Учёные Томского политехнического университета в партнёрстве с Институтом оптики атмосферы СО РАН совершили значительный шаг в развитии оптических ловушек – устройств, известных в научном мире как оптический пинцет. Результаты их работы открывают путь к увеличению дальности действия и стабильности работы оптического пинцета, что расширяет перспективы применения этих технологий в передовых областях науки.
Оптический пинцет и его революционное применение
Оптический пинцет – это уникальный инструмент, опирающийся на лазерный луч, который позволяет захватывать, удерживать и перемещать микроскопические объекты, такие как клетки, белки и молекулы. С момента появления этой технологии, которая в 2018 году принесла Артуру Эшкину Нобелевскую премию, стало возможным доскональное изучение жизни на молекулярном уровне без риска повреждения объектов исследования.
До появления оптического пинцета любые контакты с такими крохотными объектами приводили к их разрушению. Принцип работы оптического пинцета основан на фокусировке света: когда лазерный луч проходит через линзу, находящиеся в зоне фокуса частицы начинают двигаться к области максимальной интенсивности светового поля и притягиваются туда, словно их «прижимает» сила света. Это открыло исследователям широкие горизонты для манипулирования биологическими структурами и небольшими объектами без нарушения их целостности.
Инновационный подход томских учёных
Группа томских исследователей под руководством профессора Игоря Минина переосмыслила традиционный принцип построения оптической ловушки. Они предложили использовать для фокусировки не стандартные линзы, а микрочастицы из диэлектрических материалов, например, из кварца. Такие частицы позволяют добиться большей локализации оптического поля в зоне фокуса. Особое значение имеет режим "на отражение", когда формирование ловушки происходит с использованием зеркала, расположенного за частицей.
Как рассказал Игорь Минин, ключевой особенностью нового метода стало формирование устойчивой фотонной струи даже при превышении критического отношения показателей преломления диэлектрической частицы и окружающей среды. Если ранее считалось невозможным создать ярко выраженную фотонную струю при этих условиях, то моделирование показало: при правильной организации эксперимента возможно значительно расширить область захвата и повысить стабильность пинцета.
Физика формирования фотонной струи
Фотонная струя – это явление, возникающее при взаимодействии светового потока с диэлектрической частицей. В традиционных оптических ловушках для формирования струи важно, чтобы соотношение показателей преломления частицы и среды не превышало двух, иначе фотонная струя попросту не возникала бы. Новое исследование применяет другой принцип: в режиме "на отражение" свет фокусируется не только внутри частицы, но и на плоском зеркале, расположенном позади неё. Это создаёт эффект двойной фокусировки: сначала луч собирается на зеркале, а затем возвращается назад и вновь формирует фотонную струю.
Этот инновационный способ позволяет формировать устойчивую и вытянутую фотонную струю из диэлектрических частиц даже при том, что индекс преломления частицы существенно превышает среду. Таким образом, область захвата частиц оптическим пинцетом возрастает в несколько раз, что подтверждено в ходе теоретического моделирования.
Расширенные возможности для биологии и химии
Современные исследования в клеточной биологии, генной инженерии и химии требуют максимально точных инструментов для перемещения отдельных частиц, не нарушая их структуры. Новый подход томских разработчиков открывает перспективы для длительных и сложных манипуляций с биологическими образцами, что раньше было ограничено нестабильностью лова или недостаточной дальностью действия.
Инновационная технология уже на стадии теоретических расчетов показала, что область действия оптической ловушки можно расширить в разы по сравнению с классическими схемами. Это повысит точность и эффективность при работе с органическими и неорганическими микроструктурами, а значит, окажет влияние на развитие фармацевтики, медицины и передовых материаловедческих технологий.
Перспективы развития технологий и дальнейшие шаги
Сейчас команда учёных Томского политехнического университета и Института оптики атмосферы СО РАН готовит к проведению серию экспериментальных работ, чтобы подтвердить теоретические результаты на практике и продемонстрировать возможность масштабирования данного подхода для промышленного и научного использования.
Научное сообщество с особым интересом следит за развитием данной технологии, ведь речь идёт о принципиально новых возможностях контроля и воздействия на микроскопическом уровне. Для исследований в областях биотехнологий, нанотехнологий и физики элементарных частиц это открытие может стать значимым этапом, способным ускорить появление новых методов диагностики и терапии, позволит создавать инновационные устройства для сверхточных исследований в живой и неорганической природе.
Проект получил поддержку благодаря грантам Российского фонда фундаментальных исследований и программы повышения конкурентоспособности университета. Работая на стыке разных направлений науки, коллектив под руководством Игоря Минина вносит важный вклад в развитие мировой оптики и новых технологических инструментов для XXI века.
