CC BY
73
МАНИПУЛЯЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКИМИ МИКРООБЪЕКТАМИ ОПТИЧЕСКИМИ ПИНЦЕТАМИ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ
К.Н. Афанасьев, В.Г. Волостников, Е.Н. Воронцов, А.В. Коробцов, С.П. Котова, Н.Н. Лосевский, А.М. Майорова, Е.В. Разуева Самарский филиал Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук
kotova@iian.smr.ru
Приводятся результаты экспериментов по формированию вихревых световых полей с распределением интенсивности в виде различных кривых и их использованию для деформации и вращения захватываемых микрообъектов: частиц латекса, клеток дрожжей, эритроцитов человека, клеток bacillus subtilis, lacto bacillus и других микроорганизмов. Также предложен эффективный способ формирования массивов оптических пинцетов за счет использования дифракционных решеток. Динамическое изменение пространственного положения ловушек осуществляется посредством поворота решетки. Метод представляет интерес для деформации растяжения и изгиба биологичесих объектов нитевидной и сферической форм.
Введение
В настоящее время во многих лабораториях мира ведутся работы по использованию оптических манипуляторов в различных биологических задачах, в том числе для деформации биологических объектов и исследованию на основе этих экспериментов их механических свойств. Можно отметить работы по измерению подвижности сперматозоидов [1]; управлению ростом нейрона [2]; определения вязкости внутриклеточной жидкости, механических свойств мембран клеток; ранней диагностики рака по изменению эластичности клеток [3]. Весьма важными для понимания роста и развития организмов являются исследования, устанавливающие связь между механическими свойствами клеток и их молекулярной архитектурой [4, 5]. Большое количество работ [6-8 и ссылки в них] посвящено экспериментам по растяжению, сжатию и вращению эритроцитов и измерению их характеристик (например, модуля Юнга и модуля сдвига, эластичности мембран и др.). Практически во всех указанных работах использовались гауссовские пучки или достаточно простые распределения, например, в форме астигматического пучка. Для расширения возможностей манипулирования биологическими объектами предлагается использовать световые поля с заданным распределением интенсивности и обладающих ненулевым угловым моментом (вихревые световые поля).
Формирование вихревых световых полей
Расчет фазовых транспарантов осуществлялся с помощью итерационного алгоритма Герчберга-Сэкстона. Начальное приближение фазы для алгоритма выбиралось на основе оптики спиральных пучков света [9]. Спиральные пучки относятся к классу полей с фазовыми сингулярностями и сохраняют вид интенсивности при распространении и фокусировке с точностью до масштаба и поворота. Если для формирования поля воспользоваться только фазовой частью спирального пучка, то интенсивность сформированного поля близка по виду к интенсивности соответствующего спирального пучка. Этот факт позволяет полагать, что фазовая часть спирального пучка сама по себе является достаточно хорошим начальным приближением для итерационного алгоритма. Используя фазовые распределения спиральных пучков, удалось добиться хорошей сходимости алгоритма (не более 10 итераций), а расчетная дифракционная эффективность составила 85-90% при однородности вдоль кривой 95% [10]. Изготовление фазовых дифракционных оптических элементов осуществлялась при помощи фотошаблонов методом контактного копирования на слои бихромированной желатины. Фотошаблоны фотографировались на высокоразрешающую фотопленку с экрана плоского монитора и проявлялись в линейном диапазоне. По данной методике были
рассчитаны и изготовлены фазовые ДОЭ, обеспечивающие формирование необходимых световых полей с распределением интенсивности в виде замкнутых (границы квадрата и треугольника, линии с самопересечением, 3-х и 6-и лепестковых "снежинок"), и незамкнутых кривых (спираль Архимеда, отрезок прямой).
Кроме предложенного метода формирования вихревых световых полей предложен простой метод формирования массива лазерных ловушек, основанный на применении фазовых дифракционных решеток. Полученный массив позволяет захватывать прозрачные, имеющие вытянутую геометрическую форму микрообъекты одновременно в нескольких точках. Динамическое изменение пространственного положения ловушек осуществляется посредством поворота решетки. При повороте решетки относительно оси параллельной штрихам решетки расстояние между порядками дифракции будет увеличиваться по мере увеличения угла поворота 5 (угол между направлением распространения пучка и нормалью к решетке). Особый интерес с точки зрения деформации микрообъектами представляет поворот решетки относительно оси перпендикулярной штрихам решетки. В этом случае при увеличении угла поворота решетки происходит искривление распределения дифракционных порядков - оно приобретает вид параболической кривой. Сформированные рассмотренными способами массивы пучков можно применять для захвата вытянутых микрообъектов. Более того, удерживая микрообъект в нескольких точках и изменяя пространственное положение пучков, можно вызывать его деформации. В первом случае -растяжение, сжатие, во втором - изгиб.
