazku. Zvláštností tohoto svazku je jeho nepřímočaré šíření, které umožňuje pouhým radiačním tlakem přesunout mikročástice přes pevnou překážku. Převzato z http://www.st-andrews.ac.uk/news/ archive/2008/Title,24711,en.html.

ní) gaussovský svazek o stejné šířce pasu [49]. Tzv. Airyovy svazky se nešíří přímočaře a našly využití např. při dopravě mikročástic po zakřivených trajektoriích [50]. Zvláštní kategorii svazků tvoří tzv. vírové svazky, které vykazují fázovou singularitu ve svém příčném profilu intenzity a nesou tzv. orbitální moment hybnosti [51].

Přenos momentu hybnosti Laserové svazky mohou na objekty působit i momentem sil, který vede k rotaci objektů kolem vhodné rotační osy [52]. Svazky s kruhovou polarizací přenášejí moment hybnosti (tzv. spinový) ze světelného pole na dvojlomné nebo nesymetrické objekty [53]. Vírové svazky při interakci s objekty předávají tzv. orbitální moment hybnosti, který způsobí rotaci částic kolem

fázové singularity svazku (většinou osy svazku). V důsledku tření vyvolává pohyb mikročástic v kapalině proudění a rotující či pohybující se částice jsou využívány jako světlem řízené mikropumpy [54].

Optické mřížky a optické třídění V posledních pěti letech se rovněž výrazně rozvíjely nové metody, které nejsou založeny na jednom fokusovaném svazku, ale na více interferujících laserových svazcích vytvářejících tzv. optické mřížky (optical lattices). Jsou využívány k zachycení stovek až tisíců objektů (viz obr. 11) a jejich dopravování až na milimetrové vzdálenosti [49] (tzv. optical conveyor belt). Zvláštní aplikaci představuje samovolné třídění heterogenních suspenzí ozářených optickou mřížkou (optical sorting, optical fractionation) [55, 56]. Princip je založen na skutečnosti, že síla, která působí na částice v periodické interferenční světelné struktuře, je závislá na velikosti nebo složení ozářených částic. Do dnešních dnů bylo představeno několik geometrií, jak experimentálně využít tohoto principu k třídění mikročástic v proudícím [57, 58] nebo statickém [59, 60] médiu (viz obr. 12 a 13).

Opticky vázané struktury Výše zmíněné metody využívaly vhodně tvarovaného laserového svazku, aby vytvořily optickou past a zachytily objekt. Ukazuje se však, že za určitých okolností ozářené objekty rozptylují světlo takovým způsobem, že interference rozptýleného světla s dopadajícím svazkem vytváří optické pasti pro ostatní objekty a prostorově samouspořádává neutrální objekty do tzv. opticky vázaných struktur [38]. V důsledku takové optické vazby vznikají samouspořádané koloidní struktury, jejichž prostorové rozložení závisí na parametrech okolního prostředí, objektů a prostorovém rozložení dopadajícího svazku. Jemná změna těchto parametrů způsobí modifikaci struktury i její rozpad (viz obr. 14).

ZÁVĚR Optické mikromanipulační techniky otevřely v posledních dvaceti letech celou řadu možností nejen ve fyzice, ale i v biologii, chemii a technických vědách. Umožnily bezkontaktní manipulace s mikroobjekty,

0 ms 40 ms 80 ms 120 ms 160 ms Obr. 10 Rotace částic v optickém víru tvořeném besselovským svazkem s topologickým nábojem l = +5. Částicemi jsou polystyrenové kuličky o průměru 5,2 μm, jedna z částic je pro zvýraznění označena černým bodem. V tomto případě byla úhlová rychlost řetízku částic přibližně 10 rad.s-1 při dopadajícím optickém výkonu 300 mW v rovině vzorku. Změna znaménka topologického náboje obrátí směr rotace řetízku částic.

Obr. 11 Částice o velikosti 800 nm vázané v optické mřížce tvořené interferencí tří, čtyř, pěti či šesti symetricky rozmístěných svazků svírajících s optickou osou stejný polární úhel.


č. 2 nanoobjekty, živými buňkami, případně uvnitř nich; měřily silové interakce mezi jednotlivými složkami molekulárních motorů a mezi koloidy. V posledních letech nabízejí také třídění různě velkých mikroobjektů pouhým osvícením vzorku světlem či samouspořádávání mikročástic do jedno- a dvoudimenzionálních struktur. Článek si nekladl za cíl podat vyčerpávající přehled praktického využití optických mikromanipulačních technik, a proto se stručně zaměřil jen na několik nejznámějších příkladů. Zvídavý zájemce získá více informací v několika knihách věnovaných tomuto tématu [12, 61–65], v přehledových článcích [18, 30, 56, 66–68] nebo dotazem u autorů. Poděkování Prezentované výsledky byly finančně podporovány projekty MŠMT (Centra Moderní optiky-LC06007) a GAČR (GA202/09/0348).

