350px|thumb|справа|Схема выкарыстання аптычнага пінцэта ў вывучэнні РНК-палімеразы

Апты́чны пінцэ́т (), часам ла́зерны пінцэ́т або апты́чная па́стка — аптычны інструмент, які дазваляе маніпуляваць мікраскапічнымі аб'ектамі з дапамогай лазернага святла (якое звычайна атрымліваецца ад лазернага дыёда). Ён дазваляе прыкладаць к дыэлектрычным аб'ектам сілы ад фемтаньютанаў да нананьютанаў і вымяраць адлегласці ад некалькіх нанаметраў да мікронаў. У апошнія гады аптычныя пінцэты пачалі выкарыстоўваць у біяфізіцы для вывучэння структуры і прынцыпу работы бялкоў.

Гісторыя Яшчэ ў XVII стагоддзі нямецкі астраном Іаган Кеплер, зыходзячы з назіранняў за хвастамі камет пры набліжэнні да Сонца, выказаў здагадку, што святло можа аказваць ціск на рэчыва. Хоць пазней аказалася, што гэта не адзіны механізм гэтага адхілення, ідэя Кеплера аказалася плённай для развіцця астраноміі. Напрыклад, было паказана, што светлавы (радыяцыйны ціск) — адзін з самых галоўных механізмаў, адказных за дынаміку часціц у міжзорнай прасторы.

Праз два стагоддзі пасля даследаванняў Кеплера Джэймс Максвел разлічыў значэнне светлавога ціску з дапамогай сваёй тэорыі электрамагнітных з'яў. Гэты эфект быў эксперыментальна вымераны ў 1910 годзе расійскім фізікам Пятром Лебедзевым, які паказаў, што святло аказвае ціск на целы. У 1970 годзе, дзеянне сіл, звязаных з рассейваннем і градыентамі інтэнсіўнасці святла, на часціцы мікронных памераў было апублікавана ў навуковай літаратуры Артурам Ашкінам (), супрацоўнікам Bell LabsAshkin A., «Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure», Phys. Rev. Lett. 24, 156 (1970). .

Шмат пазней, Ашкін і калегі паведамілі аб першым назіранні таго, што цяпер называецца аптычнай пасткай, г. зн. сфакусіраванага пучка святла, здольнага ўтрымліваць мікраскапічныя часціцы (10 нм - 10 мкм) нерухома ў трох вымярэнняхAshkin A., Dziedzic J. M. & Yamane T., «Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams», Nature 330, 769 (1987). .

Падобны прынцып выкарыстоўваецца і для лазернага ахалоджвання — метаду, які дазволіў давесці тэмпературу атамаў у аптычнай пастцы да найменшых значэнняў, недасягальных іншымі сродкамі. Метад быў прапанаваны савецкім фізікам Лятохавым ў 1968 годзе Letokhov V. S., et. al. Cooling and trapping of atoms and molecules by a resonant laser field. Opt. Commun. 19, 72 (1976) і рэалізаваны той жа групай Ашкіна ў 1978 годзеAshkin A. Trapping of Atoms by Resonance Radiation Pressure Phys. Rev. Lett. 40, 729 (1978) . Даследчую працу працягнуў Стывен Чу () (у мінулым супрацоўнік Ашкіна), які за гэту працу атрымаў Нобелеўскую прэмію ў 1997 годзе.

У 1980-х гадах Стывен Блок () і Говард Берг () упершыню ўжылі тэхналогію аптычнага пінцэта ў біялогіі, выкарыстоўваючы яе, каб утрымаць бактэрыю з мэтай вывучэння бактэрыяльных жгуцікаў. Ужо ў 1990-х гадах даследчыкі, такія як Карлас Бустаманте (), Джэймс Спудыч () і Стывен Блок, ужылі прынцып аптычнай сілавой спектраскапіі, каб характарызаваць біялагічныя рухавікі малекулярнага маштабу. Гэтыя малекулярныя маторы сустракаюцца паўсюдна ў біялогіі, і адказваюць за перамяшчэнне клетак, змену іх формы і за транспарт у межах клеткі. Аптычныя пасткі дазволілі біяфізікам назіраць сілы і дынаміку малекулярных матораў на прыкладзе адной малекулы. Аптычная сілавая спектраскапія дазволіла лепш зразумець стахастычную (выпадковую) прыроду малекул, якія выпрацоўваюць энергію.

Аптычны пінцэт аказаўся карысным таксама і ў іншых галінах біялогіі. Напрыклад, у 2003 годзе метад аптычнага ўтрымання быў выкарыстаны для сартавання клетак. Ствараючы вялікую аптычную інтэнсіўнасць над узорам, клеткі можна сартаваць па іх уласных аптычных характарыстыкахMacdonald M. P., Spalding G. C. & Dholakia K., «Microfluidic sorting in an optical lattice», Nature 426, 421 (2003). Optical Peristalsis by Brian A. Koss and David G. Grier The University of Chicago. Аптычны пінцэт таксама выкарыстоўваецца для даследавання цыташкілетаў, вымярэння вязкасці і пругкасці біяпалімераў і вывучэння руху клетак.