Эксперименты по деформации биологических объектов
На рис.1. представлена типичная схема установки для лазерного манипулирования.
Рис. 1 Схема экспериментальной установки
В установке использовался аргоновый (А=0,49 мкм) лазер мощностью 5 Вт. Для формирования оптической ловушки лазерный пучок при помощи зеркал, проходя через коллиматор и ДОЭ, направлялся в микроскоп МИН-8 с иммерсионным микрообъективом (60х, NA=0,85). Максимальная мощность сфокусированного излучения, падающего на частицу, составляла 500 мВт. В качестве биологических объектов были выбраны клетки дрожжей, эритроциты человека, клеток bacillus subtilis, lacto bacillus и другие микроорганизмы.
На рис. 2 представлена фотография, показывающая деформацию сжатия упаковки органических частиц с использованием пучка в виде спирали Архимеда мощностью около 50 мВт. Достигнутая линейная деформация сжатия составила 25%.
1 1 1 1
10 игп 1 10 (.ип 2
Рис. 2. Деформация сжатия упаковки органических частиц воздействием светового поля в виде
спирали Архимеда мощностью около 50 мВт.
Наряду со световыми полями с заданным распределением интенсивности для реализиции деформаций растяжения и изгиба нами использовались световые поля, состоящие из массива световых пятен, сформированных дифракционной решеткой из гауссова пучка. При попадании биологических объектов в область между двумя соседними максимумами распределения интенсивности они захватывались и растягивались. На рис. 3 продемонстрировано растяжение биологических объектов дифрагированным световым пучком, сформированным дифракционной решеткой. Линейная деформация растяжения составила 10%.
Рис. 3. Растяжение биообъектов набором ловушек, полученных с помощью дифракционной решетки.
На рис.4 приведены фотографии эксперимента по изгибанию нитевидного биологического объекта при помощи светового поля, дифрагированного на дифракционной решетке.
10 .ит 10 цт 10 цт
1 I-1 2 I-1 3 1-1
Рис. 4. Изгибание протяженного биообъекта набором ловушек, полученных с помощью
дифракционной решетки.
Заключение
Приводятся результаты экспериментов по формированию вихревых световых полей и манипуляции микрообъектами при помощи них. Реализованы деформация и вращение захватываемых микрообъектов пучками с распределением интенсивности в виде спирали Архимеда, а также деформации растяжения и изгиба биологичесих объектов нитевидной и сферической форм массивами оптических пинцетов, сформированными дифракционной решеткой. Результаты представляют интерес для решения задач микробиологии и медицины. Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 07-02-01280).
1. J.L. Nascimento, E.L. Botvinick, et al., J. Biomed. Opt., 2006, 11(4).
2. S.K. Mohanty, M. Sharma, et al. Biophotonics, 2005, p.19.
3. Krupa T. OPN - January 2002. - V. 13, № 1. - P. 8-9.
4. V. Vogel and M.Sheetz. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2006, V.7, pp. 265-275.
5. J. Guck, S. Schinkinger, et al. J. Biophys, 2005, 88(5), pp. 3689-3698.
6. M.M. Brandao, A. Fontes, et.al. Eur. J. Haematol., 2003, 70, pp. 207-211.
7. P. Bariel, Y.Sheng et. al. Opt. Express, 2007, Vol.15, No. 24, 16029-16034.
8. M. Gu, S Kuriakose et al. Opt. Express, 2007, Vol.15, No. 3, 1369-1375.
9. Е.Г. Абрамочкин, В.Г. Волостников. УФН, 2004, Том.174, N.12, стр. 1273 -1300.
10. Е.Г. Абрамочкин, К.Н. Афанасьев и др. Известия РАН Сер. физическая, 2008, N1, (76-79).
BIOLOGICAL MICROOBJECTS MANIPULATION BY VARIOUS TYPE OPTICAL TWEEZERS
Afanasiev K.N., Volostnikov V.G., Vorontsov E.N Korobtsov A.V., Kotova S.P., Losevsky N.N.,
Mayorova A.M., Razueva E.V. P.N. Lebedev Physical Institute, Samara Branch
The experimental results on the vortical light fields formation in the shape of various curves and their use for deformation and rotation of trapped microobjects such as latex, yeast cells, erythrocytes, bacillus subtilis, lacto bacillus cells and others are presented. Also the effective method of the optical trap arrays formation by the use of the diffraction grating is proposed. The dynamic change of the traps spatial position is realized by means of the grating turning. The method is of interest for the stretching and bending of the filament and spherical biological objects.