Čs. čas. fyz. 62 (2012)

89

350 nm 410 nm

Obr. 12 Optické třídění koloidních částic podle jejich velikosti ve statické kapalině a pohybující se jednodimenzionální optické mřížce (realizované evanescentní stojatou vlnou [59]). Větší částice necítí stojatou vlnu a jsou větším radiačním tlakem tlačeny doleva (naklonění „potenciálového“ profilu je způsobeno vyšší optickou intenzitou svazku jdoucího zprava). Menší částice jsou zachyceny do stojaté vlny a principem optického dopravníku jsou pohyblivou stojatou vlnou přemísťovány doprava. Obrázek vpravo ukazuje chování a třídění polystyrenových kulových objektů o průměru 410 nm (pohyb k menším hodnotám z) a 350 nm (k větším hodnotám z).

0,0 s

1,0 s

1,9 s

2,9 s

3,8 s

Literatura [1] J. Kepler: De Cometis libelli tres. Augustae Vindelicorum, Augsburg 1619. [2] J. C. Maxwell: A Treatise on Electricity and Magnetism. Oxford University Press, Oxford 1873. z axis

[3] P. N. Lebedev: „Experimental examination of light pressure“, Ann. Phys. 6, 433 (1901). [4] E. F. Nichols, G. F. Hull: „A preliminary communication on the pressure of heat and light radiation“, Phys. Rev. 13, 307 (1901). [5] http://www.planetary.org/news/2005/0930_Solar_Sail_ Update_The_End_of_Cosmos_1.html [6] http://www.planetary.org/programs/projects/innovative_ technologies/solar_sailing [7] http://www.jspec.jaxa.jp/e/activity/ikaros.html [8] http://www.nasa.gov/mission_pages/smallsats/nanosaild. html [9] G. Labeyrie a kol.: „Luciola hypertelescope space observatory: versatile, upgradable high-resolution imaging, from stars to deep-field cosmology“, Exp. Astron. 23, 463 (2009).

Obr. 13 Vlevo: Experimentální uspořádání pro optické třídění třemi laserovými svazky ve statické kapalině. Lineárně polarizované svazky z laseru (bílé šipky a tečky označují polarizaci) byly fokusovány do kyvety tak, aby se všechny tři svazky překrývaly na horní ploše kyvety a vytvářely oblast o rozměrech 40 × 60 μm2, ve které docházelo k jejich interferenci. Vzdálenost mezi interferenčními proužky L byla justována vzdáleností Δ mezi dvěma svazky přicházejícími zleva. Číslice I–IV v detailu označují různé možnosti chování objektů, ze kterých lze určit vhodnost konfigurace pro jejich třídění [60]. Vpravo: Ukázka třídění polystyrenových kuliček typu I a II o průměrech 2 μm a 5,2 μm umístěných v interferenčních proužcích vzdálených od sebe 5 μm. Pro názornost je rychlý pohyb dvou menších částic ze spodní části kyvety označen šipkami.

[10] A. Ashkin, J. M. Dziedzic: „Radiation pressure on a free liquid surface“, Phys. Rev. Lett. 30, 139 (1973). [11] J. Guck, S. Schinkinger, B. Lincoln, F. Wottawah, S. Ebert, M. Romeyke, D. Lenz, H. M. Erickson, R. Ananthakrishnan, D. Mitchell, J. Käs, S. Ulvick, C. Bilby: „Optical deformability as an inherent cell marker for testing malignant transformation and metastatic competence“, Biophys. J. 88, 3689 (2005). [12] A. Ashkin: Optical Trapping and Manipulation of Neutral Particles Using Lasers. World Scientific, London 2006. [13] S. Chu: „The manipulation of neutral particles“, Rev. Mod. Phys. 70, 685 (1998). [14] A. Ashkin, J. M. Dziedzic, J. E. Bjorkholm, S. Chu: „Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles“, Opt. Lett. 11, 288 (1986). [15] J. R. Moffitt, Y. R. Chemla, S. B. Smith, C. Bustamante: „Recent advances in optical tweezers“, Annu. Rev. Biochem. 77, 205 (2008). [16] A. Ashkin: „How it all began“, Nature Photonics 5, 316 (2011). [17] C. Piggee: „Optical tweezers: not just for physicists anymore“, Anal. Chem. 81, 16 (2009). [18] M. J. Lang, S. M. Block: „Resource letter: Lbot-1: Laser-based optical tweezers“, Am. J. Phys. 71, 201 (2003). [19] T. Čižmár, L. C. Davila Romero, K. Dholakia, D. L. Andrews: „Multiple optical trapping and binding: new routes to self-assembly“, J. Phys. B 43, 102001 (2010). [20] G. C. Spalding, J. Courtial, R. Di Leonardo: „Holographic optical trapping“, in: Structured Light and its Applications:

Obr. 14 Ukázka dvoudimenzionálního samouspořádání polystyrenových částic o průměru 1 070 nm v protiběžných neinterferujících gaussovských svazcích s eliptickým příčným profilem svazku. První řada ukazuje intenzitní profily tří různě širokých eliptických svazků s poměrem pasů v hlavních osách 1:5. Následující řádky ukazují příklady různých samouspořádaných struktur, které zachovávají svůj tvar, ale mění velikost při změně šířky osvětlujících eliptických gaussovských svazků [39].


90

Referáty An Introduction to Phase-Structured Beams and Nanoscale Optical Forces, Elsevier, Academic Press, 2008. [21] D. V. Petrov: „Raman spectroscopy of optically trapped particles“, J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 9, 139 (2007). [22] M. M. Wang, E. Tu, D. E. Raymond, J. M. Yang, H. Zhang, N. Hagen, B. Dees, E. M. Mercer, A. H. Forster, I. Kariv, P. J. Marchand, W. F. Butler: „Microfluidic sorting of mammalian cells by optical force switching“, Nature Biotechnol. 23, 83 (2005). [23] M. Navratil, G. A. Mabbott, E. A. Arriaga: „Chemical microscopy applied to biological systems“, Anal. Chem. 78, 4005 (2006). [24] L. Novotny, S. J. Stranick: „Near-field optical microscopy and spectroscopy with pointed probes“, Annu. Rev. Phys. Chem. 57, 303 (2006). [25] R. Thurn, W. Kiefer: „Raman-microsampling technique applying optical levitation by radiation pressure“, Appl. Spectrosc. 38, 78 (1984). [26] O. Samek, J. F. M. Al-Marashi, H. H. Telle: „The potential of Raman spectroscopy for the identification of biofilm formation by staphylococcus epidermidis“, Laser Phys. Lett. 7, 378 (2010).

[43] S. Gaugiran, S. Gétin, J. M. Fedeli, G. Colas, A. Fuchs, F. Chatelain, J. Dérouard: „Optical manipulation of microparticles and cells on silicon nitride waveguides“, Opt. Express 13, 6956 (2005). [44] M. L. Juan, M. Righini, R. Quidant: „Plasmon nano-optical tweezers“, Nature Photonics 5, 349 (2011). [45] R. Quidant, C. Girard: „Surface-plasmon-based optical manipulation“, Laser & Photon. Rev. 2, 47 (2008). [46] V. Garcés-Chávez, K. Dholakia, G. C. Spalding: „Extended-area optically induced organization of microparticles on a surface“, Appl. Phys. Lett. 86, 031106, 2005. [47] A. E. Siegman: Lasers. Univ. Sci. Books, Sausalito, California 1986. [48] K. Dholakia, T. Čižmár: „Shaping the future of manipulation“, Nature Photonics 5, 335 (2011). [49] T. Čižmár, M. Šiler, P. Zemánek: „An optical nanotrap array movable over a milimetre range“, Appl. Phys. B 84, 197 (2006). [50] J. Baumgartl, M. Mazilu, K. Dholakia: „Optically mediated particle clearing using Airy wavepackets“, Nature Photonics 2, 675 (2008). [51] L. Allen, S. M. Barnett, M. J. Padgett, editors: Optical Angular Momentum. Institute of Physics Publishing, 2003.

[27] O. Samek, A. Jonáš, Z. Pilát, P. Zemánek, L. Nedbal, J. Tříska, P. Kotas, M. Trtílek: „Raman microspectroscopy of individual algal cells: Sensing unsaturation of storage lipids in vivo“, Sensors 10, 8635 (2010).

[52] M. Padgett, R. Bowman: „Tweezers with a twist“, Nature Photonics 5, 343 (2011).

[28] A. Ashkin, K. Schütze, J. M. Dziedzic, U. Euteneuer, M. Schliwa: „Force generation of organelle transport measured in vivo by an infrared laser trap“, Nature 348, 346 (1990).

[53] M. E. J. Friese, T. A. Nieminen, N. R. Heckenberg, H. Rubinsztein-Dunlop: „Optical alignment and spinning of laser-trapped microscopic particles“, Nature 394, 348 (1998).

[29] K. Svoboda, S. M. Block: „Biological applications of optical tweezers“, Ann. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 23, 247 (1994).

[54] J. Leach, H. Mushfique, R. Leonardo, M. Padgett, J. Cooper: „An optically driven pump for microfluidics“, Lab Chip 6, 735 (2006).

