Optische Pinzetten

Optische Pinzetten (ursprünglich genannt Einzelstrahlgradientenkraftfalle) sind wissenschaftliche Instrumente, die eine hochfokussierte Verwendung verwenden Laser- Strahlen zum Halten und Bewegen der mikroskopischen und submikroskopischen Objekte wie Atome, Nanopartikel und Tröpfchen auf ähnliche Weise wie Pinzette. Wenn das Objekt in der Luft gehalten wird oder Vakuum Ohne zusätzliche Unterstützung kann es genannt werden optische Levitation.

Das Laserlicht bietet eine attraktive oder abstoßende Kraft (normalerweise in der Reihenfolge von PicoNewtons), je nach Verwandter Brechungsindex zwischen Partikel und umgebendem Medium. Levitation ist möglich, wenn die Kraft des Lichts dem kontert Schwerkraft. Die eingeschlossenen Partikel sind normalerweise Mikron-Garient oder sogar kleiner. Dielektrikum und absorbierend Partikel können auch gefangen werden.

Optische Pinzetten werden in verwendet Biologie und Medizin (Zum Beispiel um eine Single zu greifen und zu halten Bakterium, a Zelle wie ein Samenzelle oder ein Blutzelle, oder ein Molekül wie DNA), Nanoengineering und Nanochemie (Um Materialien aus Single zu studieren und zu bauen Moleküle), Quantenoptik und Quantenoptomechanik (Um die Wechselwirkung einzelner Partikel mit Licht zu untersuchen). Die Entwicklung von optischen Pinzeln von Arthur Ashkin wurde 2018 gelobt Nobelpreis für Physik.

Geschichte und Entwicklung

Der Nachweis der optischen Streuung und der Gradientenkräfte auf Partikeln der Mikrongröße wurde 1970 von Arthur Ashkin, einem Wissenschaftler, der arbeitet, erstmals berichtet Bell Labs.[1] Jahre später berichteten Ashkin und Kollegen über die erste Beobachtung dessen, was heute allgemein als optischer Pinzette bezeichnet wird: ein fest fokussierter Lichtstrahl, der in drei Abmessungen mikroskopische Partikel stabil hält.[2] Im Jahr 2018 wurde Ashkin für diese Entwicklung mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Einer der Autoren dieses wegweisenden Papiers von 1986, Steven Chuwürde in seiner Arbeit an optische Pinzette verwenden Kühlung und fangen neutrale Atome.[3] Diese Forschung brachte Chu die ein 1997 Nobelpreis für Physik zusammen mit Claude Cohen-Tannoudji und William D. Phillips.[4] In einem Interview beschrieb Steven Chu, wie sich Ashkin zum ersten Mal als Methode zum Einfangen von Atomen vorgestellt hatte.[5] Ashkin war in der Lage, größere Partikel (10 bis 10.000 Nanometer im Durchmesser) zu fangen, aber es fiel auf Chu, um diese Techniken auf das Einfangen neutraler Atome (0,1 Nanometer im Durchmesser) mit Resonanzlaserlicht und einer Magnetgradientenfalle (vgl. Magneto-optische Falle).

In den späten 1980er Jahren, Arthur Ashkin und Joseph M. Dziedzic zeigte die erste Anwendung der Technologie auf die biologischen Wissenschaften, wobei sie eine Individuum einsetzt Tabakmosaikvirus und Escherichia coli Bakterium.[6] In den neunziger Jahren und danach mögen Forscher Carlos Bustamante, James Spudich, und Steven Block leistete die Verwendung der optischen Falle Pionierarbeit Kraftspektroskopie zur Charakterisierung von biologischen Motoren im molekularen Maßstab. Diese Molekulare Motoren sind in der Biologie allgegenwärtig und sind für Fortbewegung und mechanische Wirkung in der Zelle verantwortlich. Optische Fallen erlaubten diese Biophysiker die Kräfte und Dynamik von nanoskaligen Motoren in der Beobachtung des Einzelmolekül eben; Die optische Trap-Kraftspektroskopie hat seitdem zu einem besseren Verständnis der stochastischen Natur dieser Kraft-erzeugenden Moleküle geführt.

Optische Pinzetten haben sich auch in anderen Bereichen der Biologie als nützlich erwiesen. Sie werden in der synthetischen Biologie verwendet, um gewebeähnliche Netzwerke künstlicher Zellen zu konstruieren,[7] und synthetische Membranen zusammen zu verschmelzen[8] biochemische Reaktionen initiieren.[7] Sie sind auch in genetischen Studien weit verbreitet [9] und Forschung zur Chromosomenstruktur und -dynamik.[10] Im Jahr 2003 wurden die Techniken der optischen Pinzette im Bereich der Zellsortierung angewendet; Durch die Erzeugung eines großen optischen Intensitätsmusters über den Probenbereich können Zellen durch ihre intrinsischen optischen Eigenschaften sortiert werden.[11][12] Optische Pinzetten wurden auch verwendet, um die zu untersuchen Zytoskelett, messen Sie die viskoelastisch Eigentum von Biopolymere,[13] und studieren Zellmotilität. Ein biomolekularer Assay, bei dem Cluster aus ligandenbeschichteten Nanopartikeln sowohl optisch gefangen als auch optisch nachgewiesen werden, nachdem im Jahr 2011 eine Clusterbildung induziert wurde, nach dem induzierten Zielmolekül vorgeschlagen wurde[14] und experimentell im Jahr 2013 demonstriert.[15]

Einige andere Errungenschaften haben 2001 ebenfalls ein einziges Atom gefangen.[16] Einfangen von stark interagieren Verwickelte Paare im Jahr 2010,[17][18][19] Große Präzision in zweidimensionalen Atomenarrays im Jahr 2016[20][21] sowie dreidimensionale Ansammlungen im Jahr 2018[22][23] und mit der Technik in Quantensimulatoren um programmierbare Arrays von 196 und 256 Atomen im Jahr 2021 zu erhalten[24][25][26]

Das Kapitsa–Dirac effect Effektiv demonstriert im Jahr 2001 verwendet stehende Lichtwellen, um einen Partikelstrahl zu beeinflussen.

Die Forscher haben auch daran gearbeitet, optische Pinzetten aus großen, komplexen Instrumenten in kleinere, einfachere umzuwandeln, für die Verwendung von kleineren Forschungsbudgets.[3][27] Die größte Herausforderung besteht darin zueinander in Beziehung stehen Die Kraftmessungen und fluoreszierende/bildgebende Daten in Kombination mit der Fluidik, um die Objekte zu erfassen und die Bedingungen zu manipulieren.

Physik

Dielektrische Objekte werden in die Mitte des Strahls angezogen, leicht über der Strahltaille, wie im Text beschrieben. Die auf das Objekt angewendete Kraft hängt linear von der Verschiebung aus dem Trap -Zentrum ab, ebenso wie bei einem einfachen Federsystem. Es ist eine Wiederherstellungskraft und somit gleich .

