Диссертация (Фотонно-силовая микроскопия магнитных частиц, клеток крови и волноводных мод фотонных кристаллов)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТна правах рукописиУДК 535.214+534.138Любин Евгений ВалерьевичФОТОННО-СИЛОВАЯ МИКРОСКОПИЯ МАГНИТНЫХЧАСТИЦ, КЛЕТОК КРОВИ И ВОЛНОВОДНЫХ МОДФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ01.04.21 - лазерная физикаДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:доктор физико-математических наукА.А. ФедянинМосква – 20142ОглавлениеОглавлениеВведение5Глава IОбзор литературы: применение метода оптического пинцетадля исследования физических явлений131. Метод оптического пинцета . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132. Калибровка установки оптического пинцета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .193. Применения и научные задачи, решаемые методом оптического пинцета . .223.1. Микрореологические исследования методом оптического пинцета. .223.2. Метод анализа корреляционных функций броуновских смещенийчастиц в оптических ловушках . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223.2.1. Автокорреляционная функция броуновских смещений одиночной оптически захваченной частицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .233.2.2. Авто- и кросс-корреляционные функции броуновских смещений двух частиц, захваченных в две независимые оптическиеловушки . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .243.2.3. Рассмотрение броуновских смещений двух оптически захваченных частиц из центров ловушек в виде коллективной и относительной моды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .283.3. Измерение угловой скорости вращения оптически захваченной частицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .303.4. Изучение взаимодействия магнитных микрочастииц . . . . .

. . . . . . . . .303.4.1. Одиночная захваченная оптическим пинцетом микрочастицаво вращающемся внешнем магнитном поле . . . . . . . . . . . . . . . . . .323.4.2. Измерения методом оптического пинцета зависимости магнитного момента микрочастиц от внешнего магнитного поля . .333.5. Изучение свойств эритроцитов методом оптического пинцета. . . . . .383.5.1.

Эритроциты: функции и строение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .393.5.2. Измерения эластичности и деформируемости эритроцитов . .403Оглавление3.5.3. Спектроскопия комбинационного рассеяния эритроцитов . . . .443.5.4. Агрегация эритроцитов. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .444. Применение оптического пинцета для измерения пондеромоторных сил,действующих на микрочастицы со стороны ближнепольной компонентыэлектромагнитного поля вблизи границы раздела сред . . . . .

. . . . . . . . . . . . .504.1. Общие свойства поверхностных электромагнитных волн . . . . . . . . . .514.2. Поверхностные плазмон-поляритоны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .524.3. Поверхностные электромагнитные волны и волноводные моды в одномерных фотонных кристаллах . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .555. Задачи диссертационной работы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58Глава IIИзучение силового взаимодействия магнитных микрочастиц методом оптического пинцета601. Получение аналитического вида корреляционных функций броуновского движения взаимодействующих магнитных микрочастиц в оптическомпинцете . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .602. Экспериментальное изучение броуновского движения оптически захваченных магнитных микрочастиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .642.1. Экспериментальная установка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .642.2. Экспериментальные результаты и их анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .683. Численное моделирование броуновского движения двух магнитных частицв оптических ловушках . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .764. Применение метода активной микрореологии для изучения магнитноговзаимодействия микрочастиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78Глава IIIПрименение оптического пинцета для определения силовыххарактеристик эритроцитов в аутологичной плазме крови831. Отработка методики активной реологии в оптическом пинцете: измерение передаточных амплитудно-частотных и фазочастотных характеристиксмещений захваченных частиц . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .834Оглавление2. Диагностика упруго-вязких свойств одиночных эритроцитов. . . . . . . . . . . . .892.1. Подготовка исследуемого образца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . .892.2. Захват эритроцита в оптическую ловушку . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .892.3. Калибровка силы оптического захвата эритроцита . . . . . . . . . . . . . . .902.4. Определения коэффициента эффективной жесткости эритроцита . .932.5. Применение метода активной реологии в оптическом пинцете дляизмерения вязко-упругих характеристик эритроцита. . . . . .

