Оптические ловушки имеют большой потенциал для применения в микробиологии благодаря своей способности удерживать крошечные биочастицы, не вызывая их повреждения. Красноярские исследователи в сотрудничестве с учеными из Самары предложили метод, позволяющий формировать набор оптических ловушек на основе оптических вихрей с заданными положениями и значениями топологического заряда. Это позволит расширить традиционные методы оптического манипулирования микрообъектами. Результаты исследования опубликованы в журнале Laser Physics Letters.
За последние десятилетия был достигнут значительный прогресс в обнаружении отдельных молекул и манипулировании микроскопическими объектами. Во многом это стало возможным благодаря изобретению оптических пинцетов (оптических ловушек) — устройств, позволяющих манипулировать образцами с помощью света, то есть перемещать микроскопические объекты с помощью светового давления без изменения их внутренней структуры. За изобретение оптического пинцета и его применение в биологических системах была вручена Нобелевская премия в 2018 году.
Развитие многих направлений фотоники трудно представить без структурированных световых полей, представляющих собой свет со сложной пространственно-временной структурой и другими характеристиками. Ярким примером структурированных таких полей являются вихревые лазерные пучки, широко используемые, в том числе, в оптических пинцетах. Захваченный с помощью вихревого лазерного пучка ансамбль микроскопических объектов совершает орбитальное движение с определенной угловой скоростью и направлением вращения. Растущая потребность в оптических манипуляциях в медико-биологической практике требует расширения существующего арсенала методов и их функциональных возможностей для максимально полного контроля над микрообъектами.
Учеными ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» в сотрудничестве с коллегами из Самарского филиала Физического института им. П. Н. Лебедева РАН предложен и экспериментально продемонстрирован метод, позволяющий одновременно создавать массив оптических ловушек, при этом параметрами каждой отдельной ловушки можно управлять независимо от остального массива.
«Она может быть использована для оптического захвата, удержания и манипулирования микрообъектами, в том числе живыми биологическими клетками. Вихревые лазерные пучки, лежащие в основе оптической ловушки, обладают орбитальным угловым моментом, который характеризует момент силы, действующий на микрочастицу, попавшую в световое поле лазерного пучка. Таким образом, микрочастицы приобретают способность к орбитальному движению с определенной угловой скоростью и направлением вращения. При этом, предложенный метод позволяет формировать массив оптических ловушек, положениями и значениями орбитальных моментов, которых можно независимо управлять», — рассказал один из авторов работы, научный сотрудник Института физики им. Л. В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН кандидат физико-математических наук Денис Андреевич Иконников.
Исследователи отметили, что полученные знания представляют интерес для потенциальных приложений в области микробиологии. «Структурированные световые поля находят все большее распространение в таких областях как оптическая микроскопия высокого разрешения и оптические манипуляции. Одним из примеров структурированных световых полей являются вихревые лазерные пучки. Нашей группой совместно с коллегами из Самары предложен и экспериментально продемонстрирован метод, позволяющий получать наборы конфигурируемых вихревых пучков для использования их в устройстве оптического пинцета. Полученные результаты могут послужить основой для дальнейшего развития и совершенствования методов исследования в области микробиологии и фундаментальных процессов в микромире», — рассказал руководитель группы, старший научный сотрудник Института физики им. Л. В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН кандидат физико-математических наук Андрей Михайлович Вьюнышев.
Исследования выполнены при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 19-12-00203).
Группа научных коммуникаций ФИЦ КНЦ СО РАН
