Лазерные пальчики: физики научились делать оптические пинцеты с обратной связью
Оптические (лазерные) пинцеты уже много лет используются для манипуляции микрообъектами. Но этот метод не способен оказывать силовое и крутящее воздействие на большие объекты — те, диаметр которых превышает десятые доли миллиметров. Оптический пинцет в этом случае либо недостаточно силен, либо не может найти хорошее положение для захвата.
Оптический пинцет может захватывать только прозрачные объекты, но необязательно прозрачные в видимом диапазоне. Для манипуляции с биологическими молекулами используется инфракрасный свет, в котором они почти прозрачны.
Но оптические пинцеты не умеют находить оптимальное положения захвата, — захват происходит «вслепую» и его эффективность во многом зависит от удачи.
Необходим «зрячий» пинцет, который видит объект и может скорректировать захват. Если проанализировать свет, рассеянный на объекте, необходимую информацию можно получить. Причем для захвата целого молекулярного кластера нужна согласованная работа несколько пинцетов, иначе ее не захватить.
Учёных в первую очередь интересуют биологические объекты, например, миниатюрные опухоли, эмбрионы и другие скопления клеток. Они не являются полностью прозрачными — при прохождении через них свет рассеивается, а следовательно, трудно поддается анализу. Чтобы преодолеть эту сложность, ученые предложили анализировать расфокусированный свет на быстрой камере позади объекта. Эта камера и будет служить сигналом обратной связи, о котором мы упомянули в заголовке.
Чем более асимметричны световые пятна от отдельных пинцетов на камере, тем больше рассеивается свет. Это значит, что в определенной точке объекта сильно меняется коэффициент преломления и именно там оптический пинцет может эффективно захватить объект. С точки зрения физики, локальное изменение поляризации вещества приводит к увеличению оптической дипольной силы.
Рассеяние света, которое по сути является изменением импульса, сильнее непосредственно в фокусе лазера. Тут возникает сложность — каждый из пяти-десяти оптических пинцетов должен «подстроиться» на основе рассеянного света и определить наилучшее положение захвата. Но если один из пинцетов приложит слишком большое усилие, другие пинцеты могут потерять свои устойчивые захваты. Эта проблема пока не решили.
Но ученые надеются, что несколько оптических лазерных пинцетов, однажды смогут контролируемо захватывать скопления клеток и поворачивать их в любом желаемом направлении.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Люди и роботы прекрасно захватывают разные объекты — но те, что имеют толщину человеческого волоса, подвластны лишь оптическим пинцетам.