Способ перемещения частиц микро- и наноразмеров

(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Бушук Сергей Борисович Казак Николай Станиславович Рубинов Анатолий Николаевич Рыжевич Анатолий Анатольевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Способ перемещения частиц микро- и наноразмеров путем их перемещения в локальные экстремумы распределения интенсивности световых пучков в направлении их осей посредством градиентов интенсивности светового поля, отличающийся тем, что в качестве указанных пучков поочередно используют бесселевы световые пучки нулевого и первого порядка с одинаковыми параметрами конусности, с совпадающими осями и расстоянием между соседними кольцевыми экстремумами, не меньшим диаметра частиц, причем в качестве исходного выбирают один из указанных пучков, который после локализации перемещаемых частиц в его экстремумах заменяют другим, вынуждая частицы тем самым переходить на соседние экстремумы интенсивности того же типа, расположенные ближе к оси светового пучка, а после локализации частиц в новом положении бесселев пучок вновь заменяют исходным, завершая тем самым цикл операций, который затем повторяют вновь до момента попадания частиц в заранее заданное местоположение. 9070 1 2007.04.30 Предлагаемое изобретение относится к области оптики и лазерной физики и может быть использовано для транспортировки, фильтрации, изменения концентрации, управления движением объектов малых размеров в микро- и нанотехнологиях, физических исследованиях, а также в биологии и медицине. В настоящее время градиентные световые пучки часто используются 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 частицы 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. С помощью созданных на основе этих эффектов так называемых оптических пинцетов, широко применяющихся в биологии, реализованы микроманипуляция вирусами и бактериями, индуцированный клеточный синтез, захват и резка в иммунологии и молекулярной генетике, перемещение хромосом, изменение подвижности человеческих сперматозоидов и трансмембранных протеинов. Наряду с традиционными гауссовыми пучками для захвата частиц иногда используют другие типы световых полей, в том числе бесселевы световые пучки нулевого и первого порядков, распределение интенсивности которых описывается квадратом функции Бесселя соответственно нулевого и первого порядков. Для этих же целей используются также лагерр-гауссовы световые пучки с винтовыми дислокациями волнового фронта, имеющие на оси минимум интенсивности. Для локализации и перемещения частиц наиболее часто используют известный способ с применением гауссова светового пучка 1. Данный способ позволяет перемещать преимущественно одну конкретную частицу и требует наличия прецизионной системы для контролируемого поперечного или продольного перемещения локального максимума интенсивности, которым захвачена перемещаемая частица. Известен способ перемещения и фильтрации частиц под названием оптический невод 2, реализуемый посредством медленного поперечного перемещения поля, возникающего в результате интерференции двух световых пучков, сходящихся под углом. Данный способ не позволяет локализовать все частицы в области размером порядка перемещаемой микрочастицы и не дает возможности для последующей транспортировки частиц в продольном направлении. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ 3 локализации сферических частиц под действием градиентных сил в поле бесселева светового пучка (БСП) нулевого порядка, однако известный способ 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. Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности транспортировки одной либо сразу нескольких микрочастиц в плоскости, перендикулярной оси БСП, на расстояния, в несколько раз большие среднего расстояния между соседними кольцевыми максимумами БСП, т.