Оптический манипулятор

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харьковский национальный университет радиоэлектроники

Оптический манипулятор

Безносенко И.В.,

Мачехин Ю.П.

Оптический манипулятор - перспективный метод исследований, обладающий колоссальным спектром применений в таких областях, как физика, химия, биология. Основная идея метода состоит в том, что в сфокусированных лазерных пучках возможен оптический захват объектов, размер которых лежит в диапазоне от нескольких нанометров до нескольких микрон. Для осуществления хорошего оптического захвата необходимо, чтобы образец не поглощал свет на облучающей его длине волны. Если перемещать фокус лазерного пучка, то вместе с ним будет перемещаться и захваченный объект или его часть. Это открывает возможность для манипулирования захваченными объектами. Наибольшие перспективы открываются при применении этого метода к наночастицам и биологическим объектам. Сегодня этот метод уже находит множество применений: перемещение золотых наночастиц размером больше 18 нм; измерение потоков жидкости в микроскопических объектах; сортировка клеток, бактерий и т. д. по различным критериям [1]; измерение сил адгезии между двумя клетками; создание сложных трёхмерных биологических структур [2]; разработка направленной доставки и прицельного воздействия на биологические мишени; измерение силы, необходимой для разрыва двойной спирали ДНК; манипулирование отдельными органеллами внутри живой клетки [3] и т.д. В настоящее время активно изучается вопрос о применении оптического манипулятора в области онкологии и микрохирургии.

Целью данной работы была разработка конструкции лазерного пинцета на основе лазера.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. подбор и обзор литературных источников, посвященных оптическим манипуляторам;

2. построение модели оптического манипулятора на основе лазера;

3. расчет условий манипулирования одиночными биологическими микрообъектами.

В экспериментах по оптическому манипулированию целесообразно использовать биологические микрообъекты, так как их размеры и способность преломлять лазерное излучение обеспечивают их эффективный оптический захват. Кроме того, манипулирование ими позволит решить многие задачи микробиологии и медицины.

В экспериментах по оптическому манипулированию будет использована клетка крови - эритроцит, так как исследование отдельных эритроцитов важно при диагностике здоровья человека. Радиус эритроцита толщина объём за плотность эритроцита возьмем плотность воды так как эритроцит состоит в основном из воды; за показатель преломления возьмем показатель преломления глицерина так как мембрана эритроцита состоит в основном из глицерина. Эритроцит будет находиться в воде, показатель преломления которой вязкость Манипулирование будет осуществляться при комнатной температуре .

В установке будет использован лазер 1 (рисунок 1), параметры которого указаны в таблице 1.

Таблица 1 - Лазер, применимый в экспериментальной установке

Для осуществления оптического захвата разработана структура экспериментальной установки, схема которой представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Оптический манипулятор. Схема структурная

1 - лазер; 2 - светофильтр; 3 - диафрагма; 4 - зеркало; 5 - устройство юстировки зеркала; 6 - объектив; 7 - предметный столик; 8 - движитель; 9 - светодиод; 10 - светофильтр; 11 - микроскоп; 12 - видеокамера; 13 - противовибрационная плита; 14 - штативы

При помощи зеркала 4 (рисунок 1), которое юстируется устройством юстировки зеркала 5, лазерное излучение будет попадать на объектив 6, параметры которого указаны в таблице 2 [4].

Таблица 2 - Объектив, применимые в экспериментальной установке

Так как сфокусированный лазерный пучок имеет высокую интенсивность и может повредить объект манипуляции, будет установлен светофильтр 2 (рисунок 1), чтобы понизить интенсивность лазерного излучения. Для того чтобы уменьшить размер сфокусированного пучка, будет установлена диафрагма 3 диаметром .

Сфокусированное излучение будет попадать сверху в предметную плоскость, где находится исследуемый образец. Объект манипулирования (эритроцит) будет находиться на прозрачном в оптическом диапазоне предметном столике 7 (рисунок 1) в воде.

Перемещение предметного столика будет осуществлено с помощью x-y-z-движителя (8), параметры которого указаны в таблице 3 [4].

Таблица 3 - Движитель, применимый в экспериментальной установке

Предметный столик будет освещаться светодиодом 9 (рисунок 1), параметры которого указаны в таблице 4.

Таблица 4 - Светодиоды, применимые в экспериментальной установке

Под предметным столиком будет расположен светофильтр 10 (рисунок 1), который будет отсекать лазерное излучение, прошедшее через предметный столик.

Визуальный контроль будет осуществляться с помощью микроскопа «Юннат-2П-3 Видео» 11 с цветной цифровой видеокамерой 12, который будет расположен под светофильтром. Параметры микроскопа указаны в таблице 5.

Таблица 5 - Микроскоп «Юннат-2П-3 Видео»

Все элементы экспериментальной установки будут установлены на противовибрационной плите 13 (рисунок 1) при помощи штативов 14.

На частицу (эритроцит) диаметром в выбранной экспериментальной установке действует градиент интенсивности, максимальное значение которого [5].

Найдем поляризуемость эритроцита, находящегося в воде:

где .

Тогда градиентная сила, действующая на эритроцит:

Для манипулирования эритроцитом необходимо, чтобы эта градиентная сила превышала силу вязкого трения, действующую на эритроцит при его движении в воде:

где - постоянная Больцмана;

- коэффициент диффузии эритроцита в воде, который находится по формуле:

- скорость движения эритроцита в воде.

Тогда для манипулирования эритроцитом необходимо обеспечить выполнение условия:

оптический манипулятор лазерный пинцет

Список литературы

1. Chapin S.C. Automated trapping, assembly, and sorting with holographic optical tweezers [Text] / S.C. Chapin, V. Germain, E.R. Dufresne. - Optics Express. 2006. - V. 14, N. 26. - P. 130-137.

2. Jordan P. Creating permanent 3D arrangements of isolated cells using holographic optical tweezers [Text] / P. Jordan, J. Leach, M. Padgett, P. Blackburn, N. Isaacs. - Lab Chip. - 2005. - V. 5. - P. 1224-1228.

3. Sacconi et al. Optical Micromanipulations inside Yeast Cells [Text]. - Applied Optics. - 2005. - V. 44, N. 11. - P. 201-216.

4. Edmund [Текст] / Optical instruments catalog. 2006. 353 p.

5. Звелто О. Принципы лазеров [Текст] : издание третье, переработанное и дополненное / Орацио Звелто ; Перевод с английского Е.В. Сорокина, И.Т. Сорокиной и К.Ф. Шипилова под редакцией Т.А. Шмаонова. - М. : Мир, 1990. - 558 с.

Размещено на Allbest.ru