Оптический захват субмарины

Jun 04, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8615 (2023) Цитировать эту статью

415 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

В то время как оптические пинцеты (ОТ) в основном используются для удержания частиц меньшего размера, двухлучевые ловушки встречного распространения (СР) являются универсальным методом удержания частиц как малого, так и большего размера, включая биологические образцы. Однако ловушки CP представляют собой сложные чувствительные системы, требующие утомительного выравнивания для достижения идеальной симметрии с довольно низкими значениями жесткости ловушек по сравнению с OT. Более того, из-за относительно слабых сил CP-ловушки ограничены по размеру частиц, которые они могут удержать, и составляют около 100 мкм. В этой статье обсуждается и экспериментально демонстрируется новый класс встречных оптических пинцетов с нарушенной симметрией, позволяющий улавливать и манипулировать частицами размером более 100 мкм внутри жидких сред. В нашей методике используется одиночный гауссов луч, асимметрично сворачивающийся сам на себя, образующий CP-ловушку, способную удерживать как малые, так и значительно более крупные частицы (диаметром до 250 мкм) на основе только оптических сил. Насколько нам известно, такой оптический захват образца большого размера ранее не демонстрировался. Нарушенная симметрия ловушки в сочетании с обратным отражением луча не только значительно упростила юстировку системы, но также сделала ее устойчивой к небольшим смещениям и повысила жесткость ловушки, как показано ниже. Более того, предлагаемый нами метод улавливания весьма универсален, поскольку он позволяет улавливать и перемещать самые разнообразные размеры и формы частиц, от одного микрона до нескольких сотен микрон, включая микроорганизмы, используя очень низкую мощность лазера и оптику с числовой апертурой. Это, в свою очередь, позволяет интегрировать широкий спектр методов спектроскопии для визуализации и изучения образцов, находящихся в оптической ловушке. В качестве примера мы продемонстрируем, как этот новый метод позволяет одновременно 3D-отлов и световую микроскопию червей C. elegans длиной до 450 мкм.

Лазеры допускают уникальные взаимодействия света и материи, приводящие к сильным оптическим силам, манипулированию частицами и их захвату1,2,3,4,5,6,7,8. Оптический захват — это универсальный инструмент, имеющий множество применений, который позволил провести множество фундаментальных исследований, произведя революцию во многих областях науки и техники с момента его открытия9,10,11,12,13,14,15. Самая простая, но мощная реализация оптических ловушек — это однолучевая ловушка с градиентной силой, известная как оптический пинцет16,17,18. В этом методе ловушка формируется, когда лазерный луч сфокусирован достаточно плотно, так что оптические силы, действующие на интересующую частицу, удерживают ее. Эти силы обычно подразделяются на два основных типа. Одним из них являются градиентные силы, которые притягивают частицы с более высоким показателем преломления по отношению к фоновой среде в области с большей интенсивностью лазерного излучения. Во-вторых, это силы рассеяния, которые в основном толкают частицы вдоль направления распространения луча. Последние силы могут противодействовать захвату частиц, что приводит к нестабильной ловушке, особенно для более крупных частиц (более 10 мкм). Поэтому поиск практического подхода к компенсации неблагоприятного воздействия сил рассеяния является решающим шагом в обеспечении стабильного оптического захвата. Одним из распространенных решений является использование объективов микроскопа с высокой числовой апертурой для плотной фокусировки луча так, чтобы градиентные силы увеличивались до такой степени, что превосходили силы рассеяния в осевом направлении. Для такой фокусировки обычно требуются объективы микроскопа с числовой апертурой, превышающей единицу (следовательно, иммерсионный тип). Это приводит к короткому рабочему расстоянию, узкому полю зрения и чрезвычайной локальной интенсивности, что обычно противоречит потребностям практического применения, особенно в биологии. Другим подходом, позволяющим избежать вышеупомянутых недостатков, является использование двух умеренно сфокусированных встречных (СР) идентичных лучей19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30. Здесь каждый луч уравновешивает силы рассеяния вперед другого, создавая осевую стабильность и образуя трехмерную ловушку между фокусами двух лучей. Такой оптический захват внутри суспензий был достигнут с использованием объективов с высокой числовой апертурой25,26, объективов с низкой числовой апертурой19,31, двух волокон20,32,33,34, оптических зеркальных ловушек35,36,37,38,39,40,41, оптической фазы сопряжение42, голографические встречные ловушки23,37,40 и стоячие волны, которые идеально подходят для улавливания наночастиц21,22,23,24,35,36,37,38,39. В этих конфигурациях захвата CP, поскольку захват происходит между фокусами, разделенными десятками микрон, не только уменьшается фотоповреждение, но и становится возможным удержание более крупных частиц размером до 100 мкм (известных как макроловушки)36,37,41 .