Скачать презентацию Диагностика функциональных микро- и наночастиц в лазерных ловушках Скачать презентацию Диагностика функциональных микро- и наночастиц в лазерных ловушках

L3_Tweezers.ppt

  • Количество слайдов: 36

Диагностика функциональных микро- и наночастиц в лазерных ловушках Андрей Федянин Физический факультет МГУ fedyanin@nanolab. Диагностика функциональных микро- и наночастиц в лазерных ловушках Андрей Федянин Физический факультет МГУ fedyanin@nanolab. phys. msu. ru

Введение: сила давления света • Сила давления света связана с передачей импульса электромагнитной волны/потока Введение: сила давления света • Сила давления света связана с передачей импульса электромагнитной волны/потока фотонов при рассеянии/отражении/поглощении света материальной средой • Предсказана Кеплером в XVII веке для объяснения поведения хвостов комет • Математическое описание дано Максвеллом в 1871 г. в рамках классической электродинамики

Введение: сила давления света • Экспериментально обнаружена П. Н. Лебедевым в 1901 г. P. Введение: сила давления света • Экспериментально обнаружена П. Н. Лебедевым в 1901 г. P. Lebedev, Untersuchungen über die Druckkräfte des Lichtes, Annalen der Physik, 1901 • Демонстрация оптического захвата – Артур Ашкин (1970) A. Ashkin. Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure, Phys. Rev. Lett. 24, 156 (1970)

Принцип действия оптического пинцета Схема оптических возвращающих сил P 1 Смещение захваченной частицы из Принцип действия оптического пинцета Схема оптических возвращающих сил P 1 Смещение захваченной частицы из перетяжки Изменение картины рассеяния Нескомпенсированный импульс оптического излучения Возвращающая сила 3 D оптическая ловушка

Принцип действия оптического пинцета Сила, действующая на одиночный заряд во внешнем электромагнитном поле: Сила, Принцип действия оптического пинцета Сила, действующая на одиночный заряд во внешнем электромагнитном поле: Сила, действующая на диполь: или:

Несколько оценок - Силы оптического захвата (~ 100 ф. Н) существенно превосходят гравитационные силы Несколько оценок - Силы оптического захвата (~ 100 ф. Н) существенно превосходят гравитационные силы (~ 1 ф. Н для частицы размером 1 мкм) - Жесткость ловушки ~ п. Н/мкм - Размер ловушки ~ 1 мкм

Применения оптического пинцета Контролируемое изменение расстояний на микроуровне с нанометровой точностью Диагностика in situ Применения оптического пинцета Контролируемое изменение расстояний на микроуровне с нанометровой точностью Диагностика in situ и in vivo нанообъектов в естественной среде без влияния подложки Изучение сверхслабых взаимодействий и сил между нанообъектами вплоть до 10 ф. Н сил (фотонно-силовой микроскоп), измерение коэффициента жесткости «пружинки» ДНК, упругие свойства клеток, эффект «оптической отдачи» при люминесценции, магнитные и электрические взаимодействия на микроуровне Изучение процессов парных взаимодействий (агрегации и дезарегации) биологических микро- и нанообъектов

Двухлучевая модификация оптического пинцета Двухлучевая модификация оптического пинцета

Регистрация смещений: КФД 2 1 3 4 Регистрация смещений: КФД 2 1 3 4

Калибровка оптического пинцета по броуновским флуктуациям Эксперимент Калибровка оптического пинцета по броуновским флуктуациям Эксперимент

Определение жесткости оптической ловушки Energy (arb. un. ) реконструкция потенциала жесткость: k~5 п. Н/мкм Определение жесткости оптической ловушки Energy (arb. un. ) реконструкция потенциала жесткость: k~5 п. Н/мкм минимальная сила: f~0. 05 п. Н

Калибровка оптического пинцета по вязкому трению v Полистироловая сфера r ~ 2 мкм Сила Калибровка оптического пинцета по вязкому трению v Полистироловая сфера r ~ 2 мкм Сила вязкого трения вода, h Изменение скорости перемещения захваченной микросферы: Fвязк v 3 v 2 v 1 Fлов Fвязк= Fлов~ 18 ± 4 п. Н

Визуализация эксперимента Визуализация эксперимента

Двойной оптический пинцет: контроль межчастичного расстояния R=11. 3 μm R=20. 8 μm R=9. 9 Двойной оптический пинцет: контроль межчастичного расстояния R=11. 3 μm R=20. 8 μm R=9. 9 μm R=18. 3 μm R=7. 1 μm R=14. 6 μm R=6. 4 μm

Двойной оптический пинцет: контроль межчастичного расстояния Двойной оптический пинцет: контроль межчастичного расстояния

Магнитный оптический пинцет: изучение кинетики самоагрегации магнитных наночастиц Магнитные наночастицы Si. O 2/Fe 2 Магнитный оптический пинцет: изучение кинетики самоагрегации магнитных наночастиц Магнитные наночастицы Si. O 2/Fe 2 O 3 – 250 нм Кинетика самоагрегации частиц в магнитном поле

