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 Казак Николай Станиславович(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,бипризму Френеля с равными углами при основании, которое перпендикулярно оси симметрии падающего на нее светового пучка, в качестве рефрактивного оптического элемента, механический узел, обеспечивающий возможность плавного контролируемого вращения бипризмы Френеля вокруг оси симметрии светового пучка, механический узел для плавного контролируемого перемещения бипризмы Френеля вдоль оси симметрии падающего на нее светового пучка, первое поворотное зеркало, кювету, содержащую суспензию микрочастиц, с прозрачным для лазерного излучения дном, перпендикулярным оси симметрии светового пучка, микроскоп, второе поворотное зеркало, систему наблюдения, две собирающие сферические линзы, установленные перед рефрактивным оптическим элементом и после него, образующие телескопическую систему, собирающую сферическую линзу, установленную за телескопической системой, фокусная плоскость которой находится вблизи внутренней поверхности дна кюветы с суспензией микрочастиц, отличающееся тем, что бипризма Френеля закреплена в механическом узле, обеспечивающем возможность плавного контролируемого смещения линии пересечения 102092014.08.30 наклонных граней бипризмы Френеля в направлении, перпендикулярном оси симметрии падающего на нее светового пучка, а этот узел закреплен на механическом узле, обеспечивающем возможность плавного контролируемого вращения бипризмы Френеля вокруг оси симметрии падающего на нее 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. - С. 663-666. 3. Патент РБ на полезную модель 8578, 2012. 4. Патент РБ на полезную модель 9100, 2013. Предлагаемая 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 медленное поперечное перемещение поля, возникающего в результате интерференции двух световых пучков, сходящихся под углом. Данное устройство не позволяет контролируемо изменять взаимную ориентацию и расположение двух отдельно взятых частиц. Известно устройство для манипулирования микрочастицами с помощью кольцевого поля переменного диаметра 3. Однако данное устройство не позволяет оперировать двумя отдельно взятыми частицами, контролируемо изменять их взаимную ориентацию и расстояние между ними. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для манипулирования микрочастицами 4, содержащее следующие элементы 2 102092014.08.30 источник лазерного излучения, обеспечивающий формирование начального слаборасходящегося когерентного светового пучка с аксиально симметричным распределением интенсивности излучения, бипризму Френеля с равными углами при основании, которое перпендикулярно оси симметрии падающего на нее светового пучка, в качестве рефрактивного оптического элемента, механический узел, обеспечивающий возможность плавного контролируемого вращения бипризмы Френеля вокруг оси симметрии светового пучка, механический узел для плавного контролируемого перемещения бипризмы Френеля вдоль оси симметрии падающего на нее светового пучка, первое поворотное зеркало,кювету, содержащую суспензию микрочастиц, с прозрачным для лазерного излучения дном, перпендикулярным оси симметрии светового пучка, микроскоп, второе поворотное зеркало, систему наблюдения, две собирающие сферические линзы, установленные перед рефрактивным оптическим элементом и после него, образующие телескопическую систему, собирающую сферическую линзу, установленную за телескопической системой, фокусная плоскость которой находится вблизи внутренней поверхности дна кюветы с суспензией микрочастиц. Данное устройство позволяет манипулировать одной либо одновременно двумя частицами, втягивающимися в максимумы интенсивности, с помощью двух световых максимумов, однако при перемещении одной частицы данным устройством используется только один световой максимум, из-за чего половина световой энергии второго максимума бесполезно теряется, а в общем случае одновременное перемещение двух различных по свойствам частиц с помощью данного устройства возможно только со скоростью, не превышающей меньшую из двух максимальных скоростей, с которыми могут двигаться эти две частицы при создаваемом устройством градиенте интенсивности. Иначе одна из частиц из-за недостаточной величины действующей на нее градиентной силы не успевает двигаться за смещающимся световым максимумом. Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение возможности перемещения с помощью светового излучения как одной, так и одновременно двух микрочастиц,втягивающихся в максимумы интенсивности, в том числе частиц с различными поляризуемостями и радиусами, с максимально возможной скоростью их одновременного перемещения, в плоскости, перпендикулярной направлению распространения светового излучения на расстояния, превышающие в десять и больше раз диаметр микрочастиц,имеющего результатом изменение расстояния между ними либо их 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, бипризму Френеля с равными углами при основании, которое перпендикулярно оси симметрии падающего на нее светового пучка, в качестве рефрактивного оптического элемента, механический узел, обеспечивающий возможность плавного контролируемого