Диссертация (Фотонно-силовая микроскопия магнитных частиц, клеток крови и волноводных мод фотонных кристаллов), страница 7

Угол поворота частицы при помощимагнитного поля контролировался с точностью до 10 мрад. В работе предложеноприменить данную методику для изучения деформационных свойств биологическихмакромолекул, в частности для измерения модулей кручения.3.4.2 Измерения методом оптического пинцета зависимости магнитного моментамикрочастиц от внешнего магнитного поляДругой пример магнитооптического пинцета предложен в работе [10].

Рассмотренныйвариант установки магнитооптического пинцета был собран на базе инвертированного микроскопа, числовая апертура объектива была равна 0,5. Длина волны лазера,осуществляющего оптический захват, была равна λ = 533 нм, мощность составляла50 мВт. Суспензия изучаемых парамагнитных микрочастиц диаметром 1,4 мкм помещалась в однородное магнитное поле электромагнитной катушки, напряженностьполя составляла 15 кА/м, поле было направлено вдоль оси лазерного пучка.

Размероптической ловушки достигал 30 мкм, в работе осуществлялся одновременный оптический захват до 10 частиц. Так как оптическая ловушка не позволяла осуществитьстабильный захват по оси Oz, направленной вдоль лазерного луча, частицы прижимались к верхнему стеклу образца. На рисунке 6 приведены микрофотографии двух(A) и трех захваченных частиц (C) в отсутствие магнитного поля и в поле напряженностью 12480 А/м (B,D),направленного вдоль оси Oz. В присутствии магнитногополя частицы отталкивались друг от друга.Самой простой моделью взаимодействия двух магнитных частиц является модельвзаимодействия двух диполей с магнитным дипольным моментом M. Для разныхтипов частиц величина M имеет разную зависимость от величины напряженностивнешнего магнитного поля, это определяются как материалом из которого сделанычастицы, так и размером частиц (в случае ферромагнетиков размер определяет доменную структуру).Обзор литературы: применение метода оптического пинцета...34Рис.

5: Магнитооптический пинцет [53].Рис. 6: Две(А) и три (С) оптически захваченные парамагнитные микрочастицы, (B,D) — теже частицы в магнитном поле 12480 А/м [10].Обзор литературы: применение метода оптического пинцета...35Поле, создаваемое магнитным диполем в немагнитной среде, можно записать [54]:Hdip =3(Mr)r M− 3,r5r(39)где r — вектор, проведенный из центра частицы в произвольную точку пространства,r = |r|. Формула для силы, действующей на магнитный диполь во внешнем магнитномполе H, имеет вид:F = ∇(MH).(40)Теперь рассмотрим взаимодействие двух магнитных частиц. Учтем, что частицы находятся в поле, являющемся суперпозицией внешнего магнитного поля H и поляHdip (R), создаваемого соседней частицей, R — радиус-вектор, проведенный от одной частицы к другой. Если внешнее поле H однородное, то в формуле (40) действиеоператора дифференцирования на напряженность внешнего поля дает ноль, такжеравно нулю слагаемое, в котором оператор дифференцирования действует на величину магнитного момента, так как он постоянный и не зависит от расстояния.

Тогдавыражение для силы, с которой первый диполь действует на второй имеет вид:F = (M∇)Hdip.(41)Эту формулу можно применить для двух частиц, разнесенных на расстояние Rдруг от друга, с параллельно направленными магнитными дипольными моментамипри произвольной ориентации магнитных моментов относительно радиус-вектора R,соединяющего точки положения диполей. Тогда сила, действующая со стороны первого диполя на второй имеет вид:F=3M 2 R 6M(MR) 15(MR)2 R+−.R5R5R7(42)Введем декартову систему координат, в которой ось Ox направлена вдоль вектораR. Рассмотрим две простейшие ориентации поля: параллельную — когда вектор поля параллелен линии, соединяющей положения ловушек, то есть вдоль оси Ox (см.рисунок 7a), и перпендикулярную — когда вектор поля направлен вдоль оси Oy, перпендикулярной вектору, соединяющему точки положения ловушек (см.

рисунок 7б).Обзор литературы: применение метода оптического пинцета...36В случае параллельной ориентации поля величина силы, действующей на вторуючастицу со стороны первой:6M 2,R4(43)3M 2F⊥ =,R4(44)Fk = −а в случае перпендикулярной ориентации:Видно, что эти проекции силы имеют разные знаки. Это значит, что направлениесилы — притяжение или отталкивание, зависит от угла между дипольными моментами частиц и радиус-вектором R. К такому же выражению для силы отталкиванияпришел автор работы [10]. В этой работе два параллельно направленных магнитныхдиполя отталкиваются вследствие диполь-дипольного взаимодействия.