Allgemeine Beschreibung

Optische Pinzetten sind in der Lage, Nanometer und Mikrometergröße zu manipulieren Dielektrikum Partikel durch Ausübung extrem kleiner Kräfte über eine hoch konzentrierte Laser- Strahl. Der Strahl wird normalerweise durch Senden durch a konzentriert Mikroskopziel. Der engste Punkt des fokussierten Strahls, bekannt als der als der bekannt Strahl Tailleenthält eine sehr starke elektrisches Feld Gradient. Dielektrische Partikel werden entlang des Gradienten in die Region des stärksten elektrischen Feldes angezogen, der die Mitte des Strahls ist. Das Laserlicht neigt auch dazu, eine Kraft auf Partikel im Strahl entlang der Strahlausbreitungsrichtung aufzutragen. Das ist wegen Impulserhaltung: Photonen, die vom winzigen dielektrischen Teilchen absorbiert oder verstreut werden, verleihen dem dielektrischen Teilchen Impuls. Dies ist als Streukraft bekannt und führt dazu, dass das Teilchen leicht stromabwärts von der genauen Position der Strahltaille verschoben wird, wie in der Abbildung zu sehen ist.

Optische Fallen sind sehr empfindliche Instrumente und können die Manipulation und den Nachweis von Sub-Nanometer-Verschiebungen für dielektrische Submikronpartikel untermikron sind.[28] Aus diesem Grund werden sie häufig verwendet, um einzelne Moleküle zu manipulieren und zu untersuchen, indem sie mit einer Perle interagieren, die an dieses Molekül gebunden ist. DNA und die Proteine[29] und Enzyme Das interagieren damit häufig auf diese Weise.

Bei quantitativen wissenschaftlichen Messungen werden die meisten optischen Fallen so betrieben, dass sich das dielektrische Teilchen selten weit vom Fallenzentrum entfernt. Der Grund dafür ist, dass die auf das Partikel angewendete Kraft in Bezug auf ihre Verschiebung aus der Mitte der Falle linear ist, solange die Verschiebung gering ist. Auf diese Weise kann eine optische Falle mit einer einfachen Feder verglichen werden, die folgt Hookes Gesetz.

Weitere Informationen zur Lichtstreukraft: Strahlungsdruck

Detaillierte Ansicht

Die ordnungsgemäße Erklärung des optischen Fallenverhaltens hängt von der Größe des eingeschlossenen Teilchens relativ zur Wellenlänge des Lichts ab, das zum Einfassen verwendet wird. In Fällen, in denen die Abmessungen des Partikels viel größer sind als die Wellenlänge, reicht eine einfache Strahlenoptikbehandlung aus. Wenn die Wellenlänge des Lichts die Partikelabmessungen weit überschreitet, können die Partikel als elektrische Dipole in einem elektrischen Feld behandelt werden. Zum optischen Einfangen von dielektrischen Objekten von Dimensionen in einer Größenordnung der Einfallenstrahlwellenlänge umfassen die einzigen genauen Modelle die Behandlung von Zeit- oder Zeitharmonik Maxwell -Gleichungen Verwenden geeigneter Randbedingungen.

Ray Optics

Erklärung der Ray Optics (unkonzentrierter Laser). Wenn die Perle aus dem Strahlzentrum (rechtes Bild) verschoben wird, führt die größere Impulsänderung der intensiveren Strahlen dazu, dass eine Nettokraft auf die Mitte des Lasers zurückgelegt wird. Wenn die Perle seitlich auf dem Strahl zentriert ist (linke Bild), ist die resultierende Seitenkraft Null. Aber ein unkonzentrierter Laser führt immer noch zu einer Kraft, die vom Laser entfernt wird.
Erklärung der Ray Optics (fokussierter Laser). Ein fokussierter Laser hält die Perle nicht nur die Perle in der Mitte des Lasers, sondern hält die Perle auch in einer festen axialen Position: Die Impulsänderung der fokussierten Strahlen führt zu einer Kraft in Richtung Laserfokus, beide, wenn sich die Perle befindet (links links Bild) oder hinter (rechtes Bild) Der Laserfokus. Die Perle bleibt also leicht hinter dem Fokus, wo diese Kraft die Streukraft kompensiert.

In Fällen, in denen der Durchmesser eines eingeschlossenen Partikels signifikant größer ist als die Wellenlänge des Lichts, kann das Fallenphänomen mithilfe von Strahlenoptik erklärt werden. Wie in der Abbildung gezeigt, werden einzelne Lichtstrahlen aus dem Laser sein gebrochen wie es eintritt und die dielektrische Perle verlässt. Infolgedessen steigt der Strahl in eine Richtung aus, von der er sich unterscheidet. Da hat Licht a Schwung Diese damit verbundene Richtungsänderung zeigt an, dass sich sein Impuls geändert hat. Wegen Newtons drittes GesetzEs sollte eine gleiche und entgegengesetzte Impulsänderung am Partikel geben.

Die meisten optischen Fallen arbeiten mit a Gaußscher Strahl (Tem00 Modus) Profilintensität. In diesem Fall, wenn das Partikel aus der Mitte des Strahls vertrieben wird, wie im rechten Teil der Abbildung, hat das Partikel eine Nettokraft, die sie in die Mitte der Falle zurückgibt Zentrum der Falle als weniger intensive Balken, die eine geringere Impulsänderung vom Fallenzentrum entfernen. Die Netto -Impulsänderung oder Kraft gibt das Partikel in das Trap -Zentrum zurück.

Wenn sich das Teilchen in der Mitte des Strahls befindet, brütet die individuellen Lichtstrahlen symmetrisch durch die Partikel, was zu einer lateralen Netto -Kraft führt. Die Nettokraft ist in diesem Fall entlang der axialen Richtung der Falle, die die Streukraft des Laserlichts abbricht. Die Stornierung dieser axialen Gradientenkraft mit der Streukraft führt dazu, dass die Perle stabil leicht stromabwärts der Strahltaille gefangen ist.

Die Standard -Pinzetten arbeiten mit dem Fanglaser, der sich in Schwerkraftrichtung ausbreitete[30] und die umgekehrten Pinzetten arbeiten gegen die Schwerkraft.

Elektrische Dipol -Näherung

In Fällen, in denen der Durchmesser eines eingeschlossenen Teilchens signifikant kleiner ist als die Wellenlänge des Lichts, die Bedingungen für Rayleigh Streuung sind zufrieden und das Teilchen kann als Punkt behandelt werden Dipol in einem inhomogenen elektromagnetisches Feld. Die auf eine einzelne Ladung in einem elektromagnetischen Feld angewendete Kraft ist als die bekannt Lorentz ForceAnwesend

Die Kraft am Dipol kann berechnet werden, indem in der obigen Gleichung zwei Begriffe für das elektrische Feld ersetzt werden. Das Polarisation eines Dipols ist wo ist der Abstand zwischen den beiden Gebühren. Für einen Punktdipol ist der Abstand infinitesimal, Angesichts der Tatsache, dass die beiden Gebühren entgegengesetzte Zeichen haben, nimmt die Kraft die Form an

Beachten Sie, dass die aufheben. Multiplizieren durch die Ladung, , konvertiert die Position, in Polarisation, Anwesend

Wo in der zweiten Gleichheit, wurde angenommen, dass das dielektrische Teilchen linear ist (d.h. ).

