Введение к работе
Актуальность работы
Разработка методов лазерного манипулирования микрообъектами является одним из перспективных направлений развития лазерной физики и прикладной оптики. Инструментарий, реализованный на базе методов захвата и удержания микрочастиц одиночными лазерными пучками, получил название лазерного пинцета.
Области применения лазерного манипулирования обусловлены масшта-... бами силовых воздействий, получаемых с помощью оптической ловушки. Можно выделить несколько направлений прикладных исследований, в которых регулярно появляются сообщения о применении лазерного манипулирования для решения поставленных задач. К ним относятся: микромеханика, микробиология, медицина, химия и охлаждение атомов.
В ряде задач возникает необходимость перемещать микрообъекты по заданным траекториям, что в большинстве экспериментов осуществляют путем механического перемещения либо пучка, либо предметного столика микроскопа. Для реализации временного разделения используются быстрые отражатели, перемещающие лазерный пучок от одной частицы к другой по циклу с частотой в несколько килогерц. Известен способ управления положением захватывающего пучка с помощью адаптивных зеркал или акустооптических модуляторов (Fallman Е., Appl. Opt., 1997). Существуют работы, в которых перемещение захваченной частицы по заданной траектории осуществляется за счет движения светового пятна, которое вызывается либо изменением интерференционной картины (Paterson L., Science, 2001), либо проекцией исходного перемещающегося пятна с экрана монитора (Jesacher A., Opt. Express., 2004). В работе (Ски-данов Р.В., диссертация, СГАУ, 2007) для перемещения микрочастиц по окружностям используются пучки Бесселя и вихревые поля в форме окружностей, сформированные дифракционными оптическими элементами.
Перспективным является расширение функциональных возможностей данного инструментария. В работе (Рахматуллин М.А., диссертация, СамГУ, 2003) показана принципиальная возможность перемещения микрочастиц по траектории в виде границы треугольника, сформированной спиральным пучком. Подход основан на использовании оптики спиральных пучков (Абрамоч-кин Е.Г., Волостников В.Г., Opt. Comm., 1996). Пространственная структура спиральных пучков может быть весьма разнообразной, например, в форме плоских кривых. Важными особенностями спиральных пучков являются сохранение их пространственной структуры при распространении и фокусировке, а также наличие углового момента. Для экспериментальной реализации этих пучков требуется наличие амплитудного транспаранта, что ограничивает их применение для задач микроманипулирования, требующих высокую энергетическую эффективность и возможность динамического формирования полей.
Одним из перспективных направлений применения лазерного пинцета в биологии и медицине является исследование механических свойств нано- и
микроразмерных биологических объектов (молекул ДНК, хромосом, нервных волокон и др.) (Bishop A.I., Nature, 2004), которые наряду с другими физическими и химическими характеристиками определяют процессы роста и развития организмов, задание конкретной формы организма, его функционирование. Эти свойства отличаются для больных и здоровых тканей, что позволяет осуществлять диагностику заболеваний.
Изучение механических свойств биообъектов требует привлечения специализированного инструментария, который может быть реализован как с использованием вихревых полей, так и массивом ловушек. Применение вихревых полей обеспечивает возможность наложения неоднородных деформаций на микрообъекты. В ряде задач, например, при определении деформируемости эритроцитов для задания характера приложенных сил и увеличения величины сил целесообразно использовать массивы одиночных ловушек. Известен метод деформации эритроцитов с использованием массива лазерных ловушек, сформированных с помощью жидкокристаллических пространственных модуляторов света (ЖК ПМС) (Lenormand G., Biophys. J. 2001). Однако, ввиду сложности и дороговизны данного метода, представляется актуальным разработка простого и эффективного метода деформирования биологических микрообъектов с помощью лазерных ловушек.
Целью работы является развитие методов манипуляции микроскопическими объектами с использованием световых полей со сложным пространственным распределением интенсивности и углового момента, а также массива одиночных лазерных ловушек. В соответствии с поставленной целью определены основные задачи диссертации:
Создать установку для формирования световых полей сложной структуры и проведения экспериментов по манипулированию.
Теоретически и экспериментально исследовать вихревые световые поля в виде кривых, сформированные амплитудно-фазовыми и фазовыми транспарантами.
Исследовать процесс захвата и перемещения слабопоглощающих микрообъектов вихревыми световыми полями в виде кривых.
Разработать метод формирования управляемого массива одиночных лазерных ловушек для деформирования биологических объектов. Провести эксперименты по определению относительной деформации эритроцитов человека.
Исследовать возможность использования лазерного пинцета для сортировки микрообъектов.