вращения бипризмы Френеля вокруг оси симметрии светового пучка, механический узел для плавного контролируемого перемещения бипризмы Френеля вдоль оси симметрии падающего на нее светового пучка, первое поворотное зеркало, кювету, содержащую суспензию микрочастиц, с прозрачным для лазерного излучения дном, перпендикулярным оси симметрии светового пучка, микроскоп, второе поворотное зеркало, систему наблюдения, две собирающие сферические линзы, установленные перед рефрактивным оптическим элементом и после него, образующие телескопическую систему, собирающую сферическую линзу, установленную за телескопической системой, фокусная плоскость которой находится вблизи внутренней поверхности дна кюветы с суспензией микрочастиц. Устройство обладает следующими отличительными признаками бипризма Френеля закреплена в механическом узле, обеспечивающем возможность плавного контролируемого смещения линии пересечения наклонных граней бипризмы Френеля в направлении, перпендикулярном оси симметрии падающего на нее светового пучка, а этот узел закреплен на механическом узле, обеспе 3 102092014.08.30 чивающем возможность плавного контролируемого вращения бипризмы Френеля вокруг оси симметрии падающего на нее светового пучка. Сущность полезной модели поясняется фигурами, где на фиг. 1 показана оптическая схема предлагаемого устройства для манипуляции микрочастицами на фиг. 2 приведена фотография комбинации механических узлов, обеспечивающих продольное и поперечное смещения, а также вращение бипризмы Френеля на фиг. 3 приведена зависимость распределения интенсивности на отрезке, соединяющем пики интенсивности двухпичкового светового поля от продольного смещениябипризмы Френеля при прохождении оси симметрии светового пучка через линию пересечения наклонных граней бипризмы Френеля на фиг 4 продемонстрированы инвертированные зависимости распределений интенсивности на отрезке, проходящем через оптическую ось установки и максимумы интенсивности биловушки, от поперечного смещения М при трех различных продольных смещенияхбипризмы Френеля на фиг. 5 показаны инвертированные распределения интенсивности в поперечном сечении светового поля оптической биловушки при различных смещенияхибипризмы. Предлагаемое устройство состоит из источника лазерного излучения 1, собирающих сферических линз 2 и 3, образующих телескопическую систему, равноугольной бипризмы Френеля 4 в качестве рефрактивного оптического элемента, механического узла 5, обеспечивающего возможность ее плавного контролируемого вращения вокруг оси симметрии падающего на нее светового пучка и закрепленного на механическом узле 6, обеспечивающем плавное контролируемое перемещение бипризмы Френеля 4 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, системы наблюдения 12 и механического узла 13 для смещения линии пересечения наклонных граней закрепленной в этот узел бипризмы Френеля 4, закрепленного на механическом узле 5. 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 равноугольную бипризму Френеля 4 в качестве рефрактивного оптического элемента (на фиг. 1 1 и 2 - фокусные расстояния линз 2 и 3 соответственно). При необходимости управления одинаковыми по размеру и поляризуемости микрочастицами ось симметрии светового пучка должна проходить через линию пересечения наклонных граней бипризмы Френеля 4. Посредством пропускания светового пучка через телескопическую систему, внутри которой находится бипризма Френеля 4,формируют бинарный (т.е. двухкомпонентный) световой пучок (БП) с углом расхождения компонент, зависящим от положения бипризмы Френеля 4 относительно системы линз 2 и 3. В случае если телескоп расширяющий (фокусное расстояние линзы 2 меньше, чем фокусное расстояние линзы 3), при смещении бипризмы Френеля 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 а - 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 оп 4 102092014.08.30 тической 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. В случае, если частицы различаются по размерам и/или поляризуемости, из-за чего одинаковые пички интенсивности обеспечивают частицам различные максимальные скорости перемещения, с помощью механического узла 13 производят смещение линии пересечения наклонных граней бипризмы Френеля 4 от оси симметрии светового пучка, изменяя максимальные значения интенсивности в пичках двухпичкового светового поля и добиваясь тем самым выравнивания максимальных скоростей движения частиц под действием градиента интенсивности в пичке. При необходимости манипулирования только одной частицей с помощью механического узла 13 производят полное перераспределение световой энергии в один световой пичок, захватывают этим пичком частицу и перемещают ее в нужном направлении. Возможность выполнения поставленной задачи обусловлена следующим. На частицу,помещенную в световое поле с градиентом интенсивности /, действует градиентная сила , которая приводит к перемещению частицы в среде. В случае, когда частица прозрачна и имеет сферическую форму, величина силы зависит от оптических свойств частицы и среды следующим образом 2/ - градиент интенсивности светового поля- скорость света в вакууме. Поляризуемость частицы определяется следующим образом 2(2)3(2)/(22),где/и- показатели