е. его квазипериода, в направлении от периферии поперечного сечения БСП к его центру, лежащему на оси пучка. Поставленная задача решается следующим образом. В способе перемещения частиц микро- и наноразмеров путем их перемещения в локальные экстремумы распределения интенсивности световых пучков в направлении их осей посредством градиентов интенсивности светового поля в качестве указанных пучков поочередно используют бесселевы 2 9070 1 2007.04.30 световые пучки нулевого и первого порядка с одинаковыми параметрами конусности, с совпадающими осями и расстоянием между соседними кольцевыми экстремумами, не меньшим диаметра частиц, причем в качестве исходного выбирают один из указанных пучков, который после локализации перемещаемых частиц в его экстремумах заменяют другим, вынуждая частицы тем самым переходить на соседние экстремумы интенсивности того же типа, расположенные ближе к оси светового пучка, а после локализации частиц в новом положении бесселев пучок вновь заменяют исходным, завершая тем самым цикл операций, который затем повторяют вновь до момента попадания частиц в заранее заданное местоположение. Возможность решения поставленной задачи объясняется следующим. В поперечном распределении интенсивности расположение кольцевых максимумов интенсивности БСП нулевого порядка (БСП 0) совпадает с расположением минимумов интенсивности БСП первого порядка (БСП 1) с таким же параметром конусности, и наоборот, расположение минимумов БСП 0 совпадает с расположением максимумов БСП 1. Если наложить электромагнитное поле БСП 0 на слой среды с микроскопическими частицами, показатель преломления которых больше, чем показатель преломления среды, происходит локализация частиц в концентрических максимумах интенсивности БСП 0. Лучше всего использовать БСП с квазипериодом чуть большим, чем диаметр частицы. При этом достигается наибольший градиент интенсивности и, как следствие, наибольшая скорость поперечного перемещения частиц. Однако диаметр перемещаемых частиц не должен быть больше минимального расстояния между кольцевыми максимумами используемого БСП. При переключении порядка БСП с нулевого на первый без изменения расположения оси пучка частицы локализовавшиеся в кольцевых максимумах интенсивности БСП 0 оказываются в момент переключения в минимуме интенсивности БСП 1 и начинают втягиваться в те соседние кольцевые максимумы, которые расположены ближе к центральной оси БСП. После того как частицы выстраиваются вдоль кольцевых максимумов интенсивности БСП 1, порядок БСП переключается обратно с первого на нулевой, и частицы вновь сдвигаются ближе к оси БСП. Переключая порядок БСП необходимое количество раз, можно добиться того,что все частицы, находящиеся в пределах тех кольцевых максимумов БСП, градиент интенсивности которых достаточен для перемещения частиц, переместятся в область центрального максимума БСП 0. Поскольку значение интенсивности в данном максимуме существенно выше, чем во всех остальных максимумах, можно осуществить впоследствии и продольное перемещение вдоль этого максимума попавших в него частиц под действием силы рассеяния и продольной градиентной силы. В совокупности действие предлагаемого способа и последующего перемещения вдоль оси напоминает явление вихря или воронки частицы с большой площади втягиваются в узкую центральную область и начинают двигаться в продольном направлении. Начинать перемещение частиц можно, наложив вначале на среду с частицами не БСП 0, а БСП 1, переключая его затем на БСП 0, и т.д. Частицы с показателем преломления меньшим, чем показатель преломления среды, в которой они находятся, локализуются под воздействием градиентной силы в минимумах интенсивности, однако при цикличном переключении порядка БСП они также будут двигаться от периферии БСП к его оси. Предлагаемый способ поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано радиальное распределение интенсивности в соосных бесселевых пучках нулевого и первого порядков с одинаковым углом конусности, на фиг. 2 - оптическая схема экспериментальной установки, использовавшейся для реализации предлагаемого способа, на фиг. 3 - изображение гауссова светового пучка, из которого формируют однокольцевые пучки без и с дислокацией волнового фронта, на фиг. 4 - изображение однокольцевого пучка без дислокации волнового фронта, на фиг. 5 - изображение однокольцевого пучка с дислокацией волнового фронта первого порядка, на фиг. 6 - распределение интенсивности по диаметральной линии в поперечных сечениях исходного гауссова светового пучка, а также сформирован 3 9070 1 2007.04.30 ных из него однокольцевого светового пучка без дислокации волнового фронта