Фізічныя прынцыпы Аб'екты, калі ўявіць іх у выглядзе маленькіх дыэлектрычных сфер, ўзаемадзейнічаюць з электрычным полем, створаным светлавой хваляй, за кошт індуцыраванага на сферы дыпольнага моманту. У выніку ўзаемадзеяння гэтага дыполя з электрычным полем электрамагнітнай хвалі, аб'ект перамяшчаецца ўздоўж градыента электрычнага поля. Акрамя градыентнай сілы, на аб'ект таксама дзейнічае сіла, выкліканая ціскам (адбіццём) святла ад яго паверхні. Гэта сіла штурхае сферу па кірунку пучка святла. Аднак, калі прамень святла моцна сфакусіраваны, велічыня градыента інтэнсіўнасці можа пераўзыходзіць велічыню ціску святлаAdvanced techniques for optical manipulation.

Больш падрабязны аналіз заснаваны на двух механізмах, прапанаваных Ашкінам, у залежнасці ад памеру часціцы. У тэорыі рассейвання святла вядома, што механізм рассейвання святла часціцай залежыць ад суадносін памераў часціцы і даўжыні светлавой хвалі. Калі памер рассейваючых часціц значна меншы за даўжыню хвалі святла, то мае месца рэлееўскае рассейванне. Калі святло рассейваецца на часціцах (пыл, дым, водныя кропелькі), якія маюць памер большы за даўжыню хвалі, гэта рассейванне Мі (па імені нямецкага фізіка Густава Мі). Рассейванне Мі адказвае за белы і шэры колер аблокаў.

Прытрымліваючыся той жа ідэі, Ашкін прапанаваў выкарыстоўваць для матэматычнага аналізу аптычнага мікраманіпуліравання два розныя метады, а іменна: падыход хвалевай оптыкі для міеўскіх часціц (калі дыяметр часціцы большы за даўжыню хвалі святла d > λ) і прыбліжэнне электрычнага дыполя для рэлееўскіх часціц (d < λ).

Хвалевая оптыка 250px|thumb|справа|Тлумачэнне на аснове хвалевай оптыкі. Калі шар ссоўваецца ад цэнтра пучка, як на малюнку (a), найбольшая змена імпульсу прамянёў з большай інтэнсіўнасцю выклікае з'яўленне сілы, накіраванай да цэнтра пасткі. Калі шар размешчаны ў цэнтры пучка, як паказана на малюнку (b), сіла накіравана ў бок звужэння.

Пры аналізе з выкарыстаннем хвалевай оптыкі, дастаткова разгледзець працэсы праламлення і адбіцця святла ад мікрасферы дастаткова, каб прааналізаваць уцягванне ў аптычную пастку (гл. малюнак справа).

Самы просты разлік дзеючых сіл у межах падыходу хвалевай оптыкі грунтуецца на геаметрычнай оптыцы. Пры адлюстраванні і праламленні імпульс святла мяняецца. У сваю чаргу, гэта змяненне імпульсу (фатона як часціцы), згодна з другім законам Ньютана, прыводзіць да ўзнікнення сілы.

З дапамогай простай дыяграмы прамянёў і вектара сілы можна паказаць, што на мікрасферы дзейнічаюць дзве розныя аптычныя сілы, абумоўленыя інерцыяй падаючага і пераломленага святла. Як відаць з дыяграмы, выніковая сіла штурхае сферу ў напрамку да вобласці найвышэйшай інтэнсіўнасці прамяня. Такая сіла называецца градыентнай сілай.

Ашкін у сваім першым эксперыменце выкарыстаў міліватны гаусаўскі пучок аднамодавага (TEM00) аргонавага лазера з даўжынёй хвалі 514,5 нм сфакусіраванага ў пляму дыяметрам w0=6,2 мікрона. Ён рухаў з дапамогай гэтага пучка латэксныя сферы дыяметрам 0,51; 1,31 і 2,68 мікрона ў вадзе і паветры. Для сфер радыуса r=1,31 мікрона, змешчаных у ваду, і магутнасці лазера P=19 мВт хуткасць сфер дасягала 26 мкм/с. А з ацэнкі па формуле

дзе — доля святла эфектыўна адлюстраванага ад сферы (0,062), — хуткасць святла, — дынамічная вязкасць вадкасці (1 МПа·с для вады), атрымалася значэнне 29 μм/с. А адпаведная сіла, дзеючая на часціцу атрымліваецца з закона Стокса

і складае 730 фН.

У паветры максімальная хуткасць для кропель вады дыяметрам 5 мікрон пры магутнасці лазера 50 мВт склала 0,25 см/c.

Каб даследуемы аб'ект быў нерухомы, неабходна ўраўнаважыць сілу, выкліканую ціскам святла. Гэта можна зрабіць за кошт двух сустрэчных пучкоў святла, якія штурхаюць сферу ў процілеглых кірунках, або з дапамогай моцна сфакусаванага гаусавага пучка (з высокай лікавай апертурай, NA>1,0), каб ураўнаважыць ціск святла высокай градыентнай сілай.