При равенстве сил магнитного взаимодействия и притяжения оптической ловушки магнитныечастицы достигают равновесия. Измерив расстояния между частицами при этом равновесии, с помощью формулы (44) вычислялась зависимость магнитного момента отвеличины приложенного поля (см. рисунок 8).Результаты сравнивались с данными, полученными с помощью вибрационногомагнитометра — прибора, с помощью которого измерялся магнитный момент определенного количества раствора магнитных микрочастиц, и по данным о концентрациираствора вычислялся магнитный момент отдельных частиц. Результаты хорошо согласовались при низких величинах магнитного поля, но при больших величинах полямагнитный момент, полученный методом оптического пинцета, оказывался большеполученного с помощью магнитометра. Авторы выдвигают предположение, что магнитный момент, полученный с помощью магнитометра, является заниженным, таккак не учитывается разброс в направлениях магнитного момента частиц в растворе.С другой стороны, недостатком данной работы является то, что частицы захватывались вблизи поверхности покровного стекла образца, что могло существенно повлиятьна результаты измерений.Обзор литературы: применение метода оптического пинцета...37Рис.

7: Расположение магнитных моментов и сил взаимодействия для (а) — параллельнойориентации поля, (б) — перпендикулярной ориентации поляРис. 8: Зависимость магнитного момента частицы от приложенного поля. Квадратные точки — измерения с помощью оптического пинцета, черные круглые точки — измерения настандартном магнитометре, усредненные по большому числу частиц [10].Обзор литературы: применение метода оптического пинцета...383.5. Изучение свойств эритроцитов методом оптического пинцетаВ большинстве работ, посвященных применению метода оптического пинцета, предметом исследования являются биологические объекты.

Такое широкое распространение в биофизических приложениях метод оптического пинцета получил благодарявозможности неразрушающего оптического захвата исследуемых образцов. При помощи оптического пинцета изучаются механические свойства молекул ДНК [55], молекулярных моторов [56], проводят спектроскопию комбинационного рассеяния светаодиночных живых клеток [57].Многие живые клетки и другие биологические объекты практически не поглощают в инфракрасном диапазоне длин волн, поэтому для создания ловушек используютлазеры с излучением на длинах волн в так называемом окне прозрачности биотканей650–1200 нм. С другой стороны, обычно в оптической ловушке интенсивности излучения, сфокусированного в пятно размером около 1 мкм, имеют порядок МВт/см2 ,поэтому важно оценить нагрев захваченных объектов для корректной интерпретации биофизических экспериментов.

Существуют работы, специально направленныена изучение эффекта нагрева и негативного воздействия лазерного излучения набиологические объекты. В работе [55] эффект нагревания в оптической ловушке былизмерен для липосом, имеющих размер 1 мкм. В сфокусированном в пятно 0,8 мкмлазерном пучке с длинной волны 1064 нм и интенсивностью излучения ∼ 107 Вт/см2липосома, захваченная в оптическую ловушку, нагревалась на ∼ 1, 45 ± 0, 15 К/0,1Вт.Таким образом, для интенсивностей лазерного излучения, используемых в оптических ловушках, на инфракрасных длинах волн эффект нагревания биологическихобъектов мал и не носит разрушающего характера.Самым изучаемым объектом в экспериментах с применением оптического пинцетаявляется кровь.

Кровь — это составная жидкость, представляющая собой концентрированную взвесь частиц — форменных элементов крови — в плазме. Плазма кровисостоит из воды на 91,5%, солей и мелких органических молекул на 1,5%, высокомолекулярных белков (фибриноген, альбумин, имуноглобулины) на 7%. Форменнымиэлементами крови являются эритроциты, лейкоциты и тромбоциты. Количественныесоотношения составных частей крови следующие: на 1 лейкоцит приходится 25 тромбоцитов и 500 эритроцитов [58]. Реологические свойства крови определяются главнымОбзор литературы: применение метода оптического пинцета...39образом объемными свойствами эритроцитов, характером их поверхностного межклеточного взаимодействия, а также процессами гидродинамического взаимодействияэритроцитов с плазмой.Для изучения эритроцитов обычно используют инфракрасное лазерное излучение, чаще всего непрерывный лазер на алюмоиттриевом гранате, легированном неодимом АИГ-Nd [59–63], встречаются работы, в которых используют лазер на фторидеиттрия-лития с легированием неодимом [64], диодные лазеры с длинами волн в диапазоне 0,8–1 мкм [65], то есть в области спектра, где раствор гемоглобина практически ничего не поглощает.