Оптический пинцет и фотонно-силовая микроскопия

Метод оптического пинцета — самый удобный и распространенный способ пространственной локализации и перемещения частиц, размер которых составляет единицы микрон и менее. На настоящий момент оптический пинцет стал мощным инструментом в атомной оптике, статистической физике, молекулярной биологии, биохимии и биофизике.

В основе работы оптического пинцета лежит тот факт, что в неоднородном электромагнитном поле частицы с положительной поляризуемостью стремятся оказаться в области, где плотность энергии поля максимальна. В оптике это означает, что частицы с показателем преломления, превышающим показатель преломления среды, испытывают силу, направленную вдоль градиента интенсивности, — то есть в область, где интенсивность достигает наибольшего значения. В поле сфокусированного светового пучка интенсивность максимальна в перетяжке, и частицы локализуются в ней. Путем изменения точки фокусировки может осуществляться перемещение частицы.

Помимо управления положением частиц, оптический пинцет позволяет измерять силовые взаимодействия на микромасштабах. Если на захваченную частицу действует некоторая внешняя сила, равновесное положение частицы внутри ловушки смещается таким образом, что градиентная сила, действующая со стороны ловушки, уравновешивает внешнюю силу. Для измерения внешней силы, действующей на захваченную частицу, определяется ее пространственное положение внутри ловушки. Методика картирования, основанная на этом принципе, ныне известна как фотонно-силовая микроскопия.

Исследование свойств эритроцитов с помощью двухлучевого оптического пинцета

Эритроциты, будучи основной фракцией крови, во многом определяют ее гемореологические свойства. В свою очередь, одним из фундаментальных свойств эритроцитов является их склонность к агрегации, то есть к обратимому процессу слипания их клеточных мембран. На рисунке показан типичный агрегат эритроцитов, по форме напоминающий монетный столбик.

Fig. 1 RBC rouleaux artificially formed by optical tweezers

Формирование агрегатов эритроцитов оказывает существенное влияние на гидродинамику потока крови в венулах, способствует смещению лейкоцитов к стенкам сосудов и таким образом позволяет им выполнять свою защитную функцию.

Двухлучевая конфигурация оптического пинцета, реализованная в нашей лаборатории, позволяет осуществлять прямые измерения пиконьютонных сил агрегации, действующих между двумя эритроцитами, находящимися в физиологических условиях.

Также мы проводим исследования вязко-упругих свойств эритроцитов с использованием нового подхода, основанного на комбинировании метода активной реологии и анализа вынужденных колебаний краев эритроцита.

Исследование магнитных микрочастиц в оптическом пинцете

В последние десятилетия активно изучаются магнетореологические жидкости — суспензии магнитных микрочастиц. Такие суспензии имеют ряд практических приложений: в частности, они используются при создании различных магнитных приборов и носителей информации, а также применяются в медицине — например, в методе магнитной гипертермии для уничтожения раковых опухолей.  Силы взаимодействия между единичными микрочастицами в такой жидкости очень малы, они имеют порядок сотен фемтоньютонов. Для исследования системы взаимодействующих магнитных микрочастиц целесообразно использовать метод оптического пинцета.

Измерение сил магнитного взаимодействия между двумя отдельными магнитными микрочастицами

В эксперименте две микрочастицы захватываются в две независимые ловушки лазерного пинцета на расстоянии нескольких микрометров друг от друга. Во внешнем однородном магнитном поле на микрочастицы наводятся магнитные дипольные моменты, и частицы взаимодействуют друг с другом силами притяжения или отталкивания. Под действием этих сил частицы смещаются из центров оптических ловушек в новые положения равновесия, в которых силы магнитного взаимодействия уравновешиваются возвращающими силами оптических ловушек. Возвращающие силы оптических ловушек напрямую измеряются в эксперименте, что позволяет получить величины сил магнитного взаимодействия между частицами. Силы магнитного взаимодействия между частицами связаны с величинами магнитных моментов отдельных частиц, что позволяет определять величины магнитных моментов отдельных микрочастиц с точностью до фАм2.

