Регистрация / Вход
Прислать материал

Динамика эритроцитов в поле оптического пинцета

Сведения об участнике
ФИО
Абдулразак Саусан Хассановна
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Физика и астрономия
Раздел области наук
Оптика, квантовая электроника
Тема
Динамика эритроцитов в поле оптического пинцета
Резюме
В данной работе представлены расчеты сил, действующих на объект любой конфигурации, помещенный в оптическую ловушку. Основой для расчетов стали формулы Френеля. На основе проведенных вычислений была взята модель эритроцита и рассчитаны силы пленения.
Ключевые слова
оптический пинцет, эритроциты, лазерное излучение, формулы френеля, манипуляция биологическими объектами
Цели и задачи
Необходима простая модель описания сил пленения в поле оптического пинцета, удовлетворяющая объектам любой конфигурации.
Введение

Оптический пинцет позволяет манипулировать объектами с помощью лазерного излучения. Работа его основана на воздействие светового давления на микрообъект и взаимодействии объекта с электрическим полем ловушки.
Захват обусловлен двумя основными силами: силой светового давления и градиентной силой. Сила давления толкает сферу по направлению распространения излучения и обусловлена отраженной составляющей.
В данной работе был предложен метод вычисления сил светового давления в общем случае пространственной формы объекта, помещенный в центр оптической ловушки. Данный метод основан на классической оптике и использует теорию преломления и отражения света на границе раздела сред.

Методы и материалы

В данной работе предложен метод вычисления силы светового давления в общем случае пространственной формы объекта. Данный метод основан на классической оптике и использует теорию преломления и отражения света на границе объекта (клетка, бактерия, эритроцит) и окружающей среды (вода, физиологический раствор). В этом случае на основе формул Френеля были найдены общие выражения для  силы светового давления, действующие на биологическую частицу в области захвата оптического пинцета. Проведенные расчеты могут быть применимы для изучения воздействия на различные биологические объекты лазерных пучков, имеющих различную пространственную структуру - Бесселевы пучки и т.д.

Описание и обсуждение результатов

Исследование оптического излучения привело к появлению лазерных ловушек, которые позволили захватывать объекты любых размеров и форм. Появилась возможность удерживать в неподвижном состоянии микрообъекты и проводить исследования непосредственно с единичными частицами. Описания процессов, происходящих внутри ловушки, существуют различные, но в основном они делаться на два вида: рассмотрение с точки зрения корпускулярной теории света и при помощи геометрической оптики. Описание сил захвата при помощи геометрической оптики дает упрощенную модель для расчетов и используется для исследования больших объектов (λ <d).

Используя понятия о переносе импульса электромагнитной волной было рассчитано световое давление на объект, выведены выражения для силы пленения. Единственные значения, которыми мы оперировали при расчетах – значения показателей преломления среды и объекта пленения (в ходе работы они менялись). Остальные значения, такие как интенсивность падающего света, поперечный размер частицы считались константами, записанными в конечной формуле. Таким образом, был рассчитан коэффициент для расчетов силы, подставляя необходимые значения (определенные для каждого эксперимента) можно найти искомое значение силы.

Полученный результат был обобщен для бесселевых лучей, которые получаются из гауссова пучка после прохождения аксикона. Их особенности заключаются в распределении интенсивности и свойствах самого пучка, что является причиной использования для пленения биологических объектов.

Были проведены расчеты по захвату сферы бесселевым пучком, основываясь на модели геометрической оптики. Расчет производился с учетом приближения, что на сферу в области захвата, действует два центра максимума излучения распределения пучка. Каждое кольцо распространяется независимо друг от друга и распределение интенсивности представляет собой гауссово распределение. Выведены выражения и суммарная сила захвата, действующая на сферу. Эффект наблюдался тот же, что и при пленении гауссовым пучком – втягивание в область максимальной интенсивности (центральный пик). Суммарная интенсивность кольца и пика приблизительно равны интенсивности гауссова пучка, из которого был получен луч Бесселя. Тогда следовало, предположить, что сила пленения будет меньше, чем для гауссова пучка, но результат получился противоположный. Это объясняется тем, что поперечный размер бесселева пучка совпадает с шириной перетяжки гаусса, но имеет темные области с нулевой интенсивностью.

