انبرک نوری

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
Dielectric objects are attracted to the center of the beam, slightly above the beam waist, as described in the text. The force applied on the object depends linearly on its displacement from the trap center just as with a simple spring system.

انبرک نوری از ابزارهای علمی است. در این ابزار از پرتو لیزر با قابلیت فوکوس بالا برای ایجاد نیروی جاذبه یا دافعه استفاده می شود.

مقدمه[ویرایش]

تصور اینکه بتوان سلولی را بدون تماس فیزیکی با آن حرکت داد کمی خیال پردازانه به نظر می رسد. اما حقیقت این است که می توان با استفاده از خواص ویژه لیزر این کار را انجام داد. گیره های لیزری ابزارهایی هستند که از پرتو یا پرتوهای لیزر، به منظور تولید نیروهای پیکو نیوتنی که برای جابجایی مواد در ابعاد میکرو کافی است، بهره می گیرند. این قابلیت در زمینه های متفاوتی اعم از موتورهای مولکولی، میکروسیالات، میکرو مکانیک و ... مورد توجه قرار گرفته است. گیره های لیزری اولین بار در آزمایشگاه های تحقیقاتی بل در سال 1986 توسط آرتوس آشکین معرفی شدند. قوانین اولیه می توانند به شکل قوانین نیوتن بیان گردند. به این دلیل که نور حامل تکانه بوده و تغییر در جهت نور به معنای این است که حتماً نیرویی در رابطه با این تغییر وجود دارد. بنابرین اگر پرتوی لیزری را به سمت ذره ای بتابانیم، نور به هنگام ورود به ذره دچار شکست خواهد شد. نیروی درگیر در این تغییر جهت بر روی ذره تاثیر گذاشته و ذره به سمت قسمت پر شدت تر لیزر رانده خواهد شد. پرتوی لیزر دارای شکل گوسی می باشد، بنابرین شدید ترین قسمت پرتو در مرکز محور پرتو قرار دارد. و هرجا که پرتو متمرکز شده باشد ذره به آن قسمت می رود. ذره در سه بعد محبوس می شود. برای این کار به انرژی زیادی نیاز نیست (در حد چند میلی وات). اما به گرادیان شدت بزرگی نیازمندیم، و نور را به نقطه ای در حدود قطر چند میکرونی متمرکز می کنیم.

کاربردها[ویرایش]

  • اندازه گیری خواص الاستیک DNA با نگه داشتن زنجیره هایی از مولکولها و کشیدنشان.(به نحوی که می توان طول کامل DNA را به دست آورد.)
  • مطالعه خواص تولید کننده نیرو در موتورهای مولکولی مانند کینسین
  • بازکردن پروتئین ها
  • مطالعه ذرات با ترکیب اسپکتروسکپی رامان، اسپکتروسکپی دو فوتونی، و میکروسکوپ کانونی
  • انجام میکرو جراحی ها با ترکیب دیگر پرتوهای لیزری، مثلاً، گرفتن کروموزوم با پرتو (1046nm) IR و برش آن به اجزای کوچکتر با لیزر برشی سبز (532nm). {این کار به این دلیل ممکن است که بیشتر مواد بیولوژیکی در طیف IR جذب ندارند اما در طول موج های سبز دارند.}
  • اندازه گیری خواص غشاء نورونی

محدودیت ها[ویرایش]

  • عدم کارایی در ابعاد کمتر از 200 pN
  • عدم کارایی در حرارت بالا

تئوری[ویرایش]

در پراکندگی ریلی ابعاد ذرات خیلی کوچکتر از طول موج نور است، که این پراکندگی در اتمسفر منجر به آبی و قرمز دیده شدن رنگ آسمان می شود که ناشی از جدایی طول موج های مختلف نور پس از پراکندگی است. در پراکندگی می ابعاد ذرات بزرگتر از طول موج نور است، رنگ سفید ابرها نیز ناشی از این پدیده است. آشکین پیشنهاد داد که می توان با در نظر گرفتن دو دیدگاه به تحلیل این تئوری پرداخت: دیدگاه اپتیک هندسی برای پراکندگی می، و دیدگاه دوقطبی الکتریکی برای پراکندگی ریلی.