In den letzten Schritten werden zwei Gleichheiten verwendet: (1) Eine Gleichstellung der Vektoranalyse, (2) Faradays Induktionsgesetz.

Zunächst wird die Vektorgleichheit für den ersten Term in der obigen Kraftgleichung eingefügt. Maxwells Gleichung wird durch den zweiten Term in der Vektorgleichheit ersetzt. Dann können die beiden Begriffe, die Zeitderivate enthalten, zu einem einzigen Begriff kombiniert werden.[31]

Der zweite Term in der letzten Gleichheit ist die Zeitableitung einer Menge, die durch eine multiplikative Konstante zur Poynting -Vektor, was die Leistung pro Bereich beschreibt, die durch eine Oberfläche verläuft. Da die Leistung des Lasers bei der Probenahme über Frequenzen viel länger als die Frequenz des Laserlichts ~ 10 ist ~ 1014 Hz, die Ableitung dieses Begriffs durchschnittlich auf Null und die Kraft kann geschrieben werden[32]

Wo im zweiten Teil wir das induzierte Dipolmoment (in MKS -Einheiten) eines sphärischen dielektrischen Teilchens eingeschlossen haben: , wo ist der Partikelradius, ist der Index der Brechung des Teilchens und ist der relative Brechungsindex zwischen dem Partikel und dem Medium. Das Quadrat der Größe des elektrischen Feldes ist gleich der Intensität des Strahls als Funktion der Position. Daher zeigt das Ergebnis an, dass die Kraft auf dem dielektrischen Partikel, wenn er als Punktdipol behandelt wird, proportional zum Gradienten entlang der Intensität des Strahls ist. Mit anderen Worten, die hier beschriebene Gradientenkraft zieht das Teilchen in den Bereich der höchsten Intensität an. In Wirklichkeit wirkt die Streukraft des Lichts gegen die Gradientenkraft in axialer Richtung der Falle, was zu einer Gleichgewichtsposition führt, die leicht stromabwärts des Intensitätsmaximums verschoben wird. Unter der Rayleigh -Annäherung können wir auch die Streukraft schreiben als

Da die Streuung isotrop ist, wird der Nettoimpuls in die Vorwärtsrichtung übertragen. Auf der Quantenebene stellen wir uns die Gradientenkraft als Vorwärtsrayleigh -Streuung vor, bei der identische Photonen erzeugt und gleichzeitig vernichtet werden, während in der Streuung (Strahlung) die einfallenden Photonen in die gleiche Richtung und „Streuung“ isotrop erzwingen. Durch die Erhaltung des Impulses muss das Partikel die ursprüngliche Impulse der Photonen ansammeln, was zu einer Vorwärtskraft in letzterem führt.[33]

Harmonische potenzielle Näherung

Eine nützliche Möglichkeit, die Wechselwirkung eines Atoms in einem Gaußschen Strahl zu untersuchen, besteht darin, die harmonische potenzielle Näherung des Intensitätsprofils zu untersuchen, das das Atom erlebt. Im Falle des zweistufigen Atoms hängt das erlebte Potenzial mit seinem zusammen AC Stark ShiftAnwesend

wo ist die natürliche Linienbreite des angeregten Zustands, ist die elektrische Dipolkopplung, ist die Häufigkeit des Übergangs und ist der Verfall oder der Unterschied zwischen der Laserfrequenz und der Übergangsfrequenz.

Die Intensität eines Gaußschen Strahlprofils ist durch die Wellenlänge gekennzeichnet , minimale Taille und Kraft des Strahls . Die folgenden Formeln definieren das Strahlprofil:

Um dieses Gaußsche Potential sowohl in den radialen als auch in axialen Richtungen des Strahls zu nähern und zum und jeweils dem harmonischen Potential gleichgesetzt . Diese Erweiterungen werden unter der Annahme einer festen Leistung bewertet.

Dies bedeutet, dass bei der Lösung der harmonischen Frequenzen (oder der Fallenfrequenzen bei der Betrachtung optischer Fallen für Atome) die Frequenzen als:

Damit die relativen Fallefrequenzen für die radialen und axialen Richtungen als Funktion nur der Strahl -Taillenskala als:

Optische Levitation

Um das Partikel in Luft zu schweben, muss die Abwärtskraft der Schwerkraft durch die Kräfte entgegengewirkt werden, aus denen hervorgeht Photon Schwung Transfer. Normalerweise Photon Strahlungsdruck eines fokussierten Laserstrahls aus ausreichend Intensität kontert die Abwärtskraft der Schwerkraft und verhindern gleichzeitig laterale (Seite zu Seite) und vertikale Instabilitäten, um einen Stall zu ermöglichen Optische Falle in der Lage, kleine Partikel in Suspension zu halten.

Mikrometergröße (von mehreren bis 50 Mikrometern im Durchmesser) transparent Dielektrikum Kugeln wie Fusions Siliciumdioxid In dieser Art von Experiment werden Kugeln, Öl- oder Wassertröpfchen verwendet. Die Laserstrahlung kann in festgelegt werden Wellenlänge wie der eines Argon -Ion -Lasers oder des eines einstellbaren Farbstofflaser. Laser Energie Erforderlich ist in der Größenordnung von 1 Watt Fokussiert auf eine Punktgröße von mehreren Zehnmikrometern. Phänomene im Zusammenhang mit Morphologieabhängige Resonanzen in einem kugelförmigen optische Hohlraum wurden von mehreren Forschungsgruppen untersucht.

Für ein glänzendes Objekt wie eine metallische Mikrosphkugel wurde keine stabile optische Levitation erreicht. Die optische Levitation eines makroskopischen Objekts ist auch theoretisch möglich,[34] und kann durch Nanostrukturierung verbessert werden.[35]

Zu den erfolgreich schwarzen Materialien gehören schwarze Alkohol, Aluminiumoxid, Wolfram und Nickel.[36]

Setups

Ein generisches optisches Pinzettendiagramm mit nur den grundlegendsten Komponenten.

Das grundlegendste optisch -Pinzetten -Setup umfasst wahrscheinlich die folgenden Komponenten: ein Laser (normalerweise Nd: yag), ein Strahlexpander, einige Optiken, mit denen der Strahlort in der Probenebene lenkt, a Mikroskopziel und Kondensator So erstellen Sie die Falle in der Probenebene, einen Positionsdetektor (z. B. Quadrant Fotodiode) Strahlverschiebungen und eine Mikroskopbeleuchtungsquelle gekoppelt an a CCD -Kamera.