В дальнейшем модель была применена к расчету захвата эритроцита. Форма эритроцита позволяет разбить расчет силы на два блока, основываясь на форме. Суммарная сила складывается из этих двух блоков, идентичных между собой, за исключением радиусов исследуемых частей. Как и ранее максимум силы приходиться на центр объекта, но наблюдается возрастание на краях, за счет изгиба формы.

Используемые источники
1.Ashkin A. Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers
2.Сойфер В. А. Оптическое манипулирование микрообъектами: достижения и новые возможности, порожденные дифрационной оптикой //Физика элементарных частиц и атомного ядра.
3.Neuman K. C., Block S. M. Optical trapping //Review of scientific instruments. – 2004
4.Ashkin A., Dziedzic J. M., Yamane T. Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams //Nature. – 1987
5.Grier D. G. A revolution in optical manipulation //Nature. – 2003. – Т. 424. – №. 6950. – С. 810-816.
6.Sokolovskii G. S. et al. Optical trapping with Bessel beams generated from semiconductor lasers //Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing, 2014
7.Zhang H., Liu K. K. Optical tweezers for single cells //Journal of The Royal Society Interface. – 2008
Information about the project
Surname Name
Abdulrazak
Project title
Dynamics of RBC trapped in optical tweezers
Summary of the project
In 1970, A. Ashkin did first experiments in manipulating and trapping micron size particles in focused laser beam. He described forces acting on trapped objects and cold them scattering and gradient forces. Subsequently they started to apply same new technologies to capture biological structures. That gave a begging to laser tweezers, also known as optical tweezers.
Depending on the sizes of particles, we want to trap in the optical tweezer; different approaches are used to describe trapping forces. First, if the diameter of trapped structure is smaller than the wavelength of laser beam then conditions for Rayleigh scattering are satisfied, the particle is treated as a point dipole with a given dipole momentum in electromagnetic field. Second – diameter is much greater than the wavelength, in this case the dynamics explained by Ray optics.
In the article we study, dielectric sphere trapped in laser tweezer with approximate size same as the diameter of the trapped object. We calculated all the forces acting on it by using only Fresnel equations.
Both trapping forces – gradient and scattering – caused by radiation pressure on surface exposed to it. In our case, it is a sphere. However, as it symmetric forces effecting it will be the same. For that reason, we were calculating in two-dimensions and integrating only half of circle. Because the full integral would have been a zero, this proves the fact of trapping in the center of the beam.
We found out that trapping happens only due to radiation pressure caused by refracted fraction and any shift from that region will result in more intense dragging back. Those calculations are suitable for any object of any size with the diameter much bigger than the wavelength.
Bessel beams are widely used for trapping particles even more than Gaussian beams. It is due to its ability of re-forming back to original form after obstruction and narrow Bessel beam will maintain its properties for a long distance.
Cross-section of the Bessel beam is concentric circles (Fig. 3.) and the intensity of those circles increases towards the center of the beam. That causes dragging any object in radius of influence into the center – trapping it.
Fig. 3. Bessel beam
Erythrocytes are very important in biology and medicine because of its role in a mammal organism. Its role is to deliver oxygen to all other cells. They deliver oxygen to all other cells in our bodies and they are highly affected by many diseases. The main branches of research, considering erythrocytes, today are propulsion, deformation and sorting. Most commonly known blood diseases what strongly effect RBCs are malaria and sickle-cell disease. Studying cell membrane could help understand processes that take place during such diseases much better and closely observe them.
The main goal was to find forces acting on erythrocytes captured in optical tweezer. For that reason, we decided to calculate first forces applying to sphere with the diameter approximately the same as the diameter of red blood cells (RBC).
Keywords
optical tweezers, manipulation of biological particles, red blood cells, scattering force