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 Рыжевич Анатолий Анатольевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для манипулирования микрочастицами, содержащее источник лазерного излучения, обеспечивающий формирование начального слаборасходящегося когерентного светового пучка с аксиально симметричным распределением интенсивности излучения,рефрактивный оптический элемент для преобразования светового пучка, первое поворотное зеркало, кювету, содержащую суспензию микрочастиц, с прозрачным для лазерного излучения дном, перпендикулярным оси симметрии пучка, микроскоп, второе поворотное зеркало, систему наблюдения, две собирающие сферические линзы, установленные перед рефрактивным оптическим элементом и после него, образующие телескопическую систему,механический узел для плавного контролируемого перемещения рефрактивного оптического элемента вдоль оси симметрии падающего на него светового пучка, собирающую сферическую линзу, установленную за телескопической системой, фокусная плоскость которой находится вблизи внутренней поверхности дна кюветы с суспензией микрочастиц, отличающееся тем, что рефрактивный оптический элемент выполнен в виде равноугольной бипризмы Френеля, основание которой перпендикулярно оси симметрии падающего на нее светового пучка, проходящей через линию пересечения наклонных граней 91002013.04.30 бипризмы, рефрактивный оптический элемент закреплен в механическом узле, обеспечивающем возможность его плавного контролируемого вращения вокруг оси симметрии светового пучка, закрепленном на узле, обеспечивающем плавное контролируемое перемещение рефрактивного оптического элемента вдоль оси симметрии падающего на него светового пучка.. . . . 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. - Сс. 663-666. 3. Рубинов А.Н., Афанасьев А.А., Ермолаев И.Е., Курочкин Ю.А., Михневич С.Ю. Локализация сферических частиц под действием градиентных сил в поле бесселева пучка нулевого порядка. Приближение Рэлея-Ганса // Журнал прикладной спектроскопии. Т. 70. -4. - 2003. - С. 503-507. 4. Солоневич С.В., Рыжевич А.А., Казак Н.С., Аль-Муханна М.К., Аль-Ховайтер С.Х.,Аль-Сауд Т.С.М. Использование кольцевых лазерных полей для формирования микроструктур Сборник тезисов и программа Первой международной конференции Междисциплинарные исследования и технологии будущего (2011) 16-18 мая 2011.Минск БЕЛАРУСЬ. - С. 28-29. Предполагаемая полезная модель относится к области оптики и лазерной физики и может быть использована для линейного перемещения, изменения ориентации, 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 медлен 2 91002013.04.30 ное поперечное перемещение поля, возникающего в результате интерференции двух световых пучков, сходящихся под углом. Данное устройство не позволяет изменять взаимную ориентацию и расположение двух отдельно взятых частиц. 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 манипулирования микрочастицами с помощью кольцевого поля переменного диаметра 4. Однако данное устройство не позволяет оперировать двумя отдельно взятыми частицами, контролируемо изменять их взаимную ориентацию и расстояние между ними. Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение возможности манипулирования как одной, так и одновременно двумя микрочастицами в плоскости, перпендикулярной направлению распространения светового излучения на расстояния, превышающие в десять и больше раз диаметр микрочастиц, имеющего результатом изменение расстояния между ними либо взаимной ориентации. Предложенное устройство для манипулирования микрочастицами включает следующие элементы источник лазерного излучения, обеспечивающий формирование начального слаборасходящегося когерентного светового пучка с аксиально симметричным распределением интенсивности излучения, рефрактивный оптический элемент для преобразования светового пучка, первое поворотное зеркало, кювету, содержащую суспензию микрочастиц, с прозрачным для лазерного излучения дном, перпендикулярным оси симметрии пучка, микроскоп, второе поворотное зеркало, систему наблюдения, две собирающие сферические линзы, установленные перед рефрактивным оптическим элементом и после него, образующие телескопическую систему, механический узел для плавного контролируемого перемещения рефрактивного оптического элемента вдоль оси симметрии падающего на него светового пучка, собирающую сферическую линзу, установленную за телескопической системой, фокусная плоскость которой находится вблизи внутренней поверхности дна кюветы с суспензией микрочастиц. Устройство обладает следующими отличительными признаками рефрактивный оптический элемент выполнен в виде равноугольно бипризмы Френеля, основание которой перпендикулярно оси симметрии падающего на нее светового пучка, проходящей через линию пересечения наклонных граней бипризмы, рефрактивный оптический элемент закреплен в механическом узле, обеспечивающем возможность его плавного контролируемого вращения вокруг оси симметрии светового пучка, закрепленном на узле, обеспечивающем плавное контролируемое перемещение рефрактивного оптического элемента вдоль оси симметрии падающего на него светового пучка. Сущность полезной модели поясняется фигурами, где на фиг. 1 показана оптическая схема устройства для манипуляции микрочастицами на фиг. 2 приведена зависимость распределения интенсивности на отрезке, соединяющем пики интенсивности двухпичкового светового поля от смещениябипризмы, на фиг 3 продемонстрированы инвертированные распределения интенсивности в поперечном сечении двухпичкового поля при различных ориентациях бипризмы (в ячейках в градусах указан поворот бипризмы относительно начального положения, когда линия пересечения наклонных граней бипризмы вертикальна) и различных расстояниях между двумя максимумами интенсивности (в ячейках расстояние между максимумами интенсивности указано в микрометрах). Предлагаемое устройство состоит из источника лазерного излучения 1, собирающих сферических линз 2 и 3, образующих телескопическую систему, рефрактивного оптического элемента 4 в виде равноугольной бипризмы Френеля, закрепленного на механиче 3 91002013.04.30 ском узле 5, обеспечивающем возможность ее плавного контролируемого вращения вокруг оси симметрии падающего на нее светового пучка и закрепленного на механическом узле 6, обеспечивающем плавное контролируемое перемещение вдоль оси симметрии лазерного пучка, собирающей линзы 7, первого поворотного зеркала 8, кюветы 9 с прозрачным для используемого лазерного излучения дном, содержащей суспензию микрочастиц,микроскопа 10, второго поворотного зеркала 11 и системы наблюдения 12. 