и однокольцевого светового пучка с дислокацией волнового фронта, на фиг. 7 - изображение поперечного сечения экспериментального БСП 0, на фиг. 8 - изображение поперечного сечения экспериментального БСП 1, на фиг. 9-14 - картины расположения перемещаемых микрочастиц в различные последовательные моменты времени, иллюстрирующие движение частиц от периферии БСП к оси при многократном переключении порядка БСП, на фиг. 15 - снимок поперечного сечения БСП с частицами, находящимися в центральном максимуме БСП 0, в плоскости наблюдения микроскопа, на фиг. 16 - снимок поперечного сечения БСП 0 с частицами, поднятыми вверх посредством продольной градиентной силы,иллюстрирующий возможность транспортировки частиц вдоль оси светового пучка после их прихода в область центрального максимума БСП 0. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Исходный БСП нулевого либо первого порядка направляют на среду с микрочастицами. При этом частицы под действием градиентной силы локализуются в максимумах интенсивности БСП, если их показатель преломления больше, чем показатель преломления среды, в которой они находятся,или в минимумах БСП, если их показатель преломления меньше, чем показатель преломления среды. После этого порядок БСП изменяют на отличный от исходного с нулевого на первый, если исходный БСП был нулевого порядка, или с первого на нулевой, если исходный БСП был первого порядка. При этом вновь начинается процесс локализации частиц в максимумах или минимумах интенсивности БСП, в зависимости от соотношения показателей преломления среды и частиц. Поскольку в БСП всех порядков абсолютные значения локальных кольцевых максимумов возрастают по направлению от периферии к оси БСП,действие поперечных градиентных сил на частицы после смены порядка БСП направлено также от периферии к оси БСП. Под действием этих сил частицы движутся к оси БСП, пока очередной раз не локализуются в максимуме либо минимуме интенсивности, в зависимости от показателя преломления частиц. Циклически переключая после локализации частиц порядок БСП с первого на нулевой и затем с нулевого на первый нужное количество раз, производят таким образом перемещение частиц с периферии БСП в область вблизи его оси. Возможность осуществления предлагаемого способа и решения поставленной задачи подтверждена экспериментально. Предлагаемый способ может быть реализован с помощью различных схем, различия которых будут состоять лишь в методе получения БСП нулевого и первого порядков и характеристиках БСП, в том числе направлении его распространения в среде с частицами относительно земной поверхности. Световой пучок может падать на среду с частицами сверху вниз, снизу вверх, горизонтально либо под произвольным углом к указанным направлениям. Для частиц тяжелее среды, находящихся в физиологическом растворе, которые были использованы в эксперименте, предпочтительно было использовать направление светового пучка вертикально снизу вверх, чтобы силы рассеяния и продольные градиентные силы не прижимали частицы ко дну кюветы и не препятствовали тем самым дополнительно перемещению частиц в поперечном направлении относительно пучка. Для взвешенных частиц с плотностью, примерно равной плотности среды, направление распространения света с точки зрения перемещения частиц особого значения не имеет. Для формирования БСП нулевого и первого порядков с соотношением величин локальных максимумов интенсивностей, показанным на фиг. 1 (позиции 1 и 2 соответственно для БСП 0 и БСП 1), использовалась установка, оптическая схема которой изображена на фиг. 2. Из гауссова пучка аргонового лазера 3 мощностью около 800 мВт с помощью телескопа 4 формировали гауссов пучок 5 с видимым диаметром 6 мм (фиг. 3), посредством преобразователя волнового фронта 6 на базе двуосного кристалла придавали ему топологический заряд дислокации волнового фронта, равный 0 или 1, формируя при этом либо однокольцевой пучок без дислокации волнового фронта (фиг. 4), либо однокольцевой пучок с дислокацией волнового фронта (фиг. 5), из которых затем с помощью конической 4 9070 1 2007.04.30 линзы (аксикона) 9 формировали соответственно БСП 0 (фиг. 7) либо БСП 1 (фиг. 8) с возможностью переключения порядка БСП с нулевого на первый и наоборот. Посредством