Ein Nd: yag laser (1064 nm Wellenlänge) ist eine häufige Wahl des Lasers für die Arbeit mit biologischen Proben. Dies liegt daran, dass solche Exemplare (größtenteils Wasser) niedrig haben Absorptionskoeffizient Bei dieser Wellenlänge.[37] Eine niedrige Absorption ist ratsam, um die Beschädigung des biologischen Materials zu minimieren, manchmal als Optikution bezeichnet. Die vielleicht wichtigste Überlegung beim optischen Pinzettendesign ist die Wahl des Ziels. Eine stabile Falle erfordert, dass die Gradientenkraft, die von der abhängig ist Numerische Apertur (NA) des Ziels ist größer als die Streukraft. Geeignete Ziele haben normalerweise eine NA zwischen 1,2 und 1,4.[38]

Während Alternativen verfügbar sind, besteht die möglicherweise einfachste Methode für die Positionsdetektion darin, den Fanglaser zu stellt, der die Probenkammer auf einer Quadranten -Fotodiode verlässt. Die lateralen Ablenkungen des Strahls werden ähnlich gemessen, wie er verwendet wird Atomkraftmikroskopie (AFM).

Erweiterung des Strahls aus dem Laser, um das zu füllen Öffnung des Ziels führt zu einem engeren, diffraktionsbegrenzten Ort.[39] Während die laterale Übersetzung der Falle zur Probe durch Übersetzung des Mikroskop -Objektträgers erreicht werden kann, verfügen die meisten Pinzetten -Setups über zusätzliche Optik, um den Strahl zu übersetzen, um einen zusätzlichen Grad an translationaler Freiheit zu ermöglichen. Dies kann erfolgen, indem die ersten der beiden als "Strahllenkung" bezeichneten Linsen in der Abbildung übersetzt werden. Beispielsweise führt die Übersetzung dieser Linse in der lateralen Ebene zu einem seitlich abgelenkten Strahl von dem, was in der Abbildung gezogen wird. Wenn der Abstand zwischen den Strahllensen und dem Ziel ordnungsgemäß ausgewählt wird, entspricht dies einer ähnlichen Ablenkung vor dem Eingeben des Ziels und einer resultierenden Seitenübersetzung in der Probenebene. Die Position der Strahltaille, dh im Fokus der optischen Falle, kann durch eine axiale Verschiebung der anfänglichen Linse eingestellt werden. Eine solche axiale Verschiebung führt dazu, dass der Strahl leicht wendet oder leicht zusammengeht, dessen Endergebnis eine axial verschobene Position der Strahltaille in der Probenkammer ist.[40]

Die Visualisierung der Probenebene wird normalerweise durch Beleuchtung über eine separate Lichtquelle in den optischen Pfad in die entgegengesetzte Richtung miteinander durchgeführt dichroische Spiegel. Dieses Licht ist auf einer CCD Videoverfolgung.

Alternative Laserstrahlmodi

Die Mehrheit der optischen Pinzetten nutzt von Konventionelles TEM00 Gaußsche Strahlen. Eine Reihe anderer Strahltypen wurden jedoch verwendet, um Partikel zu fangen, einschließlich Laserstrahlen hoher Ordnung, d.h. Hermite-Gaussian Strahlen (Temxy), Laguerre-Gaussian (LG) Strahlen (TemPl) und Bessel Strahlen.

Optische Pinzetten, die auf laguerre-gaussischen Balken basieren, haben die einzigartige Fähigkeit, Partikel zu fangen, die optisch reflektierend und absorbierend sind.[41][42][43] Laguerre-gaussische Strahlen besitzen auch eine gut definierte Strahlen Orbitalwinkelimpuls Das kann Partikel drehen.[44][45] Dies wird ohne externe mechanische oder elektrische Lenkung des Strahls erreicht.

Sowohl Bessel -Strahlen null als auch höhere Ordnung besitzen eine einzigartige Pinzette. Sie können mehrere Partikel fangen und drehen, die Millimeter voneinander entfernt sind, und sogar um Hindernisse.[46]

Mikromaschinen kann durch diese einzigartigen optischen Strahlen aufgrund ihres intrinsischen rotierenden Mechanismus aufgrund dessen angetrieben werden drehen und Orbitalwinkelimpuls des Lichts.[47]

Multiplexierte optische Pinzetten

Ein typisches Setup verwendet einen Laser, um ein oder zwei Fallen zu erstellen. In der Regel werden zwei Fallen erzeugt, indem der Laserstrahl in zwei orthogonal polarisierte Strahlen aufgeteilt wird. Optische Pinzettenoperationen mit mehr als zwei Fallen können entweder durch Time-Sharing eines einzelnen Laserstrahls unter mehreren optischen Pinzetten realisiert werden.[48] oder durch diffraktive Aufteilung des Strahls in mehrere Fallen. Mit akusto-optischen Ablenktoren oder Galvanometer-Verblutes Spiegel, ein einzelner Laserstrahl kann zwischen Hunderten von optischen Pinzetten in der Fokusebene geteilt werden oder sich in einer verlängerten eindimensionalen Falle ausbreiten. Speziell gestaltete diffraktive optische Elemente können einen einzelnen Eingangsstrahl in hunderten kontinuierlich beleuchteten Fallen in willkürlichen dreidimensionalen Konfigurationen unterteilen. Das fallenbildende Hologramm kann auch die Modusstruktur jeder Falle einzeln angeben, wodurch beispielsweise Arrays von optischen Wirbeln, optischen Pinzetten und holographischen Leitungsfallen erzeugt werden.[49] Bei der Implementierung mit a räumlicher LichtmodulatorSolche holographischen optischen Fallen können auch Objekte in drei Dimensionen bewegen.[50] Fortgeschrittene Formen holographischer optischer Fallen mit willkürlichen räumlichen Profilen, in denen die Intensität und die Phase kontrolliert werden, finden Sie Anwendungen in vielen Bereichen der Wissenschaft von Mikromanipulation bis Ultrakoldatome.[51] Ultrakoldatome könnten auch zur Realisierung von Quantencomputern verwendet werden.[52]

Optische Einzelmodus -Fasern

Die optische Standardfaserfalle stützt sich auf das gleiche Prinzip wie das optische Fangen, aber mit dem Gaußschen Laserstrahl durch einen geliefert Glasfaser. Wenn ein Ende der optischen Faser in a geformt wird Linse-ähnliche Facette, der nahezu Gaußsche Strahl, der von einem einzigen Modus -Standardfaser getragen wird, wird in einiger Entfernung von der Faserspitze fokussiert. Die wirksame numerische Blende einer solchen Baugruppe reicht normalerweise nicht aus, um eine volle 3D -optische Falle zu ermöglichen, jedoch nur für eine 2D -Falle (optisches Fangen und Manipulation von Objekten ist nur möglich, wenn sie z. B. in Kontakt mit einer Oberfläche sind).[53] Ein echtes 3D-optischer Fangen, das auf einer einzelnen Faser basiert und ein Fangspunkt, der nicht nahezu Kontakt mit der Faserspitze steht, wurde auf der Grundlage einer nicht standardmäßigen Ring-Core-Faseranordnung und einer Gesamt-Internetreflexionsgeometrie realisiert.[54]