преломления частицы и окружающей среды соответственно. Движению частицы в среде препятствует сила вязкого трения(сила лобового сопротивления), величина которой прямо пропорциональна скорости движения частицы(3)6,где- сила вязкого трения- коэффициент динамической вязкости среды- скорость движения частицы. Под действием силичастица движется с ускорением/,(4) где- ускорение частицы- масса частицы. Поскольку сила сопротивления средыявляется функцией скорости движения частицы, то, чтобы определить зависимость , необходимо решить дифференциальное уравнение вида 102092014.08.30 где 6/9/(22)- плотность вещества частицы/823(/)/(3)2(/)/. После разделения переменных получим 11, является выОбщим решением уравнения 5 б с учетом того, чторажение(6) 11, где- константа, которая определяется начальными условиями. С учетом начального условия (0)0 и того факта, что выражение имеет физический смысл только тогда, когда оно неотрицательно, решением уравнения 5 б является следующее выражение(7)(1-)/. Из 7 видно, что при выполнении условия 1/ (а это время составляет в реальных условиях несколько наносекунд и более) частица движется с постоянной максимальной скоростью(8)/42(/)/(9). Для того чтобы сравнять максимальные скорости перемещения для частиц с различными в общем случае радиусами и поляризуемостями, можно изменить градиент интенсивности в световом пике, воздействующем на микрочастицу (/) таким образом, чтобы выполнялось равенство(/)1 и (/)2 - градиенты интенсивности в световых максимумах, воздействующих на первую и вторую частицы соответственно. Данное равенство при одинаковых градиентах интенсивности в обоих пичках выполняется, в частности, в том случае, когда частицы одинаковы по размеру и материалу либо хотя бы приближенно выполняется равенство 113223. Невыполнение этого равенства,особенно из-за несовпадения радиусов частиц, приводит к неравенству градиентных сил,действующих на частицы, из-за чего одновременное манипулирование двумя разными по свойствам частицами может существенно замедляться. Увеличить градиент интенсивности в одном из пиков биловушки можно за счет другого пика, например, увеличив максимальное значение интенсивности пика, не изменяя при этом диаметр пика. Перераспределив энергию светового пучка между пичками, можно добиться выполнения уравнения 9. 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,г. Рязань, Россия). На фиг. 2 показана фотография комбинации механических узлов, обеспечивающих все необходимые перемещения бипризмы Френеля 4. На фиг. 3 приведена зависимость распределения интенсивности в фокусной плоскости линзы 7 на отрезке, соединяющем пики интенсивности двухпичкового светового поля, от продольного линейного смещениябипризмы 4 вдоль горизонтального участка оптической оси устройства. Использовалась равноугольная бипризма Френеля с углом между ее основанием и наклонной плоскостью 2. Смещениеотсчитывалось 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 . Данная фигура подтверждает возможность 6 102092014.08.30 использования предложенной оптической схемы для увеличения или уменьшения расстояния между микрочастицами. Смещение бипризмы Френеля 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. Поперечное контролируемое смещениебипризмы Френеля 4 осуществляется с помощью точного градуированного механического узла 13. Поперечное смещение приводит к перераспределению энергии начального светового пучка между пичками Фурье-образа БП, являющегося оптической биловушкой. На фиг. 4 продемонстрированы полученные экспериментально инвертированные зависимости распределений интенсивности на отрезке,проходящем через оптическую ось установки и максимумы интенсивности биловушки, от поперечного смещенияпри трех различных продольных смещенияхбипризмы Френеля. На фиг. 5 показаны полученные экспериментально инвертированные распределения интенсивности в поперечном сечении светового поля оптической биловушки при различных смещенияхибипризмы. Фиг. 4 и 5 подтверждают, что при любом расстоянии между пичками оптической биловушки можно получить любое соотношение максимальных значений этих пичков от 0 до бесконечности, а это означает, что для любых двух микрочастиц, втягивающихся в максимумы интенсивности, можно добиться выравнивания их максимально возможных скоростей перемещения. Вращение бипризмы Френеля 4 позволяет вращать пички с любым соотношением энергий в них вокруг оптической оси, а смещение бипризмы Френеля 4 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 выходных поверхностях просветляющего покрытия. Благодаря этим фактам вполне реально использовать полученные двухпичковые поля 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 одновременно двух микрочастиц в плоскости, перпендикулярной направлению распространения светового излучения, в направлении к оптической оси устройства либо в обратном направлении на расстояния в сотни микрометров и даже миллиметров, т.е. превышающие в десять и более раз средний размер микрочастиц, а также одновременное вращение пары микрочастиц вокруг оптической оси устройства с максимально возможными для используемого светового пучка скоростями перемещения. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 9