[30] K. C. Neuman, S. M. Block: „Optical trapping“, Rev. Sci. Instr. 75, 2787 (2004).

[55] K. Dholakia, M. P. MacDonald, P. Zemánek, T. Čižmár: „Cellular and colloidal separation using optical forces“, Methods in Cell Biology 82, 467 (2007).

[31] A. D. Mehta, M. Rief, J. A. Spudich, D. A. Smith, R. M. Simmons: „Single-molecule biomechanics with optical methods“, Science 283, 1689 (1999). [32] C. Bustamante, Z. Bryant, S. B. Smith: „Ten years of tension: single-molecule DNA mechanics“, Nature 421, 423 (2003).

[56] A. Jonáš, P. Zemánek: „Light at work: The use of optical forces for particle manipulation, sorting, and analysis“, Electophoresis 29, 4813 (2008). [57] M. P. MacDonald, G. C. Spalding, K. Dholakia: „Microfluidic sorting in an optical lattice“, Nature 426, 421 (2003).

[33] W. J. Greenleaf, M. T. Woodside, S. M. Block: „High-resolution, single-molecule measurements of biomolecular motion“, Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 36, 171 (2007).

[58] G. Milne, D. Rhodes, M. MacDonald, K. Dholakia: „Fractionation of polydisperse colloid with acousto-optically generated potential energy landscapes“, Opt. Lett. 32, 1144 (2007).

[34] F. M. Fazal, S. M. Block: „Optical tweezers study life inder tension“, Nature Photonics 5, 318 (2011). [35] A. Ashkin: „Acceleration and trapping of particles by radiation pressure“, Phys. Rev. Lett. 24, 156 (1970).

[59] T. Čižmár, M. Šiler, M. Šerý, P. Zemánek, V. Garcés-Chávez, K. Dholakia: „Optical sorting and detection of sub-micron objects in a motional standing wave“, Phys. Rev. B 74, 035105 (2006).

[36] J. Guck, R. Ananthakrishnan, T. J. Moon, C. C. Cunningham, J. Käs: „Optical deformability of soft biological dielectrics“, Phys. Rev. Lett. 84, 5451 (2000).

[60] P. Jákl, T. Čižmár, M. Šerý, P. Zemánek: „Static optical sorting in a laser interference field“, Appl. Phys. Lett. 92, 161110 (2008).

[37] J. Guck, R. Ananthakrishnan, H. Mahmood, T. J. Moon, C. C. Cunningham, J. Käs: „The optical stretcher: A novel laser tool to micromanipulate cells“, Biophys. J. 81, 767 (2001).

[61] K.-O. Greulich: Micromanipulation by Light in Biology and Medicine. Birkhauser Verlag, Basel-Boston-Berlin 1999.

[38] K. Dholakia, P. Zemánek: „Gripped by light: Optical binding“, Rev. Mod. Phys. 82, 1767 (2010).

[62] M. P. Sheetz, L. Wilson, P. Matsudaira, editors: Laser Tweezers in Cell Biology. Volume 55 of Methods in Cell biology, Academic Press, San Diego 1998.

[39] O. Brzobohatý, V. Karásek, T. Čižmár, P. Zemánek: „Dynamic size tuning of multidimensional optically bound matter“, Appl. Phys. Lett. 99, 101105 (2011).

[63] M. W. Berns, K. O. Greulich, editors: Laser Manipulation of Cells and Tissues. Volume 82 of Methods in Cell biology, Academic Press, San Diego 2007.

[40] S. Kawata, T. Sugiura: „Movement of micrometer-sized particles in the evanescent field of a laser beam“, Opt. Lett. 17, 772 (1992).

[64] D. Andrews, editor: Structured Light and its Applications. Elsevier Acad. Press. 2008.

[41] M. Gu, J.-B. Haumonte, Y. Micheau, J. W. M. Chon, X. Gan: „Laser trapping and manipulation under focused evanescent wave illumination“, Appl. Phys. Lett 84, 4236 (2004). [42] M. Šiler, T. Čižmár, M. Šerý, P. Zemánek: „Optical forces generated by evanescent standing waves and their usage for sub-micron particle delivery“, Appl. Phys. B 84, 157 (2006).


[65] A. Noy, editor: Handbook of Molecular Force Spectroscopy. Springer 2007. [66] K. Dholakia, P. Reece: „Optical micromanipulation takes the hold“, Nanotoday 1, 18 (2006). [67] D. G. Grier: „A revolution in optical manipulation“, Nature 424, 810 (2003). [68] K. Dholakia, P. Reece, M. Gu: „Optical micromanipulation“, Chem. Soc. Rev. 35, 42 (2008).

Praktická využití silových účinků světla

Recommend Documents