Броуновское движение двух магнитных микрочастиц в оптическом пинцете

Микрочастицы в оптическом пинцете погружены в жидкость. Поэтому под действием случайных броуновских сил они непрерывно смещаются из центров оптических ловушек. Присутствие магнитного взаимодействия между двумя микрочастицами делает это движение более связанным, поэтому в движении частиц возникают корреляции. Это выражается в том, что экспериментально измеренные зависимости кросс-корреляционных функций движения частиц существенно меняются в присутствии взаимодействия между ними, причем изменения зависят от величины действующей силы и ее направления. В случае, когда между микрочастицами действуют силы магнитного притяжения в движении частиц возникают антикорреляции, что означает, что частицы чаще движутся в противоположные стороны. А в случае, когда действуют силы притяжения, в движении частиц появляются корреляции, то есть частицы движутся синхронно. Влияние сил магнитного взаимодействия на корреляции в движении частиц определяет свойства целого класса явлений в магнитореологических суспензиях — таких, как агрегация частиц, вязко-упругие и реологические характеристики суспензии, а также формирование сложных магнитных микроструктур.
 

Синхронизация движения двух взаимодействующих магнитных микрочастиц в оптических ловушках

Возникновение корреляций в движении магнитных микрочастиц может быть также обнаружено с помощью метода активной микрореологии. В этом методе одна из оптических ловушек  осциллирует по гармоническому закону, увлекая за собой захваченную в нее микрочастицу. Сила взаимодействия между частицами зависит от расстояния между ними, поэтому при гармоническом изменении расстояния сила взаимодействия становится также периодически модулированной.  Под действием этой силы вторая частица также начинает гармонически осциллировать. Когда микрочастицы захвачены на маленьких расстояниях друг от друга, синхронизация движения становится настолько сильной, что ее можно наблюдать невооруженным глазом.

 

Исследование поля поверхностных состояний в фотонных кристаллах

Помимо оптического пинцета, существуют и другие методы управления микро- и наночастицами с помощью света. В частности, для захвата и перемещения частиц можно использовать усиленное ближнее поле вблизи плазмонных наноструктур и фотонных кристаллов. Такие способы находят применение в устройствах микрофлюидики — в частности, для пассивной сортировки частиц по их оптическим свойствам. Одним из альтернативных методов оптического управления микрочастицами является метод, основанный на использовании поверхностных электромагнитных волн в фотонных кристаллах, впервые реализованный в нашей лаборатории.

В одном из экспериментов, поставленных в нашей лаборатории, силовое воздействие на микрочастицы со стороны поверхностных электромагнитных волн было исследовано стандартным методом оптического пинцета.

Публикации

Тезисы конференций

  1. M.D. Khokhlova, E.V. Lyubin, M.N. Skryabina, and A.A. Fedyanin
    "RBC elastic properties studied by means of active rheology approach"

    Proc. of SPIE

    8458
    84580T
    2012
  2. M.N. Skryabina, E.V. Lyubin, M.D. Khokhlova and A.A. Fedyanin
    "Correlation function analysis of optically trapped paramagnetic microparticles in external magnetic field"

    Proc. of SPIE

    8458
    84580G
    2012
  3. Irina V. Soboleva, Daniil A. Shilkin, Evgeny V. Lyubin, Andrey A. Fedyanin
    "Photonic-force microscopy of radiation forces generated by surface mode of one-dimensional photonic crystals"

    SPIE Photonics Europe 2014

    9126-26
    2014
  4. Maria Skryabina, Evgeny Lyubin, Maria Khokhlova, Andrey Fedyanin
    "Influence of thermal noise to magnetic microparticle rotation in optical tweezers"
    Moscow International Symposium on Magnetism (MISM – 2014)
    Moscow, Russia
    2014
  5. A. Priezzhev, A. Lugovtsov, S. Nikitin, K. Lee, V. Ustinov, V. Koshelev, O. Fadyukova, M. Lin, A.A. Fedyanin, M.D. Khokhlova, E.V. Lublin, C.L. Cheng, E. Perevedentseva, Y.C. Lin, M. Kinnunen, A. Karmenian
    "Light scattering and laser manipulation in the studies of red blood cells microrheology "