сферической линзы 8 регулировалась конусность БСП в плоскости нахождения микрочастиц и, следовательно, величина квазипериода, который выбирался близким к размеру одной частицы, но несколько больше этого размера. На фиг. 6 представлены распределения интенсивностей в гауссовом (поз. 13) и кольцевых пучках без дислокации (поз. 14) и с дислокацией (поз. 15) волнового фронта первого порядка, полученных из него. Соотношение между величинами максимумов интенсивностей БСП 0 и БСП 1 в плоскости дна стеклянной кюветы 10, в которой находится среда с частицами, регулировалась изменением расстояния между аксиконом 9 и плоскостью дна кюветы 10. БСП 0 и БСП 1 равных энергий в плоскости дна кюветы 10 формировались из элементарных кольцевых участков пучков без и с дислокацией волнового фронта, соответствующих точкам пересечения распределений 14 и 15 соответственно на фиг. 6. При достигнутом соотношении, показанном на фиг. 3, кривые распределения интенсивности в БСП 0 и БСП 1 имели общую гиперболоподобную огибающую максимумов интенсивности, а интегральные интенсивности БСП 0 и БСП 1 были равны, хотя это и не является обязательным условием перемещения частиц при переключении порядка БСП. С помощью проекционного микроскопа 11 плоскость вблизи дна кюветы с перемещаемыми БСП частицами проецировалась на экран 12 и регистрировалась цифровой фотокамерой. На фиг. 9 перемещаемая частица 16 с показателем преломления большим, чем показатель преломления окружающей ее жидкой среды, находится во 2-м от центра максимуме БСП 1. На фиг. 10 видно, что эта частица при переключении порядка БСП на нулевой попадает на второй от центра минимум БСП 0 и начинает втягиваться во второй от центра максимум интенсивности. На фиг. 11 частица локализуется во втором от центра максимуме интенсивности БСП 0. На фиг. 12 показано, что при переключении порядка БСП на первый частица попадает во второй от центра минимум интенсивности БСП 1 и начинает втягиваться в первый максимум интенсивности БСП 1. На фиг. 13 зафиксировано, что частица 16 локализуется в первом максимуме интенсивности БСП 1. На фиг. 14 видно, что при переключении порядка БСП на нулевой частица попала на край первого (центрального) максимума БСП 0 и начала втягиваться в его центр. Переключение порядка согласовывалось с перемещением для указанной частицы 16, однако остальные две частицы, зафиксированные на снимках фиг. 9-14, также перемещались от периферии к оси БСП. На фиг. 9-14 показано перемещение частицы 16 только со второго от центра максимума интенсивности БСП 1 к оси БСП. Однако экспериментально было зарегистрировано перемещение к оси БСП частиц по меньшей мере с 7-го от центра минимума интенсивности БСП 0. Таким же образом перемещаются и частицы размерами меньше 1 микрометра, т.е. наноразмерные частицы. После перемещения частиц в центр сечения БСП 0 можно производить дальнейшую их транспортировку вдоль оси пучка под действием сил рассеяния или(и) продольной градиентной силы. Возможно избирательное воздействие на частицу или частицы, локализованные именно в центральном максимуме интенсивности БСП 0, поскольку в нем значение интенсивности в 6 раз больше значения интенсивности следующего по величине второго локального максимума БСП 0. На фиг. 15 и 16 продемонстрирован избирательный вертикальный подъем сразу 3 частиц вдоль центрального максимума БСП 0 под действием силы рассеяния и продольной градиентной силы, усилившихся в результате специального повышения общей интенсивности БСП 0. Данный эффект подчеркивает практическую полезность предлагаемого способа, поскольку благодаря ему можно изменять концентрацию, осуществлять прецизионный сбор и(или) удаление одной или нескольких частиц, а также нагнетание их под действием света в микроотвертия или микрокапилляры. Таким образом, полученные экспериментально результаты подтверждают возможность перемещения частиц микро- и наноразмеров посредством предлагаемого способа и его большую практическую значимость. 5. . . . 94, 1997, . - . 4853-4860 (//). 2. Рубинов А.Н., Катаркевич В.М., Эфендиев Т.Ш. Сортировка микрочастиц градиентным полем // Журнал прикладной спектроскопии. . 70. -5. - 2003. - С. 663-666. 3.668630, 1979. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8