Передача момента импульса света магнитным наночастицам Иллюстрация механизма передачи момента импульса Передача момента импульса света магнитным наночастицам Иллюстрация механизма передачи момента импульса

Искусственное упорядочение микрочастиц с помощью оптического пинцета Группа 6 мкм – микрочастиц, упорядоченных в Искусственное упорядочение микрочастиц с помощью оптического пинцета Группа 6 мкм – микрочастиц, упорядоченных в шестиугольник 3 mm

Совмещение методики оптического пинцета с конфокальной схемой возбуждения и детектирования люминесценции 4 мкм объектив Совмещение методики оптического пинцета с конфокальной схемой возбуждения и детектирования люминесценции 4 мкм объектив NA=1. 3 1064 нм OC-12 спектрометр 532 нм

Парная агрегация эритроцитов Ø Сила и степень агрегации эритроцитов – различные для нормы и Парная агрегация эритроцитов Ø Сила и степень агрегации эритроцитов – различные для нормы и патологии Ø Механизмы агрегации эритроцитов до сих пор не установлены Ø Метод двухлучевого оптического пинцета является перспективным способом изучения агрегации эритроцитов: позволяет работать с одиночными эритроцитами, не вызывая в них существенных изменений Цель Изучение механизмов агрегации эритроцитов методом двухлучевого оптического пинцета и выявление различий в способности к агрегации здоровой и патологической крови для одиночных эритроцитов.

Парная агрегация эритроцитов Парная агрегация эритроцитов

Искусственная дезагрегация эритроцитов 1. 2. 3. 4. Искусственная дезагрегация эритроцитов 1. 2. 3. 4.

Сценарии дезагрегации эритроцитов статистика реализаций сценариев дезагрегации удавшийся разрыв агрегата до «точки» вероятность сценария Сценарии дезагрегации эритроцитов статистика реализаций сценариев дезагрегации удавшийся разрыв агрегата до «точки» вероятность сценария дезагрегации разрыв агрегата до «площади» неудавшийся разрыв агрегата норма патология

Dynamic measurements of RBC viscoelastic properties Goal: real time monitoring of RBC viscoelastic characteristics Dynamic measurements of RBC viscoelastic properties Goal: real time monitoring of RBC viscoelastic characteristics • Theoretical model: vibrating system • RBC response on the external perturbation: frequency dependence of the phase shift k K k • Viscoelastic properties diagnostics

Frequency dependence of the phase difference in the movement of the RBC edges P Frequency dependence of the phase difference in the movement of the RBC edges P = 20 m. W A = 100 nm ○ - living cell ● - cell fixed with glutaraldehyde k K k

Frequency dependence of the tangent of the phase difference in the movement of the Frequency dependence of the tangent of the phase difference in the movement of the RBC edges ○ - living cell ● - cell fixed with glutaraldehyde

Optically trapped paramagnetic microparticles in external magnetic field Magnetic forces between microparticles are very Optically trapped paramagnetic microparticles in external magnetic field Magnetic forces between microparticles are very small: Particles Brownian motion prevents direct measurement of magnetic forces correlation function analysis combined with optical tweezers magnetic forces change statistical properties of Brownian displacements of particles

Magnetic forces and correlation function Magnetic forces and correlation function

Optical tweezers with magnetic field application Sample: composite polystyrene magnetite microsphere, 3 μm Optical tweezers with magnetic field application Sample: composite polystyrene magnetite microsphere, 3 μm

Experimental results on magnetic microparticles Experimental results on magnetic microparticles

Determination of magnetic moments and magnetic interactions forces Correlation functions: Founded by approximation: Particles Determination of magnetic moments and magnetic interactions forces Correlation functions: Founded by approximation: Particles magnetic moments: Interaction forces: – Н=0 – Н=75 Oe, ∥ magnetic field configuration Lines – approximation by theoretical equations

Field dependence of magnetic moments and interactions forces Particles magnetic moments and magnetic forces Field dependence of magnetic moments and interactions forces Particles magnetic moments and magnetic forces between them can be found from the experimental results approximation

Dependence of magnetic interaction forces from particles displacement – ⊥ magnetic field configuration – Dependence of magnetic interaction forces from particles displacement – ⊥ magnetic field configuration – ∥ magnetic field configuration Lines – theoretical approximation

Заключительные ремарки Ø Изучение магнитных микро- и наночастиц с помощью одно - и двухловушечного Заключительные ремарки Ø Изучение магнитных микро- и наночастиц с помощью одно - и двухловушечного пинцета Ø Прецизионный контроль взаимодействий в диапазоне сил <10 п. Н между оптически захваченными частицами Ø Изучение коллективных плазмонных металлизированных микрочастицах эффектов в Ø Исследование эритроцитах агрегации в механизмов парной

Чтение на ночь Ø Journal of Biomedical Optics 17, 101510 (2012) Ø Journal of Чтение на ночь Ø Journal of Biomedical Optics 17, 101510 (2012) Ø Journal of Biomedical Optics 17, 025001 (2012) ØПисьма в ЖЭТФ 95, 638 (2012)