З іншага боку, у рэлееўскім рэжыме, часціцы не абмежаваныя па форме. Наогул, для меншых часціц патрэбна меншая сіла прыцягвання. У большасці выпадкаў, для тлумачэння механізму работы лазернага пінцэта для любой формы часціц выкарыстоўваюць мадэль прыведзенага дыполя. Электрамагнітнае выпраменьванне будзе індуцыраваць дыпольны момант, або палярызацыю, у дыэлектычнай часціцы. Сіла ўзаемадзеяння гэтага дыполя са святлом прыводзіць да градыентнай сілы прыцягвання.

Падрабязная інфармацыя пра прыбор аптычнай пасткі прыведзена на сайце лабараторыі Стывена БлокаConstruction of optical tweezers by Steven M. Block, Princeton University.

Прыбліжэнне электрычнага дыполя У выпадках, калі дыяметр злоўленай у пастку часціцы значна меншы, чым даўжыня хвалі святла, умовы адпавядаюць выпадку рассейвання Рэлея, і часціцу можна разглядаць як кропкавы дыполь у неаднародным электрамагнітным полі. Сіла, якая дзейнічае на зараджаную часціцу ў электрамагнітнай вобласці, вядома як сіла Лорэнца:

Сіла, дзеючая на дыполь, раўняецца суме сіл, дзеючых на асобныя зарады

Адлегласць паміж зарадамі ў дыполі малая, таму вонкавае электрычнае поле можна раскласці ў наваколлі першага зарада ў рад Тэйлара, адкінуўшы пры гэтым нелінейныя члены:

Заўважце, што скарачаецца. Раскрываем дужкі і замяняем здабытак зарада на адлегласць дыпольным момантам часціцы атрымаем

дзе другая роўнасць атрымана на аснове дапушчэння, што дыпольны момант часціцы прама прапарцыянальны вонкаваму электрычнаму полю (гэта значыць ).

Улічваючы тоеснасць для аператара з вектарнага аналізу:

і адно з ураўненняў Максвела:

атрымаем

Другі складнік у апошняй роўнасці — вытворная па часе велічыні, якая звязаная праз пастаянны множнік з вектарам Пойнтынга, які апісвае магутнасць выпраменьвання, якое праходзіць праз адзінкавую пляцоўку. Калі лічыць, што магутнасць лазера не залежыць ад часу, то вытворная гэтага складніка будзе роўная нулю, і сіла запішацца ў выглядзеGordon J. P. Radiation forces and Momenta in Dielectric Media Phys. Rev. A 8, 14 (1973)

Квадрат велічыні электрычнага поля роўны інтэнсіўнасці прамяня як функцыя каардынат. Таму, вынік паказвае, што сіла, якая дзейнічае на дыэлектрычную часціцу, пры набліжэнні кропкавага дыполя, прапарцыянальная градыенту інтэнсіўнасці пучка. Іншымі словамі, апісаная тут сіла (градыентная сіла) прыводзіць да прыцягнення часціцы ў вобласць з самай высокай інтэнсіўнасцю.

Cіла, якая ўзнікае пры рассейванні святла, залежыць лінейна ад інтэнсіўнасці прамяня, папярочнага сячэння часціцы і паказчыка праламлення асяроддзя, у яком знаходзіцца пастка (напрыклад, вада), працуе супраць градыентнай сілы ў восевым кірунку пасткі, прыводзячы да таго, што раўнаважнае становішча ссоўваецца трохі ўніз ад становішча максімуму інтэнсіўнасці.

Лазерны пінцэт, заснаваны на альтэрнатыўных рэжымах працы лазера З часу вынаходства першага лазернага пінцэта, заснаванага на адным гаусавым пучку (фундаментальная лазерная мода TEM00) А. Ашкінам у 1986Ashkin A. «Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers», PNAS 94, 4853 (1997). , канцэпцыя аднамодавых лазерных пучкоў развілася за кошт выкарыстання лазерных мод высокага парадку, гэта значыць эрміт-гаусавых пучкоў (TEMnm), лагер-гаусавых пучкоў (LG, TEMpl) і бесэлевых пучкоў (Jn).

Лагер-гаусавыя пучкі валодаюць унікальнай уласцівасцю: ўцягваць у аптычную пастку аптычна адбіваючыя і паглынаючыя часціцы. Пучкі з кругавой палярызацыяй маюць спінавы арбітальны момант і могуць круціць часціцы. У лагер-гаусавых пучкоў таксама ёсць уласны вуглавы момант, які можа круціць часціцы вакол цэнтра пучкаStructure of Optical Vortices by J. E. Curtis and D. G. Grier, The University of ChicagoOptical Spanners by M. Padgett, University of Glasgow. Гэты эфект назіраецца без знешняй механічнай ці электрычнай рэгуляцыі прамяня. Акрамя лагер-гаусавых пучкоў, бесэлевыя пучкі як нулявога, так і вышэйшых парадкаў маюць арбітальны момант, а таксама ўнікальную ўласцівасць адначасова ўтрымліваць шмат часціц на некаторай адлегласціBessel Beams.

Мультыплексныя лазерныя пінцэты