Оптичні пилкоподібні пристрої: Утримання частинок за допомогою світла

Радіаційний тиск та градієнтна сила

Світло несе імпульс: фотон частоти f має імпульс p = hf/c, а його поглинання або розсіювання передає силу частині — розсіюючу силу, яка штовхає вздовж напрямку проміння (F = P/c, отже 100 мВт дає ≈333 пН). Інсайт Ашкена в 1986 році полягав у тому, що щільно сфокусований Гауссовий промінь також чинить відновлювальну градієнтну силу, яка тягне діелектричну частинку до області найвищої інтенсивності з усіх напрямків:

F_grad = (2π·n_m·r³/c) · [(m²−1)/(m²+2)] · ∇I (Режим Рейлі, r ≪ λ) m = n_particle / n_medium ∇I = градієнт інтенсивності до фокусу Коли градієнтна сила перевищує прикладену здовж розсіювання силу — що вимагає високої числової апертури об'єктива (NA > 1.0) для посилення градієнту інтенсивності — стабільне 3D утримання досягається без фізичного контакту взагалі.

F_grad = (2π·n_m·r³/c) · [(m²−1)/(m²+2)] · ∇I     (Rayleigh regime, r ≪ λ)
m = n_particle / n_medium     ∇I = intensity gradient toward focus

Оптичне утримання: вимірювання піконютонів

У режимі Рейлі (r ≪ λ — наночастинки, квантові точки), частинка поводиться як моментний дипольний мотив і формула сили градієнта застосовується безпосередньо. У режимі Мі (r ≫ λ — кульки та клітини), геометрія світлових променів працює замість цього: зміна імпульсу кожного розсіяного променя сприяє чистому відновлюючому силі. Більшість реальних експериментів використовують кульки діаметром 0,5–5 мкм, які знаходяться між ними, що вимагає повних обчислень електромагнітного поля (T-матриця). Ближньоінфрачервові довжини хвиль (800–1064 нм) мінімізують фотопошкодження, дозволяючи захоплювати живі бактерії та клітини безпечно.

Оптичне утримання поводиться як лінійна пружина, F = κ·Δx, з жорсткістю пастки κ зазвичай 0,01–1 пН/нм, калібрована за допомогою теореми про рівновагу (κ = k_BT/⟨x²⟩), ширини Лоренцової кутової частоти спектру потужності або відомої сили тертя Стокса. Це дозволяє дослідникам вимірювати сили від ~0,1 пН до ~200 пН — достатньо, щоб розкрити кшанка 8 нм кроку кінезину (~5–7 пН на крок, виявлено за допомогою оптичних пилкових) , розтягувати ДНК через її перехід B-до-S при ~65 пН та досліджувати напруження клітинної мембрани. Ашкеназу було удостоєно Нобелівської премії з фізики 2018 року за винахід.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте the simulation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.