Устройство для манипулирования микрочастицами

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ МАНИПУЛИРОВАНИЯ МИКРОЧАСТИЦАМИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Солоневич Сергей Васильевич Турки Сауд Мохаммед Аль-Сауд(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для манипуляции микрочастицами, содержащее источник лазерного излучения, обеспечивающий формирование начального слаборасходящегося когерентного светового пучка с аксиально симметричным распределением интенсивности излучения,конический оптический элемент для формирования бесселева светового пучка, первое поворотное зеркало, кювету с суспензией микрочастиц, выполненную с прозрачным для лазерного излучения дном, перпендикулярным оси симметрии пучка, микроскоп, второе поворотное зеркало и систему наблюдения, отличающееся тем, что дополнительно содержит две собирающие сферические линзы, образующие телескопическую систему, одна из которых установлена перед коническим оптическим элементом, а другая после него,механический узел для плавного контролируемого перемещения конического оптического элемента между линзами телескопической системы вдоль оси падающего на него светового пучка, собирающую сферическую линзу, установленную за телескопической системой,фокусная плоскость которой расположена вблизи внутренней поверхности дна кюветы с суспензией микрочастиц.. . . - . 94. -1997. - . - . 4853-4860 (//). 2. Рубинов А.Н., Катаркевич В.М., Эфендиев Т.Ш. Сортировка микрочастиц градиентным полем // Журнал прикладной спектроскопии. - Т. 70. -5. - 2003. - С. 663-666. 3. Рубинов А.Н., Афанасьев А.А., Ермолаев И.Е., Курочкин Ю.А., Михневич С.Ю. Локализация сферических частиц пд действием градиентных сил в поле бесселева пучка нулевого порядка. Приближение Рэлея-Ганса // Журнал прикладной спектроскопии. Т. 70. -4. - 2003. - С. 503-507. 4. Патент РБ на изобретение 9070, 2007. - С. 149. Предлагаемая полезная модель относится к области оптики и лазерной физики и может быть использована для транспортировки, изменения концентрации, управления движением объектов малых размеров в микро- и нанотехнологиях в физических исследованиях, а также в биологии и медицине. В настоящее время градиентные световые пучки используют для захвата и перемещения микрочастиц. Механизм захвата частиц основан на действии электрической составляющей светового поля на диполь, которым становится сама частица под действием электрического поля. Чем больше градиент интенсивности светового поля, тем больше градиентные силы, действующие на частицу в плоскости, перпендикулярной оси светового пучка. В направлении распространения светового пучка на частицу действуют силы рассеяния. Если существует продольный градиент интенсивности, может реализовываться ситуация, когда продольная градиентная сила уравновешивает силу рассеяния. Тогда частица с показателем преломления большим, чем показатель преломления окружающей ее среды (что бывает в большинстве случаев), захватывается и локализуется в локальном трехмерном максимуме интенсивности светового поля. Частица с показателем преломления меньшим, чем показатель преломления окружающей среды, будет втягиваться в локальный минимум интенсивности светового поля. На основе данного эффекта создают так называемые оптические пинцеты, применяющиеся, например, в биологии для микроманипуляции вирусами и бактериями, индуцированного клеточного синтеза в иммунологии и молекулярной генетике, захвата и перемещения хромосом, изменения подвижности человеческих сперматозоидов и трансмембранных протеинов. Для локализации и перемещения частиц наиболее часто используют известное устройство на основе сфокусированного гауссова светового пучка 1. Данное устройство позволяет перемещать преимущественно одну конкретную частицу и требует наличия прецизионной системы для контролируемого поперечного или продольного перемещения локального максимума интенсивности, которым захвачена перемещаемая частица. Известно устройство для перемещения и фильтрации частиц под названием оптический невод 2, реализуемое посредством оптической системы, обеспечивающей медленное поперечное перемещение поля, возникающего в результате интерференции двух световых пучков, сходящихся под углом. Данное устройство не позволяет локализовать все частицы в области размером порядка перемещаемой микрочастицы и не дает возможности для последующей транспортировки частиц в продольном направлении. Известно устройство для локализации сферических частиц под действием градиентных сил в поле бесселева светового пучка (БСП) нулевого порядка 3, однако оно не позволяет перемещать частицы в поперечном направлении на расстояние большее, чем максимальное расстояние между максимумом и минимумом интенсивности в конкретном поперечном сечении использующегося бесселева пучка. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для осуществления способа перемещения частиц микро- и наноразмеров 4, в котором частицы перемещают с помощью попеременно включаемых БСП нулевого и пер 2 85782012.10.30 вого порядков, поскольку кольцевые максимумы БСП нулевого порядка совпадают по расположению с кольцевыми минимумами интенсивности БСП первого порядка такого же угла конусности и наоборот. Данный способ требует наличия требовательной к юстировке системы для попеременного формирования соосных БСП первого и нулевого порядков. Кроме того, он накладывает ограничение на размер частиц, который не должен быть большим, чем расстояние между ближайшими кольцевыми максимумами БСП. Данное устройство обеспечивает перемещение частиц только по направлению от периферии светового пучка к его оси. Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение транспортировки одной либо сразу нескольких микрочастиц в плоскости, перпендикулярной направлению распространения светового излучения на расстояния, превышающие в десять и больше раз диаметр микрочастиц, в направлении от периферии поперечного сечения светового пучка к его центру, лежащему на оси пучка, или в обратном направлении. Предложенное устройство для манипулирования микрочастицами включает следующие элементы источник лазерного излучения, обеспечивающий формирование начального слаборасходящегося когерентного светового пучка с аксиально симметричным распределением интенсивности излучения, конический оптический элемент для формирования бесселева светового пучка, первое поворотное зеркало, кювету, содержащую суспензию микрочастиц, с прозрачным для лазерного излучения дном, перпендикулярным оси симметрии пучка, микроскоп, второе поворотное зеркало и систему наблюдения. Устройство обладает следующими отличительными признаками две собирающие сферические линзы, установленные перед коническим оптическим элементом и после него, образующие телескопическую систему, механический узел для плавного контролируемого перемещения конического оптического элемента вдоль оси падающего на него светового пучка, собирающая сферическая линза, установленная за телескопической системой, фокусная плоскость которой находится вблизи внутренней поверхности дна кюветы с суспензией микрочастиц. Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана оптическая схема устройства для манипуляции микрочастицами на фиг. 2 приведена зависимость диаметрального распределения интенсивности в перестраиваемом кольцевом поле от смещенияконического оптического элемента. Предлагаемое устройство состоит из источника лазерного излучения 1, собирающих сферических линз 2 и 3, образующих телескопическую систему, конического оптического элемента 4, закрепленного на механическом узле 5, обеспечивающем плавное контролируемое перемещение вдоль оптической оси лазерного пучка, собирающей линзы 6, первого поворотного зеркала 7, кюветы 8 с прозрачным для используемого лазерного излучения дном, содержащей суспензию микрочастиц, микроскопа 9, второго поворотного зеркала 10 и системы наблюдения 11. Устройство работает следующим образом. Источник лазерного излучения 1 формирует слаборасходящийся когерентный световой пучок с аксиально симметричным распределением интенсивности, который направляют на телескопическую систему, состоящую из линз 2 и 3, между которыми располагают конический оптический элемент 4 (на фиг. 1 1 и 2 - фокусные расстояния линз 2 и 3 соответственно). После прохождения телескопической системы, содержащей конический элемент 4, формируют бесселев световой пучок (БСП) с углом конусности, зависящим от положения элемента 4 относительно системы линз 