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 рефрактивный оптический элемент 4 в виде равноугольной бипризмы Френеля (на фиг. 1 1 и 2 - фокусные расстояния линз 2 и 3 соответственно). После прохождения телескопической системы, внутри которой находится рефрактивный оптический элемент 4, формируют бинарный (т.е. двухкомпонентный) световой пучок (БП) с углом расхождения компонент, 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 элемента 4 от линзы 2 к линзе 3 с помощью механического узла 6 угол расхождения формируемого БП увеличивается и соответственно наоборот. Линза 7 в своей фокусной плоскости (на фиг. 1- расстояние от линзы 7 до зеркала 8,- расстояние от зеркала 8 до кюветы 9,, - фокусное расстояние линзы 7) формирует из перестраиваемого по углу расхождения БП Фурье-образ в виде двух световых пятен-пичков (в идеале точек), расстояние между центрами которых зависит от угла расхождения БП. С помощью поворотного зеркала 8 сфокусированный БП в виде двухпичкового поля направляют вертикально вверх на суспензию микрочастиц, находящуюся в кювете 9 с прозрачным дном. При уменьшении угла расхождения БП пички сближаются, двигаясь к вертикальной части оптической оси устройства, при увеличении - раздвигаются по направлению от оси. При повороте элемента 4 вокруг горизонтальной части оптической оси устройства с помощью узла 5, световые максимумы интенсивности в виде двух пичков тоже поворачиваются на такой же угол вокруг вертикальной части оптической оси устройства. Изменяя взаимную ориентацию пичков и расстояние между ними в фокусной плоскости линзы 7, выбирают такое положение пичков, при котором их центры совпадают с центрами двух микрочастиц, предназначенных для манипулирования. При перемещении пичков они за счет градиентных сил увлекают втянутые в них частицы за собой. Таким образом, при раздвигании пичков от центра частицы одновременно перемещаются от центра кольца, при сдвигании пичков от периферии к центру частицы перемещаются к оптической оси устройства вплоть до совмещения, если это необходимо, при вращении бипризмы 4 пички и захваченные в них частицы изменяют взаимную ориентацию. Проходящее сквозь кювету 9 с суспензией микрочастиц излучение пропускают через микроскоп 10 для формирования изображения микрочастиц, которое затем с помощью поворотного зеркала 11 направляют на систему наблюдения 12, в качестве которой выступает экран либо иное визуализирующее, регистрирующее либо транслирующее изображение устройство, например -, видео- или фотокамера. При необходимости манипулирования только одной частицей ее захватывают и перемещают одним ничком, оставляя другой пичок свободным. Возможность реализации предполагаемой 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 приведена зависимость распределения интенсивности в фокусной плоскости линзы 7 на отрезке, соединяющем пики интенсивности двухпичкового светового поля, от линейного смещениябипризмы 4 вдоль горизонтального участка оптической оси устройства. Использовалась равноугольная бипризма Френеля с 4 91002013.04.30 углом между ее основанием и наклонной плоскостью 2. Смещение отсчитывалось от крайнего положения узла 6, обеспечивающего минимально конструктивно возможное расстояние между линзой 2 и элементом 4. Из фиг. 2 следует, что расстояние между центрами максимумов интенсивности растет линейно с увеличением смещения . Данный рисунок подтверждает возможность использования предложенной оптической схемы для манипуляции микрочастицами. Смещение рефрактивного элемента 4 на 1 мм приводит к изменению диаметра кольца примерно на 20 мкм. Поскольку смещать бипризму даже в пределах одного миллиметра технически возможно очень плавно, то и варьировать расстояние между пичками можно с большой точностью. Так, при смещении бипризмы на 10 мкм расстояние между пичками изменяется на 0,2 мкм. Пиковая интенсивность двухпичкового поля в фокусной плоскости линзы 7 практически не изменяется при изменении расстояния между пичками, если они не соприкасаются. Технически достижимо довольно большое расстояние (не менее 8 мм) между пичками микронных размеров. На фиг. 3 продемонстрировано инвертированное распределение интенсивности в двухпичковом световом поле при различных ориентациях максимумов интенсивности и расстояниях между ними. Вращение бипризмы позволяет вращать пички вокруг оптической оси, а смещение бипризмы вдоль оси падающего на нее пучка позволяет изменять расстояния между пичками, в которые могут быть захвачены микрочастицы. Все использованные в предложенной схеме для формирования двухпичкового светового поля оптические элементы пригодны для преобразования мощного лазерного излучения, особенно при наличии на входных и выходные поверхностях просветляющего покрытия. Благодаря этим фактам вполне реально использовать полученные двухпичковые поля для управления и манипуляции микрочастицами. Таким образом, изготовленный авторами предполагаемой полезной модели экземпляр устройства подтвердил ее работоспособность. Предлагаемое устройство может выполнить поставленную задачу - перемещение одной либо одновременно двух микрочастиц плоскости, перпендикулярной направлению распространения светового излучения, в направлении к оптической оси устройства либо в обратном направлении на расстояния в сотни микрометров и даже миллиметры, то есть превышающие в десять и более раз средний размер микрочастиц, а также одновременное вращение пары микрочастиц вокруг оптической оси устройства. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6