Научная новизна работы:
1. Впервые экспериментально реализовано манипулирование микрообъектами посредством вихревых световых полей, сформированных фазовыми элементами, рассчитанными на основе оптики спиральных пучков.
Предложен простой и эффективный метод формирования управляемого массива ловушек для деформирования биологических объектов на основе дифракционной решетки.
Показана возможность использования однопучковой и многопучковой ловушек для селекции по возрасту эритроцитов человека.
Определен критерий эффективности захвата сферических микрообъектов для моды Гаусса ТЕМ00.
Практическая ценность работы. Полученные в диссертации результаты могут быть использованы для перемещения, вращения и наложения деформаций на микрообъекты, смешивания жидкостей в микрообъемах, сортировки микрочастиц по размерам, форме, показателю преломления и др.
Использование предложенного метода деформирования биологических микрообъектов позволяет проводить возрастную селекцию эритроцитов человека. Основные особенности метода: не требователен к чистоте подготовки образцов, используются малые объемы крови для анализа (десятки пиколитров), относительно дешев и прост в реализации, что важно для клинических применений.
Основные положения, выносимые на защиту:
Энергетическая эффективность исследованных вихревых полей, сформированных фазовыми транспарантами, рассчитанными на основе оптики спиральных пучков, в 3-4 раза выше эффективности спиральных пучков.
Использование полей, сформированных синтезированными фазовыми транспарантами, позволяет перемещать микрообъекты по траекториям, заданными распределениями интенсивности светового поля. Скорость перемещения микрочастиц такими полями в 2-2,5 раза превышает скорость перемещения спиральными пучками при одинаковой мощности освещающего пучка.
Метод определения деформируемости биологических микрообъектов, основанный на изменении расстояния между оптическими ловушками при неизменном распределении интенсивности в них за счет перемещения дифракционной решетки.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах Самарского филиала Учреждения Российской академии наук Физического института им. П.Н.Лебедева РАН, на научных конференциях студентов, аспирантов и преподавателей Самарского государственного университета (Самара, 2004 - 2009 гг.), на II - VI Самарских конкурсах-конференциях научных работ студентов и молодых исследователей по оптике и лазерной физике (Самара, 2004 - 2008 гг.), на международной школе молодых учёных и студентов "Saratov Fall Meeting 2004" (Саратов, 2004 г.), на девятой всероссийской научной молодёжной школе "Когерентная оптика и оптическая спектроскопия" (Казань, 2005), на международной конференции 15-th annual International Laser Physics Workshop (Lausanne, Switzerland, 2006), на международной конференции SP1E Optics and Photonics 2007: Optical trapping and
Optical Manipulation IV (San Diego, USA, 2007), на международной конференции 16-th annual International Laser Physics Workshop (Leon, Mexico, 2007), на IX всероссийской школе-семинаре "Физика и применение микроволн" (Звенигород, 2007), на X Международных Чтениях по квантовой оптики (Самара, 2007), на международной конференции 8-th Asia-Pacific Conference of Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics, APCOM (Tokyo, Japan, 2008), на конференции "Медицинская физика и инновации в медицине" (Троицк, 2008), на конференции "Металлдеформ 2009" (Самара, 2009), на международной конференции 18th International Laser Physics Workshop (Barcelona, Spain, 2009).
Работа финансировалась в рамках программы РФФИ (проекты № 04-02-96508 р-2004, № 07-02-01280), CRDF (№ RUP1-2623-SA-04), областного гранта в области науки и техники (постановление Губернатора Самарской обл. от 23.08.2007 № 147), программы "У.М.Н.И.К." Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере и УНК ФИАН 2004-2009.
Результаты, вошедшие в диссертацию, были отмечены премией имени СИ. Вавилова на конкурсе научных работ Учебно-научного комплекса ФИАН 2006 года за цикл работ "Формирование вихревых световых полей с заданной формой интенсивности для задач лазерной манипуляции микрообъектами"; победой на областных конкурсах "Молодой ученый" Министерства образования и науки Самарской области в 2006 и 2009 гг.
Публикации. Основные материалы диссертации в соавторстве опубликованы в 22 научных работах, среди которых 18 статей (5 из них опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК) и 4 тезисов докладов.
Личный вклад автора. Основные результаты, изложенные в диссертации, получены лично автором. Личный вклад автора в работах, написанных в соавторстве, заключается в разработке и создании оптических установок; проведении расчетов и экспериментов; в выполнении анализа полученных результатов.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников из 124 наименований, изложенных на 139 страницах, содержит 52 рисунка и 5 таблиц.