2 и 3. В случае если телескоп, расширяющий (фокусное расстояние линзы 2 меньше, чем фокусное расстояние линзы 3) при смещении конического элемента 4 от линзы 2 к линзе 3 с помощью механического узла 5 угол конусности формируемого БСП, увеличивается и соответственно наоборот. Линза 6 в своей фокусной плоскости (на фиг. 1, гдефокусное расстояние линзы 6) формирует из перестраиваемого по углу конусности БСП Фурье-образ в виде тонкого кольца, диаметр которого зависит от угла конусности БСП. С 3 85782012.10.30 помощью поворотного зеркала 7 лазерный пучок в виде кольцевого поля направляют на суспензию микрочастиц, находящуюся в кювете 8 с прозрачным дном. При уменьшении угла конусности БСП световое кольцо сжимается к центру, при увеличении - расширяется от центра. Световой максимум интенсивности в форме кольца, в который за счет градиентной силы втягиваются близнаходящиеся микрочастицы, при изменении своего диаметра увлекает втянутые в него частицы за собой. Таким образом, при расширении кольца от центра частицы перемещаются от центра кольца и концентрация частиц вблизи оси пучка уменьшается, при сужении кольца от периферии к центру частицы перемещаются к центру кольца и концентрация микрочастиц вблизи оси пучка увеличивается. Проходящее сквозь кювету с суспензией микрочастиц излучение пропускают через микроскоп 9 для формирования изображения микрочастиц, которое затем с помощью поворотного зеркала 10 направляют на систему наблюдения 11, в качестве которой выступает экран либо иное визуализирующее, регистрирующее либо транслирующее изображение устройство,например -, видео- или фотокамера. Возможность реализации предлагаемой полезной модели подтверждена экспериментально с помощью экспериментальной установки, созданной по схеме на фиг. 1. В качестве источника лазерного излучения использован гелий-неоновый лазер ГН-25-1(Плазма, Рязань, Россия). На фиг. 2 показана зависимость распределения интенсивности в кольцевом пучке от линейного смещенияконического элемента 4. Смещение отсчитывалось от крайнего положения узла 5, обеспечивающего минимально конструктивно возможное расстояние между линзой 2 и элементом 4. Из фиг. 2 следует, что диаметр кольца растет линейно с увеличением смещения . Данный рисунок подтверждает возможность использования предложенной оптической схемы для манипуляции микрочастицами. Смещение конического элемента (аксикона) на 1 мм приводит к изменению диаметра кольца примерно на 20 мкм. Поскольку смещать аксикон даже в пределах одного миллиметра технически возможно очень плавно, то и варьировать размер кольца можно с большой точностью. Так, при смещении аксикона на 10 мкм диаметр кольца изменяется на 0,2 мкм. Пиковая интенсивность плавно уменьшается при увеличении диаметра кольца, причем нелинейно. Поскольку ширина кольца сравнительно небольшая (менее 50 мкм) и почти вся энергия светового пучка сосредоточена в этом кольце, можно приближенно считать,что при смещении аксикона в пределах 5 мм пиковая интенсивность в кольце обратно пропорциональна радиусу или диаметру кольца. Тем не менее при изменении диаметра кольца в довольно широких пределах (до нескольких сотен микрометров) его пиковая интенсивность остается достаточно высокой по сравнению с максимальной пиковой интенсивностью, достигаемой при наименьших размерах кольца. Все использованные в предложенной схеме для формирования кольцевого светового пучка оптические элементы пригодны для преобразования мощного лазерного излучения, особенно при наличии на входных и выходных поверхностях просветляющего покрытия. Благодаря этим фактам вполне реально использовать полученные кольцевые пучки для управления и манипуляции микрочастицами. Таким образом, изготовленный авторами предлагаемой полезной модели экземпляр устройства подтвердил ее работоспособность. Предлагаемое устройство может выполнить поставленную задачу - перемещение одной либо нескольких микрочастиц в плоскости,перпендикулярной направлению распространения светового излучения на расстояния в сотни микрометров, т.е. превышающие в десять и более раз средний размер микрочастиц в направлении от периферии пучка к его оси либо в обратном направлении. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5