. . . . . . . .953. Определение силы для дезагрегации эритроцитов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1003.1. Подготовка исследуемого образца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1003.2. Искусственная агрегация и дезагрегация эритроцитов в оптическомпинцете . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1013.3. Результаты измерения силы дезагрегации эритроцитов . . . . . . . . . . . 102Глава IVФотонно-силовая микроскопия электромагнитного поля волноводных мод одномерных фотонных кристаллов1041. Исследуемый образец фотонного кристалла .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1042. Экспериментальная установка для одновременного проведения угловойспектроскопии коэффициента отражения и фотонно-силовой микроскопиивблизи границы раздела сред . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . 1133. Экспериментальные результаты по фотонной микроскопии первой волноводной моды в одномерном фотонном кристалле. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123Заключение129Список литературы1325ВведениеВведениеМетоды исследования вязких и упругих характеристик микрообъектов, а такжесил взаимодействия между микрообъектами имеют важное практическое и фундаментальное значение для медицины, коллоидной химии, клеточной биологии и т. д.Один из таких методов основан на возможности жесткой фокусировки лазерного излучения. Пространственно неоднородное оптическое поле вблизи перетяжки сильно сфокусированного лазерного луча формирует эффективную пространственнуюпотенциальную яму.

Захват микрообъектов в такую потенциальную яму, а такжеуправление захваченными микрообъектами, называется методом оптического пинцета [1, 2]. Возможность управления положением микрообъектов позволяет применятьэтот метод для широкого круга задач, в том числе для искусственного упорядочения исортировки микрочастиц, предоставляет уникальную возможность изучения свойстводиночных микрообъектов без влияния их взаимодействия с подложкой или зондом.Эту возможность используют, например, для исследования люминесцентных [3] инелинейно-оптических [4] свойств одиночных микрочастиц, а также изучения поведения магнитных частиц в переменном магнитном поле [5].

Наибольшее распространение оптический пинцет получил в микробиологических приложениях, так как позволяет фиксировать и перемещать живые клетки в близкой к естественной для нихсреде. В частности, метод широко используется для изучения свойств эритроцитов.Оптический пинцет позволяет проводить количественное измерение сил взаимодействия фемтоньютонного масштаба между единичными микрообъектами, например,для изучения сил взаимодействия между биологическими клетками [6], определенияупругих свойств клеточных мембран [7] и отдельных макромолекул [8], измерениямагнитного момента микрочастиц [9, 10] и т.д. Применение метода оптического пинцета для измерения силовых взаимодействий получило название фотонно-силовоймикроскопии [11, 12].Вторая глава диссертационной работы посвящена развитию метода оптического пинцета для измерения свойств магнитных микрочастиц.

Суспензии магнитныхмикрочастиц имеют ряд практических приложений, например, они используются вмагнитной гипертермии для уничтожения раковых опухолей [13]. Единичные магнитные частицы применяются в качестве локальных зондов свойств среды [14, 15], аВведение6также в качестве инструмента, позволяющего осуществлять манипуляции с отдельными биологическими клетками и макромолекулами, например, для измерения модулякручения ДНК [16]. В данной диссертационной работе приводятся результаты по измерению силы, действующей между магнитными частицами, исследуется статистикаих теплового движения в ловушках, и предлагается метод по измерению магнитныхмоментов микрочастиц на основе анализа движения пары взаимодействующих микрочастиц, локализованных в двух оптических ловушках.Третья глава работы посвящена применению лазерной методики оптического пинцета для изучения силового взаимодействия эритроцитов при их агрегации. Способность красных кровяных телец к агрегации является одним из важнейших компонентов в микроциркуляции крови, а значит и функционирования организма в целом.До сих пор исследование агрегации эритроцитов актуально из-за неоднозначностив трактовке ее причин и механизмов, а также из-за значимости этого процесса вразвитии различных заболеваний, связанных с гемореологическими нарушениями.Возрастание степени агрегации и затруднение процесса дезагрегации клеток приводит к тому, что кровоток в венулах затрудняется, что ведет к ухудшению процессаснабжения тканей кислородом и является одной из причин развития ишемии и тромбоза, приводит к нарушению микроциркуляции крови.

Поэтому изучение явленияагрегации представляет не только фундаментальный, но и прикладной интерес длямедицины. Помимо изучения сил агрегации эритроцитов в работе предложено совмещение фотонно-силовой микроскопии с анализом движения оптически захваченногоодиночного эритроцита, как объекта с ярко выраженными вязко-упругими свойствами. Такой подход позволяет выделить колебания краев эритроцита, вызванные осциляциями положения оптической ловушки, много меньшие характерной амплитудыих броуновского движения в ловушке.