    Laser Applications in Life Sciences LALS 2014

    2014

Articles

  1. Irina Sokolova, Marina Gafarova, Maria Khokhlova, Alexei Muravyev, Evgeny Lyubin, Maria Skryabina, Andrey Fedyanin, Tatiana Krasnova and Alexandr Shahnazarov
    "Glycoprotein IIB-IIIA inhibitor, monafram decelerate the early phase of red blood cells aggregation"

    Journal of Cellular Biotechnology

    2
    15-22
    2016

Статьи

  1. Daniil A. Shilkin, Evgeny V. Lyubin, Irina V. Soboleva, and Andrey A. Fedyanin
    "Near-field probing of Bloch surface waves in a dielectric multilayer using photonic force microscopy"

    Journal of the Optical Society of America B

    33
    1120-1127
    2016
  2. M.D. Khokhlova, E.V. Lyubin, A.G. Zhdanov, S.Yu. Rykova, I.A. Sokolova, and A.A. Fedyanin
    "Normal and system lupus erythematosus red blood cell interactions studied by double trap optical tweezers: direct measurements of aggregation forces"

    Journal of Biomedical Optics

    17
    025001
    2012
  3. Daniil A. Shilkin, Evgeny V. Lyubin, Irina V. Soboleva, and Andrey A. Fedyanin
    "Photonic force microscopy of surface electromagnetic waves in a one-dimensional photonic crystal"

    SPIE Proceedings

    9548
    954810
    2015
  4. E.V. Lyubin, M.D. Khokhlova, M.N. Skryabina, and A.A. Fedyanin
    "Cellular viscoelasticity probed by active rheology in optical tweezers"

    Journal of Biomedical Optics

    17
    101510
    2012
  5. Daniil A. Shilkin, Evgeny V. Lyubin, Maxim R. Shcherbakov, Mikhail Lapine, and Andrey A. Fedyanin
    "Directional Optical Sorting of Silicon Nanoparticles"

    ACS Photonics

    4
    9
    2312–2319
    2017
  6. М.Н. Скрябина, Е.В. Любин, М.Д. Хохлова, А.А. Федянин
    "Диагностика парного взаимодействия магнитных микрочастиц методом оптического пинцета"

    Письма в ЖЭТФ

    95
    11
    638
    2012
  7. Д. А. Шилкин, Е. В. Любин, И. В. Соболева, А. А. Федянин
    "Управление положением ловушки вблизи отражающих поверхностей в оптическом пинцете"

    Письма в ЖЭТФ

    98
    720 - 724
    2013
  8. Irina A. Sokolova, Alexei V. Muravyov, Maria D. Khokhlova, Sofya Yu. Rikova, Evgeny V. Lyubin, Marina A. Gafarova, Maria N. Skryabina, Angrey A. Fedyanin, Darya V. Kryukova and Alexander A. Shahnazarov
    "An effect of glycoprotein IIb/IIIa inhibitors 2 on the kinetics of red blood cells aggregation"

    Clinical Hemorheology and Microcirculation

    57
    291–302
    2014
  9. Maria N. Romodina, Maria D. Khokhlova, Evgeny V. Lyubin & Andrey A. Fedyanin
    "Direct measurements of magnetic interaction-induced cross-correlations of two microparticles in Brownian motion"

    Scientific Reports

    5
    10491
    2015
  10. Inna Y. Stetciura, Alexey Yashchenok, Admir Masic, Evgeny V. Lyubin, Olga A. Inozemtseva, Maria G. Drozdova, Elena A. Markvichova, Boris N. Khlebtsov, Andrey A. Fedyanin, Gleb B. Sukhorukov, Dmitry A. Gorin and Dmitry Volodkin
    "Composite SERS-based satellites navigated by optical tweezers for single cell analysis"

    Analyst

    140
    4981-4986
    2015
  11. Maria N. Romodina, Evgeny V. Lyubin & Andrey A. Fedyanin
    "Detection of Brownian Torque in a Magnetically-Driven Rotating Microsystem"

    Scientific Reports

    6
    21212
    2016
  12. Kisung Lee; Matti Kinnunen; Maria D. Khokhlova; Evgeny V. Lyubin; Alexander V. Priezzhev; Igor Meglinski; Andrey A. Fedyanin
    "Optical tweezers study of red blood cell aggregation and disaggregation in plasma and protein solutions"

    Journal of Biomedical Optics

    21
    035001
    2016