Optisk pincet

Grundbeskrivelse

På en varm sommerdag oplever vi, at lys vekselvirker med stof og varmer kroppen. Faktisk kan lys også skubbe ved hjælp af ‘strålingstrykket’, men de kræfter, som lys kan skubbe med, er så små, at vi ikke observerer det i vores dagligdag.

Strålingstrykket fra Solen er dog stærkt nok til at skubbe kometers haler væk fra Solen, hvilket den tyske astronom Johannes Kepler opdagede i 1619.

Strålingstrykket havde ingen praktiske anvendelser før laseren blev opfundet (i 1970’erne). Laseren giver en ekstremt kraftig lysstråle, som kan fokuseres ned til et ganske lille område, og dermed kan en laser bruges som en pincet.

En optisk pincet er et fantastisk nano-værktøj, der kan bruges til at fange ganske små ting såsom bakterier, virus eller nanopartikler og flytte rundt på dem.

Den optiske pincet kan også måle kræfter og afstande. Dermed giver en optisk pincet vigtig information til forskerene om liv og materialer på nanometerskala.

En af Niels Bohr Institutets optiske pincetter. (Ola Jakup Joensen).

Når lys rammer et objekt, vil dele af lyset reflekteres, absorberes, eller brydes. Den del af lyset, som reflekteres, kastes tilbage ligesom man kender det fra et normalt spejl.

Den del af lyset, som absorberes, frigives typisk som varme, hvilket man kender fra en sort overflade i sollys. Den del, som brydes, går igennem objektet, men med en anden vinkel, hvis objektet har et andet brydningsindeks end det omkringliggende medie, hvilket man f.eks. tydeligt ser, når lys går fra luft til vand i et akvarium.

Disse forskellige vekselvirkninger af lys med materialet giver anledning til kræfter på objektet og gør, at man ved hjælp af en kraftigt fokuseret laserstråle kan fange mikroskopiske og nanoskopiske objekter, også levende organismer som bakterier og virus, og bevæge dem rundt, mens man måler kræfter og afstande i pico-Newton og nanometer områderne, hvilket er typiske kræfter og afstande på enkeltmolekyle og cellulært niveau.

Uddybende beskrivelse

En optisk pincet til biologiske formål baseres ofte på lasere med bølgelængder mellem 800 og 1100nm, fordi disse bølgelængder næsten ikke absorberes af biologisk materiale eller vand. Hvis vand eller biologisk væv absorberer lyset, vil det føre til opvarmning og fotokemiske reaktioner.

Specielt er 1064nm et populært valg, fordi der findes højkvalitets-lasere med denne bølgelængde, og fordi netop denne bølgelængde er meget skånsom overfor levende materiale.

Et system med fluorescente markører er synligt på den midterste skærm. (Ola Jakup Joensen).

Billederne er fra optisk pincet-laboratoriet ved Niels Bohr Institutet. Hovednerven i en optisk pincet er en laser, som er fokuseret kraftigt af et objektiv.

I Niels Bohr Institutets udstyr sidder objektivet bygget sammen med et mikroskop, som tillader, at man kan se prøven og fluorescente markører, mens man foretager optiske manipulationer.

Dele af optikken, der fokuserer laserstrålen. (Ola Jakup Joensen).

Hvordan kan lys fange et objekt? Via elektriske dipoler, som laseren inducerer i det objekt, som bliver gennemlyst. Fænomenet kan lettest forklares i forskellige regimer afhængigt af forholdet mellem diameteren på objekt, d , og lysets bølgelængde, λ.

λ << d Dette regime kaldes ’Mie regimet’ og her kan man anvende almindelig geometrisk optik. Det lys, som reflekteres fra objektet, vil primært skubbe objektet i laserstrålens retning. Det lys, som absorberes, vil opvarme objektet.

Hvordan lys kan fange et objekt, der er væsentligt større end lysets bølgelængde. En laserstråle med varierende intensitetsprofil rammer det blå objekt, der skubbes mod højre - mod den mest intense del af laserstrålen. (Lene Oddershede).

Det lys, som brydes, vil - på grund af forskellen i brydningsindeks mellem objektet og det omkringliggende medie (Snells lov) - ændre retning. Når lys ændrer retning, ændres også lysets impuls. En helt fundamental naturlov er, at der skal være impulsbevarelse i systemet. Derfor får det fangne objekt en lige så stor og modsat rettet impulsændring.

Hvis man tager en laser med en Gaussisk intensitetsprofil som på tegningen til højre og fokuserer den med en stærk linse, vil man få en intensitetsfordeling, som er mest intens i centrum af linsens fokus, og som aftager Gaussisk i alle retninger.