Wenn dagegen die Enden der Faser nicht geformt sind, wird der Laser, der aus der Faser ausgeht, divergiert und somit kann eine stabile optische Falle nur durch Ausgleich des Gradienten und der Streukraft von zwei entgegengesetzten Enden der Faser realisiert werden. Die Gradientenkraft fängt die Partikel in Querrichtung ein, während die axial Die optische Kraft ergibt sich aus der Streukraft der beiden Zähler, die aus den beiden Fasern ausbreiten. In der Gleichgewichts-Z-Position einer solchen eingeschlossenen Perle sind die beiden Streukräfte gleich. Diese Arbeit wurde von A. Constable geführt et al., Opt. Lette. 18, 1867 (1993) und gefolgt von J.Guck et al., Phys. Rev. Lett. 84, 5451 (2000), der diese Technik zum Dehnen von Mikropartikeln verwendete. Durch die Manipulation der Eingangsleistung in die beiden Enden der Faser wird eine "optische Dehnung" erhöht, die zur Messung der viskoelastischen Eigenschaften von Zellen verwendet werden kann, wobei die Empfindlichkeit ausreicht, um zwischen verschiedenen individuellen Zytoskelett -Phänotypen zu unterscheiden. d.h. menschliche Erythrozyten und Mausfibroblasten. In einem kürzlich durchgeführten Test wurde bei der Differenzierung von Krebszellen von nicht krebsartigen Zellen von den beiden entgegengesetzten, nicht fokussierten Laserstrahlen differenziert.[55]

Multimode-faserbasierte Fallen

Der optische Zellrotator ist eine Faserbasis -Laserfalle, die lebende Zellen für die tomografische Mikroskopie halten und genau orientieren kann.

Während frühere Version von faserbasierten Laserfallen ausschließlich Einzelmodusstrahlen verwendete, zeigten M. Kreysing und Kollegen kürzlich, dass die sorgfältige Anregung weiterer optischer Modi in einem kurzen Stück optischer Faser die Realisierung nicht-trivialer Fallengeometrien ermöglicht. Damit konnten die Forscher verschiedene menschliche Zelltypen (einzelne Zellen und Cluster) auf einem Mikroskop orientieren. Der Hauptvorteil der sogenannten "optischen Zellrotatoren" -Technologie gegenüber Standard optischen Pinzetten ist die Entkopplung des Einfangens der Bildgebungsoptik. Dies, sein modulares Design und die hohe Kompatibilität divergierender Laserfallen mit biologischem Material zeigen das große Potenzial dieser neuen Generation von Laserfallen in der medizinischen Forschung und Lebenswissenschaft.[56] Vor kurzem wurde die optische Zellrotator -Technologie auf der Grundlage von implementiert Adaptive Optik, um die optische Falle während des Betriebs dynamisch neu zu konfigurieren und an die Probe anzupassen.[57]

Cell sorting

Eines der häufigsten Zellortsysteme nutzt die Durchflusszytometrie durch Fluoreszenzbildgebung. Bei dieser Methode wird eine Suspension biologischer Zellen in zwei oder mehr Behälter sortiert, basierend auf spezifischen fluoreszierenden Eigenschaften jeder Zelle während eines unterstützten Flusses. Durch die Verwendung einer elektrischen Ladung, in der die Zelle "eingeschlossen" ist, werden die Zellen dann basierend auf den Messungen der Fluoreszenzintensität sortiert. Der Sortierprozess wird von einem elektrostatischen Ablenksystem durchgeführt, das die Zellen aufgrund ihrer Ladung in Behälter umleitet.

Im optisch betätigten Sortierungsprozess werden die Zellen in eine optische Landschaft durchfließen, d. H. 2D- oder 3D -optische Gitter. Ohne eine induzierte elektrische Ladung würden die Zellen auf der Grundlage ihrer Eigenschaften des intrinsischen Brechungsindex sortiert und können für die dynamische Sortierung neu konfiguriert werden. Ein optisches Gitter kann unter Verwendung von diffraktischen Optiken und optischen Elementen erstellt werden.[11]

Andererseits K. Ladavac et al. verwendete einen räumlichen Lichtmodulator, um ein Intensitätsmuster zu projizieren, um den optischen Sortierprozess zu ermöglichen.[58] K. Xiao und D. G. Grier haben die holographische Videomikroskopie angewendet, um zu demonstrieren, dass diese Technik kolloidale Kugeln mit Teil pro tausend Auflösung für Größe und Brechungsindex sortieren kann.[59]

Der Hauptmechanismus für die Sortierung ist die Anordnung der optischen Gitterpunkte. Wenn der Zell durch das optische Gitter fließt, gibt es Kräfte aufgrund der Partikel Zugkraft Das konkurriert direkt mit der optischen Gradientenkraft (Siehe Physik der optischen Pinzetten) Aus dem optischen Gitterpunkt. Durch die Verschiebung der Anordnung des optischen Gitterpunkts gibt es einen bevorzugten optischen Weg, auf dem die optischen Kräfte dominant und voreingenommen sind. Mit Hilfe des Flusses der Zellen gibt es eine resultierende Kraft, die entlang dieses bevorzugten optischen Weges gerichtet ist. Daher besteht eine Beziehung der Durchflussrate mit der optischen Gradientenkraft. Durch die Anpassung der beiden Kräfte kann man eine gute optische Sortierungseffizienz erreichen.

Der Wettbewerb der Kräfte in der Sortierumgebung muss eine Feinabstimmung benötigen, um eine hocheffiziente optische Sortierung erfolgreich zu sein. Die Notwendigkeit ist hauptsächlich in Bezug auf das Gleichgewicht der Kräfte; Luftwiderstandskraft aufgrund des Flüssigkeitsflusss und der optischen Gradientenkraft aufgrund der Anordnung des Intensitätsflecks.

Wissenschaftler der University of St. Andrews haben von Großbritannien erhebliche Mittel erhalten Forschungsrat für Ingenieurwesen und physische Wissenschaften (EPSRC) für eine optische Sortiermaschine. Diese neue Technologie könnte mit der herkömmlichen fluoreszenzaktivierten Zellsortierung mithalten.[60]

Evanescent Fields

Ein Evanescent -Feld[61] ist ein Rückstand Optisches Feld diese "Lecks" während Gesamtin interne Reflexion. Dieser "Undicht" von Licht verblasst exponentiell. Das evaneszente Feld hat eine Reihe von Anwendungen in der Bildgebung der Nanometerauflösung (Mikroskopie) gefunden; Die optische Mikromanipulation (optische Pinzetten) werden in der Forschung immer relevanter.

In optischen Pinzetten kann ein kontinuierliches Evaneszenzfeld erzeugt werden, wenn sich Licht durch eine ausbreitet Optischer Wellenleiter (mehrere Gesamtin interne Reflexion). Das resultierende evaneszente Feld hat einen gerichteten Sinn und wird Mikropartikel entlang seines ausbreitenden Pfades vorantreiben. Diese Arbeit wurde erstmals 1992 von S. Kawata und T. Sugiura Pionierarbeit geleistet, die zeigten, dass das Feld in der Nähe von 100 Nanometern mit den Partikeln gekoppelt werden kann.[62]

Diese direkte Kopplung des Feldes wird als eine Art Photonentunnel über die Lücke von Prisma zu Mikropartikeln behandelt. Das Ergebnis ist eine richtungs optische Antriebskraft.