به دلیل شکل گوسی پرتو دو نوع نیرو به ذره وارد می شود،Fb , Fa . که نهایتاً نیروی خالص ذره را به سمت مرکز پرتو هدایت می کند. با استفاده از پایستگی تکانه، می توان نیروی پراکندگی، گرادیان نیرو و نیروی خالص را به صورت های زیر نوشت:

ساخت گیره لیزری[ویرایش]

اجزای اصلی مورد استفاده در ساخت یک گیره لیزری عبارت اند از:

  • میکروسکوپ، که در آن به عنوان منبع نوری از لامپ جیوه ای و از یک دوربین CCD برای ثبت تصویر از نمونه استفاده شده است.
  • منبع لیزری CW ، که فراهم آورنده طول موجی است که نمونه زیستی نسبت به آن رساناست. بسته به رسانش سلول ها ناحیه نزدیک به IR شامل طول موج های 700-1300nm برای به دام انداختن اپتیکی استفاده می گردد. لیزرهای CW با توانی در بازه چند هزار میلی وات تا چند وات مورد استفاده قرار گرفتند که می توانند شدت هایی در بازه 106-108 W/cm2 را فراهم کنند.متداول ترین نوع لیزرها شامل لیزر Nd:YAG در 1064nm ، Nd:YLF در 1047nm، تیتانیوم سفایر در بازه 695-1100nm و انواع دیود لیزرها عموماً در بازه 800-900nm هستند. به منظور داشتن گرادیان نیروی بیشینه پرتوی لیزر با مد TEM00 استفاده می شود. همچنین به طور هم زمان از یک لیزر هلیوم نئون کم توان به منظور پرتو نشانه استفاده می شود.
  • سیستم هدایت پرتو، که راههای متعددی برای ایجاد یک دام متحرک برای دستکاری ذرات به دام افتاده وجود دارد. در شکل با استفاده از یک لنز شیئی می توان مکان تمرکز پرتو را تغییر داد.

به دام اندازی اپتیکی بدون استفاده از پرتوی گؤسی[ویرایش]

دام های اپتیکی مورد بحث معمولاً از پرتوی گؤسی بهره می گیرند، که توسط یک لنز متمرکز شده است. گرچه پرتوی گؤسی دارای محدودیت هایی نیز هست. اولاً، پس از طی مسافتی به نام بازه ریلی دچار واگرایی می شود. ثانیاً، نمی توان ذراتی را بیشتر از چند میکرومتر دورتر از جهت انتشار به دام انداخت. زیرا پرتوی گؤسی پس از عبور از ذره دچار تحلیل می شود. اخیراً استفاده از پرتوهای غیر گؤسی مانند پرتوی بسل بسیار مورد توجه قرار گرفته است. پرتوی بسل شامل امواج نوری است که در یک مخروط قرار گرفته اند. پس نمایه عرضی آن شامل نقاط نورانی است که در مرکز پرتو واقع شده اند و اطرافش حلقه های نورانی قرار دارند. برخی از مزای پرتوی بسل عبارت اند از: 1) پرتوی مرکزی در طول چندین برابر بازه ریلی بدون واگرایی قابل توجهی انتشار می یابد. بنابرین از آن گاهی با عنوان "بدون پراش" یا ناوردای انتشاری یاد می شود.2) در صورتی که پرتوی مرکزی توسط ذره به دام افتاده دچار تحلیل شود پس از طی فاصله انتشاری مشخصه، خود را به شکل اولیه بازسازی می کند. این کار توسط امواج نوری دور از مرکز انجام می شود، که از کنار ذره بدون تغییر عبور می کنند و مرکز نوری را در فاصله ای پشت ذره بازسازی می نمایند.

این دو ویژگی پرتوی بسل موجب شده تا از آن به عنوان گیره لیزری دو بعدی استفاده شود. همچنین می توان ذرات متفاوتی را در چند سلول نمونه که از هم تا چند میلیمتر فاصله دارند، به دام انداخت. راه ساده تبدیل پرتوی گؤسی به پرتوی بسل استفاده از عنصر اپتیکی مخروطی شکل به نام "آکسیکون" می باشد. همچنین می توان از گیره های بسلی برای جهت دهی ذرات طویل، نمونه های زیستی میله ای شکل، استفاده کرد. از این جهت می توان برای ایزوله کردن یک نمونه میله ای از سایر نمونه ها استفاده کرد.

منابع[ویرایش]

Brief basic of optical tweezers, EINST technology pte ltd. Introduction to biophotonics, parsad.