Hvis et objekt - her polystyrenkugle vist som blå - med et brydningsindeks, som er større end det omkringliggende medie, er placeret lidt til venstre for den mest intense del af strålen som vist på billedet, vil impulsændringen af det indkomne lys - de sorte pile på tegningen - forårsage, at et objekt får en lige så stor og modsatrettet impulsændring.

På tegningen illustreres effekten af både en mindre intens del af lyset - den smalle sorte pil - og en mere intens del af lyset - den brede sorte pil. Impulsbevarelsen vil forårsage kræfter på kuglen, F₁ fra den intense del af strålen og F₂ fra den mindre intense del. Kræfterne er vist med røde pile på tegningen. Netto giver det en resulterende kraft på kuglen, F_net, som skubber kuglen mod den mest intense del af laserstrålen. Denne kraft kaldes gradientkraften, fordi den skyldes en gradient i laserstrålens intensitetsprofil. Hvis gradientkraften er større end spredningskraften, er kuglen fanget.

d << λ Hvis objektets diameter er meget mindre end lysets bølgelængde, kan man opfatte objektet som et punkt. Hvis lyset rammer et punkt, hvori der kan induceres en dipol (en separation af negative og positive ladninger), så vil der være en kraft på den inducerede dipol,,  som er givet ved
\[F_{grad} = \frac{\alpha}{2}\nabla E^2\]
hvor α er polarisabiliteten (som siger noget om, hvor let det er at separere ladninger i objektet), og E er det elektriske felt. Intensiteten, I, er proportional med E²,  og dermed bliver F_grad proportional med intensitetsgradienten.

Mikroskopet betjenes med drejehjulene på panelet under hylden med skærmene. Den midterste skærm viser et typisk eksperiment med fluorescent mærkede levende celler.  (Ola Jakup Joensen).

d ≈ λ Sjovt nok er pincetten utroligt effektiv til at fange f.eks. polystyren- eller glaskugler med diametre omkring 1000 nm (= 1mikrometer) i vand, og dermed er bølgelængden faktisk lig størrelsen af objektet og ingen af de to ovenstående regimer er rimelige at antage.

I denne situation, som ofte opstår i praksis, laver man i stedet en kalibrering for at finde de kræfter, som pincetten udøver på objektet. Selvom et objekt er optisk fanget, udfører det stadig små termiske fluktuationer (som støvkorn i en lysstråle), og ved at studere disse termiske fluktuationer, kan man præcist kalibrere pincetten.

Dermed finder man, at pincetten udøver en 'fjederagtig' kraft på objektet: F_trap = - kx, hvor x angiver afvigelsen fra ligevægtspositionen, og k er en fjederkonstant, der bestemmes via kalibreringen. Det negative fortegn viser, at den optiske pincet altid prøver at få objektet tilbage til ligevægtspositionen.

En optisk pincet - den røde stråle - kan fange en lipidkugle, som bæres af en molekylær motor, kinesin. På den måde kan man undersøge hvordan kinesin virker. (Mette Høst).

Optisk manipulation i levende organismer:
En optisk pincet er det eneste nanoværktøj, som kan række ind i en levende organisme, f.eks. i en celle, og manipulere organeller uden at ødelægge cellevæggen. Dermed kan en optisk pincet undersøge fysiske egenskaber af enkelte biologiske molekyler inde i levende celler, og f.eks. finde ud af, med hvilken hastighed polymerasen transskriberer RNA ud fra DNA, og hvilke kræfter disse molekylære motorer er i stand til at udøve. Desuden kan en optisk pincet strække et enkelt molekyle, som f.eks. DNA. Optiske pincetter har vist sig fænomenale til at afdække DNA og RNA’s mekaniske egenskaber. Det har meget stor betydning for deres biologiske funktion.

Opvarmning af metalliske nanopartikler: Som beskrevet ovenfor vil en del af laserlyset absorberes af objektet. Metalliske nanopartikler absorberer voldsomt lys med bestemte bølgelængder, et fænomen, som kaldes plasmonisk resonans. Hvis man optisk fanger metalliske nanopartikler, kan man opvarme dem hundredvis af grader Celsius, afhængigt af laserens effekt og partiklernes størrelse og materiale. Denne plasmoniske effekt kan man bruge f.eks. til at ødelægge biologisk væv eller på længere sigt til at fjerne kræft-tumorer, som forfatteren fortæller om i filmen her øverst til højre.

Prøv selv en optisk pincet via dette link

Lene Oddershede, professor