Eine kürzlich aktualisierte Version des evaneszenten Feld optischen Pinzetten nutzen erweiterte optische Landschaftsmuster, um eine große Anzahl von Partikeln gleichzeitig in eine bevorzugte Richtung zu führen, ohne einen zu verwenden Wellenleiter. Es wird als lichtloses optisches Fangen ("Lot") bezeichnet. Die geordnete Bewegung der Partikel wird durch die Einführung von unterstützt Ronchi -Urteil Dies schafft gut definierte optische potenzielle Brunnen (Ersetzen des Wellenleiters). Dies bedeutet, dass Partikel vom evaneszenten Feld angetrieben werden, während sie von den linearen hellen Rändern gefangen werden. Im Moment gibt es auch Wissenschaftler, die auf fokussierten Evaneszentenfeldern arbeiten.

Ein anderer Ansatz, der kürzlich vorgeschlagen wurde, verwendet Oberflächenplasmonen, was eine verstärkte Evaneszentenwelle ist, die an einer Metall/dielektrischen Grenzfläche lokalisiert ist. Das durch kolloidale Partikel erlebte verstärkte Kraftfeld, das Oberflächenplasmonen an einer flachen Metall/dielektrischen Grenzfläche ausgesetzt ist, wurde zum ersten Mal unter Verwendung eines photonischen Kraftmikroskops gemessen, wobei die Gesamtkraftgröße im Vergleich zu einer normalen Evaneszentenwelle 40 -mal stärker befindet.[63] Durch das Strukturieren der Oberfläche mit goldenen mikroskopischen Inseln ist es möglich, auf diesen Inseln selektive und parallele Fangen zu haben. Die Kräfte der letzteren optischen Pinzetten liegen im Femtonewton -Bereich.[64]

Das evaneszente Feld kann auch zum Fangen verwendet werden kalte Atome und Moleküle in der Nähe der Oberfläche eines optischen Wellenleiters oder optischen Nanofaser.[65][66]

Indirekter Ansatz

Ming Wu, a UC Berkeley Professor für Elektrotechnik und Computerwissenschaften erfand die neuen optoelektronischen Pinzetten.

Wu verwandelte die optische Energie von niedrig angetriebenen Lichtdioden (LED) über eine photoleitende Oberfläche in elektrische Energie. Die Idee ist, dass die LED über seine feine Projektion ein- und aus dem photoleitigen Material ein- und ausschaltet. Da das optische Muster durch optische Projektion leicht transformierbar werden kann, ermöglicht diese Methode eine hohe Flexibilität beim Umschalten verschiedener optischer Landschaften.

Der Manipulations-/Pinzelnsprozess erfolgt durch die Variationen zwischen dem durch das Lichtmuster betriebenen elektrischen Feld. Die Partikel werden aufgrund ihres induzierten elektrischen Dipols entweder vom betätigten Punkt angezogen oder abgewehrt. In einer Flüssigkeit suspendierte Partikel sind anfällig für den elektrischen Feldgradienten, dies ist als bekannt als Dielektrophorese.

Ein klarer Vorteil ist, dass die elektrische Leitfähigkeit zwischen verschiedenen Arten von Zellen unterschiedlich ist. Lebende Zellen haben ein niedrigeres leitendes Medium, während die Toten ein minimales oder kein leitendes Medium haben. Das System kann möglicherweise ungefähr 10.000 Zellen oder Partikel gleichzeitig manipulieren.

Siehe Kommentare von Professor Kishan Dholakia zu dieser neuen Technik, K. Dholakia, Naturmaterialien 4, 579–580 (01. August 2005) Nachrichten und Ansichten.

"Das System war in der Lage, lebende E. coli-Bakterien und 20-Mikrometer-Partikel zu bewegen, wobei eine optische Leistung von weniger als 10 Mikrowatts verwendet wird. Dies ist einhunderttausendstel der für [direkte] optischen Pinzetten benötigten Leistung".[67]

Optische Bindung

Wenn ein Cluster von Mikropartikeln in einem monochromatischen Laserstrahl eingeschlossen ist, hängt die Organisation der Mikropartikel innerhalb des optischen Einfangens stark von der Umverteilung der optischen Fangenkräfte zwischen den Mikropartikeln ab. Diese Umverteilung der Lichtkräfte im Cluster von Mikropartikeln liefert ein neues Kraftgleichgewicht auf dem gesamten Cluster. Als solches können wir sagen, dass der Cluster von Mikropartikeln durch Licht etwas miteinander verbunden ist. Einer der ersten experimentellen Beweise für die optische Bindung wurde von Michael M. Burns, Jean-Marc Fournier und Jene A. Golovchenko berichtet.[68] obwohl es ursprünglich von T. Thirunamachandran vorhergesagt wurde.[69] Eine der vielen neueren Studien zur optischen Bindung hat gezeigt, dass für ein System chiraler Nanopartikel die Größe der Bindungskräfte von der Polarisation des Laserstrahls und der Händigkeit von Wechselwirkungspartikeln selbst abhängt.[70] mit potenziellen Anwendungen in Bereichen wie enantiomerer Trennung und optischer Nanomanipulation.

Fluoreszenz optische Pinzetten

Um gleichzeitig zu manipulieren und Bildproben zu bilden, die zeigen Fluoreszenzoptische Pinzette können neben a gebaut werden Fluoreszenzmikroskop[71] oder als integrierte Lösung wie z. C-Trap®. Solche Instrumente sind besonders nützlich, wenn es darum geht, einzelne oder kleine Anzahl biologischer Moleküle zu untersuchen, die fluoreszenzmarkiert wurden, oder in Anwendungen, bei denen Fluoreszenz zum Verfolgen und Visualisieren von Objekten verwendet wird, die eingeschlossen werden sollen.

Dieser Ansatz wurde für die gleichzeitige Erfindung und Bildgebung von dynamischen Proteinkomplexen unter Verwendung langer und starker Tethers erweitert, die durch einen hocheffizienten mehrstufigen enzymatischen Ansatz erzeugt werden[72] und angewendet auf Untersuchungen von Disaggregationsmaschinen in Aktion.[73]

Pinzetten in Kombination mit anderen Bildgebungstechniken

Abgesehen von der "Standard" -Fluoreszenz optische Pinzetten werden jetzt mit mehreren Farbfächern konfokal, weitfield, sted, am Bund, TIRF oder IRM gebaut.

Dies ermöglicht Anwendungen wie Messung: Protein/DNA -Lokalisationsbindung, Proteinfaltung, motorische Proteinkrafterzeugung, Visualisierung von Zytoskelettfilamenten und motorische Dynamik, Mikrotubuli -Dynamik, Manipulation von Flüssigkeitstropfen (Rheologie) oder Fusion. Diese werden in nicht korrelierten "akademischen" Setups und vollständig integrierten Lösungen wie z. Lumicks 'C-Trap ®.

