(Я клонировал козу).
На палас его зелёный
На пинцете отнесу.
Если уроню в пути,
То без лупы не найти!»
Ю. Черезов
Если рассмотреть в оптический микроскоп капельку прозрачной жидкости, содержащей множество мельчайших частичек, подчас невидимых невооруженным глазом, то можно увидеть, как они беспорядочно движутся, сталкиваются, меняют направление, снова сталкиваются... Этот процесс, известный как «броуновское движение», продолжается бесконечно, и бесполезно пытаться предугадать, где та или иная частичка окажется в следующий момент. Можно ли в буквальном смысле «поймать» одну частицу и заставить двигаться туда, куда хочется?
На первый взгляд, задача кажется невыполнимой, особенно в том случае, если речь идет о частице, размер которой в десятки, сотни, а иногда и тысячи раз меньше толщины человеческого волоса. Если бы частичка была крупнее, хотя бы размером с маковое зернышко, ее можно было бы взять пинцетом. Однако речь идет о частичках настолько маленьких, что изготовить столь же маленький пинцет, и тем более, научиться «ловить» им «малышей», которым никогда не сидится на месте, практически невозможно. К счастью, далеко не каждый пинцет сделан из стали или пластика. Более того, не каждый пинцет можно взять в руки, если этот пинцет... всего навсего луч света! Речь идет о так называемом «оптическом пинцете», который представляет из себя устройство, использующее для передвижения микроскопических объектов сфокусированный лазерный пучок. Вблизи точки фокуса лазерный луч подобно торнадо втягивает внутрь все, что находится вокруг. Сила, с которой свет действует на окружающие объекты, невелика, но ее оказывается достаточно, чтобы «ловить» крохотные частицы, масса которых ничтожно мала. Как только частица «поймана», ее можно двигать вместе с лазерным пучком. С помощью оптического пинцета можно контролируемо передвигать частицы размером от 10 нанометров до 10 микрометров, изучать их поведение, а при желании – даже собирать из них различные структуры.
Метод манипулирования коллоидными частицами под воздействием света, известный как «оптический пинцет» (optical tweezers), был впервые предложен сотрудниками Bell Laboratories Артуром Эшкиным (Arthur Ashkin) и Стивеном Чу (Steven Chu) в 1986 г. Между тем, основополагающие эксперименты, продемонстрировавшие, что свет оказывает давление на макроскопические тела, частицы, а также отдельные молекулы и атомы, были проведены великим русским физиком П.Н. Лебедевым еще в период с 1899 по 1910 гг. Открытие давления света стало важным подтверждением электромагнитной теории Фарадея-Максвелла, а также позволило объяснить ряд экспериментально наблюдаемых физических явлений. Среди потенциальных применений давления света есть самые экзотические, вплоть до создания «космических парусов», призванных разгонять в безвоздушном пространстве космические корабли за счет использования излучения Солнца и других звезд.
Если передвижение многотонных космических кораблей под действием давления света пока остается утопией, то перемещать лазером микроскопические коллоидные частицы с использованием оптического пинцета ученые умеют уже сейчас. Схема «захвата» частицы показана на Рис.2. При взаимодействии с электромагнитным полем, создаваемым светом, у коллоидной частицы возникает дипольный момент, благодаря чему под действием градиента поля частица затягивается в перетяжку лазерного пучка. Для стабильного «захвата» необходимо, чтобы градиент электромагнитного поля доминировал над давлением света, что достигается путем правильно сконфигурированной оптической схемы.
Оптический пинцет позволяет прилагать к частицам силы до 100 пН, что делает его идеальным инструментом для механического воздействия на различные биологические объекты и измерения их отклика. Например, с помощью оптического пинцета были измерены вязкоупругие свойства единичных молекул ДНК, клеточных мембран, а также агрегированных волокон белков (например, актина). Кроме того, оптический пинцет использовался для изучения сил, развиваемых молекулярными моторами, такими как миозин, кинезин, а также различные ферменты и рибосомы. Эти измерения показали, что клетки используют механические силы не только для движения и сортировки хромосом во время воспроизведения, но также для считывания генетической информации, дыхания, и чтобы отправлять различные сигналы другим клеткам.
Считается, что уже в ближайшем будущем оптические пинцеты будут использованы не только для изучения клеток, но и для внутриклеточной хирургии, что позволит, в частности, модифицировать их хромосомный набор, а также проводить искусственное оплодотворение. Кроме того, с помощью оптического пинцета можно анализировать колонии микробов различных видов, «ловить» отдельные микробы и изучать их поведение.
Не менее эффективно оптический пинцет применяется для изучения объектов неживой природы, например – заряженных коллоидных частиц в растворах. Пожалуй, наиболее интересным применением оптического пинцета является возможность собирать с его помощью различные упорядоченные структуры из коллоидных частиц. В настоящее время такие структуры создаются вручную и поэтому состоят из ограниченного числа частиц, однако если автоматизировать процесс сборки, оптический пинцет может стать мощнейшим инструментом для микро- и наноэлектроники
Литература
J.E.Curtis, B.A.Koss, & D.G.Grier, Dynamic holographic optical tweezers. Opt. Commun. 207 (2002) 169–175