Siehe auch

Verweise

  1. ^ Ashkin, A. (1970). "Beschleunigung und Einfangen von Partikeln durch Strahlungsdruck". Phys. Rev. Lett. 24 (4): 156–159. Bibcode:1970phrvl..24..156a. doi:10.1103/PhysRevlett.24.156.
  2. ^ Ashkin A, Dziedzic JM, Bjorkholm JE, Chu S (1986). "Beobachtung einer Optikfalle für dielektrische Partikel mit Einzelstrahlgradientenkraft". Opt. Lette. 11 (5): 288–290. Bibcode:1986optl ... 11..288a. Citeseerx 10.1.1.205.4729. doi:10.1364/ol.11.000288. PMID 19730608.
  3. ^ a b Matthews J.N.A. (2009). "Kommerzielle optische Fallen entstehen aus den Biophysik -Labors". Physik heute. 62 (2): 26–28. Bibcode:2009Pht .... 62b..26m. doi:10.1063/1.3086092.
  4. ^ Hill, Murray (November 1987). "Er schrieb das Buch über Atom -Fangen". Abgerufen am 25. Juni 2005.
    Interview für den internen Newsletter bei Bell Labs. Enthält die Bestätigung von Ashkin als Erfinder des optischen Fangens und liefert Informationen zum Nobelpreis von 1997 für Physik.
  5. ^ "Gespräche mit der Geschichte: Ein Interview mit Steven Chu" (2004), Institute of International Studies, UC Berkeley. Zuletzt am 2. September 2006 aufgerufen.
  6. ^ Ashkin A, Dziedzic JM (1987). "Optisches Fangen und Manipulation von Viren und Bakterien". Wissenschaft. 235 (4795): 1517–1520. doi:10.1126/Science.3547653. PMID 3547653.
  7. ^ a b Bolognesi, Guido; Friddin, Mark S.; Salehi-Reyhani, Ali; Barlow, Nathan E.; Brooks, Nicholas J.; CES, Oscar; Elani, Yuval (2018-05-14). "Bildhauerung und Verschmelzen von biomimetischen Vesikelnetzwerken mit optischen Pinzetten". Naturkommunikation. 9 (1): 1882. Bibcode:2018natco ... 9.1882b. doi:10.1038/s41467-018-04282-w. ISSN 2041-1723. PMC 5951844. PMID 29760422.
  8. ^ Rørvig-Lund, Andreas; Bahadori, Azra; Semsey, Szabolcs; Bendix, Poul Martin; Odtershede, Lene B. (2015-05-29). "Vesikelfusion, die durch optisch erhitzte goldene Nanopartikel ausgelöst wird". Nanobriefe. 15 (6): 4183–4188. Bibcode:2015nanol..15.4183r. doi:10.1021/acs.nanolett.5b01366. ISSN 1530-6984. PMID 26010468. S2CID 206726159.
  9. ^ Blázquez-Castro A.; Fernández-Piqueras J.; Santos J. (2020). "Manipulation und Modifikation genetischer Material durch optisches Fangen und Nanosurgery-A-Perspektive". Grenzen in Bioengineering und Biotechnologie. 8: 580937_1–580937_25. doi:10.3389/fbioe.2020.580937. PMC 7530750. PMID 33072730. S2CID 221765039.
  10. ^ Berns M. W. (2020). "Laserschere und Pinzetten zur Untersuchung von Chromosomen: eine Überprüfung". Grenzen in Bioengineering und Biotechnologie. 8: 721_1–721_16. doi:10.3389/fbioe.2020.00721. PMC 7401452. PMID 32850689.
  11. ^ a b MacDonald MP, Spalding GC, Dholakia K (2003). "Mikrofluidische Sortierung in einem optischen Gitter". Natur. 426 (6965): 421–424. Bibcode:2003Natur.426..421m. doi:10.1038/nature02144. PMID 14647376. S2CID 4424652.
  12. ^ Koss BA, Grier DG, "Optische Peristaltik" Archiviert 2006-09-02 im Wayback -Maschine
  13. ^ Murugesapillai, D.; et al. (2016). "Einzelmolekülstudien zu architektonischen DNA-Biegeproteinen der Architektur-Architektur der Gruppe B". Biophys rev. 9 (1): 17–40. doi:10.1007/s12551-016-0236-4. PMC 5331113. PMID 28303166.
  14. ^ Witzens, J., Hochberg, M. (2011). "Optischer Nachweis des Zielmoleküls induzierte Aggregation von Nanopartikeln mittels hoher Q-Resonatoren". Optics Express. 19 (8): 7034–7061. Bibcode:2011oexpr..19.7034w. doi:10.1364/oe.19.007034. PMID 21503017.{{}}: Cs1 montiert: Mehrfachnamen: Autorenliste (Link)
  15. ^ Lin s.; K. B. Crozier (2013). "Fangen-unterstütztes Erfassen von Partikeln und Proteinen unter Verwendung optischer On-Chip-Mikrokavitäten". ACS Nano. 7 (2): 1725–1730. doi:10.1021/nn305826j. PMID 23311448.
  16. ^ Schlosser, Nicolas; Reymond, Georges; Protsenko, Igor; Grangier, Philippe (28. Juni 2001). "Subpoissonische Beladung einzelner Atome in einer mikroskopischen Dipolfalle". Natur. 411 (6841): 1024–1027. Bibcode:2001Natur.411.1024s. doi:10.1038/35082512. ISSN 1476-4687. PMID 11429597. S2CID 4386843.
  17. ^ Anonymous (2010-01-19). "Öffnen Sie das Tor zu Quantenberechnung". Physik. 3. Bibcode:2010phyoj ... 3s ... 9.. doi:10.1103/Physik.3.s9.
  18. ^ Wilk, T.; Gaëtan, a.; Evellin, C.; Wolters, J.; Miroshnychenko, Y.; Grangier, P.; Browaeys, A. (2010-01-08). "Verschränkung von zwei einzelnen neutralen Atomen mit Rydberg -Blockade". Physische Überprüfungsbriefe. 104 (1): 010502. Arxiv:0908.0454. Bibcode:2010phrvl.104A0502W. doi:10.1103/PhysRevlett.104.010502. ISSN 0031-9007. PMID 20366354. S2CID 16384272.
  19. ^ Isenhower, L.; Urban, e.; Zhang, X. L.; Gill, A. T.; Henage, T.; Johnson, T. A.; Walker, T. G.; Saffman, M. (2010-01-08). "Demonstration eines neutralen Atom kontrolliert und nicht Quantengate". Physische Überprüfungsbriefe. 104 (1): 010503. Arxiv:0907.5552. Bibcode:2010phrvl.104a0503i. doi:10.1103/PhysRevlett.104.010503. ISSN 0031-9007. PMID 20366355. S2CID 2091127.
  20. ^ "Atom Assembler macht fehlerfreie Arrays". Physikwelt.2016-11-07. Abgerufen 2021-12-04.
  21. ^ Barredo, Daniel; de Léséleuc, Sylvain; Lienhard, Vincent; Lahaye, Thierry; Browaeys, Antoine (2016-11-25). "Ein Atom-by-Atom-Assembler von defektfreien willkürlichen zweidimensionalen Atomarrays". Wissenschaft. 354 (6315): 1021–1023. Arxiv:1607.03042. Bibcode:2016sci ... 354.1021b. doi:10.1126/science.aah3778. ISSN 0036-8075. PMID 27811285. S2CID 25496096.
  22. ^ Andy Extace2018-09-06T09: 28: 00+01: 00. "Atomic Eiffelturm taucht über Quantencomputerlandschaft auf". Chemiewelt. Abgerufen 2021-12-04.
  23. ^ Barredo, Daniel; Lienhard, Vincent; de Léséleuc, Sylvain; Lahaye, Thierry; Browaeys, Antoine (5. September 2018). "Synthetische dreidimensionale Atomstrukturen montierten Atom durch Atom". Natur. 561 (7721): 79–82. Arxiv:1712.02727. Bibcode:2018natur.561 ... 79b. doi:10.1038/s41586-018-0450-2. ISSN 0028-0836. PMID 30185955. S2CID 52158666.
  24. ^ "Hoch programmierbarer Quantensimulator arbeitet mit bis zu 256 Qubits". Physikwelt. 2021-07-22. Abgerufen 2021-12-04.
  25. ^ Ebadi, Sepehr; Wang, Tout T.; Levine, Harry; Keesling, Alexander; Semeghini, Giulia; Omran, Ahmed; Bluvstein, Dolev; Samajdar, Rhein; Pichler, Hannes; Ho, wen Wei; Choi, Soonwon (2021-07-08). "Quantenphasen der Materie auf einem 256-Atom-programmierbaren Quantensimulator". Natur. 595 (7866): 227–232. Arxiv:2012.12281. Bibcode:2021natur.595..227e. doi:10.1038/s41586-021-03582-4. ISSN 0028-0836. PMID 34234334. S2CID 229363764.
  26. ^ Scholl, Pascal; Schuler, Michael; Williams, Hannah J.; Eberharter, Alexander A.; Barredo, Daniel; Schymik, Kai-Niklas; Lienhard, Vincent; Henry, Louis-Paul; Lang, Thomas C.; Lahaye, Thierry; Läuchli, Andreas M. (2021-07-08). "Quantensimulation von 2D -Antiferromagneten mit Hunderten von Rydberg -Atomen". Natur. 595 (7866): 233–238. Arxiv:2012.12268. Bibcode:2021natur.595..233s. doi:10.1038/s41586-021-03585-1. ISSN 0028-0836. PMID 34234335. S2CID 229363462.
  27. ^ Applegate, Jr. R. W.; Vestad, Tor; et al. (2004). "Optisches Fangen, Manipulation und Sortieren von Zellen und Kolloiden in mikrofluidischen Systemen mit Diodenlaserbalken". Optics Express. 12 (19): 4390–8. Bibcode:2004oexpr..12.4390a. doi:10.1364/opex.12.004390. PMID 19483988. S2CID 8424168.
  28. ^ Moffitt JR, Chemla Yr, Izhaky D, Bustamante C (2006). "Differential Nachweis von Dual -Fallen verbessert die räumliche Auflösung optischer Pinzetten". Proc. Natl. Acad. Sci. VEREINIGTE STAATEN VON AMERIKA. 103 (24): 9006–9011. Bibcode:2006pnas..103.9006m. doi:10.1073/pnas.0603342103. PMC 1482556. PMID 16751267.
  29. ^ Jagannathan, b; Marqusee, S (2013). "Proteinfaltung und Entfaltung unter Kraft". Biopolymere. 99 (11): 860–869. doi:10.1002/bip.22321. PMC 4065244. PMID 23784721.
  30. ^ Lynn Paterson "Neuartige Mikromanipulationstechniken in optischen Pinzetten", (2003)
  31. ^ Gordon JP (1973). "Strahlungskräfte und Impulse in dielektrischen Medien". Physische Bewertung a. 8 (1): 14–21. Bibcode:1973phrva ... 8 ... 14g. doi:10.1103/PhysReva.8.14.
  32. ^ Harada Y, Asakura T (1996). "Strahlungskräfte auf einer dielektrischen Kugel im Rayleigh -Streuregime". Optikkommunikation. 124 (5–6): 529–541. Bibcode:1996optco.124..529h. doi:10.1016/0030-4018 (95) 00753-9.
  33. ^ Bradshaw DS, Andrews DL (2017). "Partikel mit Licht manipulieren: Strahlungs- und Gradientenkräfte". Europäisches Journal of Physics. 38 (3): 034008. Bibcode:2017ejph ... 38c4008b. doi:10.1088/1361-6404/AA6050.
  34. ^ Guccione, G.; M. Hosseini; S. adlong; M. T. Johnsson; J. Hope; B. C. Buchler; P. K. Lam (Juli 2013). "Streufreie optische Levitation eines Hohlraumspiegels". Physische Überprüfungsbriefe. 111 (18): 183001. Arxiv:1307.1175. Bibcode:2013phrvl.111r3001g. doi:10.1103/PhysRevlett.111.183001. PMID 24237512. S2CID 36954822.
  35. ^ Ilic, Ognjen; Atwater, Harry, A. (April 2019). "Selbststabilisierende photonische Levitation und Antrieb von nanostrukturierten makroskopischen Objekten" (PDF). Naturphotonik. 13 (4): 289–295. Bibcode:2019napho..13..289i. doi:10.1038/s41566-019-0373-y. ISSN 1749-4893. S2CID 127470391.
  36. ^ Smalley, D. E.; Nygaard, E.; Squire, K.; Van Waggoner, J.; Rasmussen, J.; Gniting, S.; Qaderi, K.; Goodsell, J.; Rogers, W.; Lindsey, M.; Costner, K. (Januar 2018). "Eine volumetrische Anzeige der photophoretischen Falle". Natur. 553 (7689): 486–490. Bibcode:2018natur.553..486s. doi:10.1038/nature25176. ISSN 0028-0836. PMID 29368704.
  37. ^ D. J. Stevenson; T. K. Lake; B. Achat; V. Gárcés-chávez; K. Dholakia; F. Gunn-Moore (2006-10-16). "Optisch geführtes neuronales Wachstum bei nahezu Infrarotwellenlängen". Optics Express. 14 (21): 9786–93. Bibcode:2006oexpr..14.9786s. doi:10.1364/oe.14.009786. PMC 2869025. PMID 19529370.
  38. ^ Neuman KC, Block SM (2004). "Optisches Fangen". Überprüfung der wissenschaftlichen Instrumente. 75 (9): 2787–809. Bibcode:2004rsci ... 75,2787n. doi:10.1063/1.1785844. PMC 1523313. PMID 16878180.
  39. ^ Svoboda k, Block SM (1994). "Biologische Anwendung optischer Kräfte". Jährliche Überprüfung der Biophysik und Biomolekularstruktur. 23: 247–285. doi:10.1146/annurev.bb.23.060194.001335. PMID 7919782. S2CID 8197447.
  40. ^ Shaevitz JW, "Ein praktischer Leitfaden zum optischen Fangen" (22. August 2006). Zuletzt am 12. September 2006 aufgerufen.
  41. ^ Swartzlander, G. A.; Gahagan, K. T. (1996-06-01). "Optisches Wirbelfangen von Partikeln". Optikbriefe. 21 (11): 827–829. Bibcode:1996optl ... 21..827g. doi:10.1364/ol.21.000827. ISSN 1539-4794. PMID 19876172. S2CID 8647456.
  42. ^ Er, H.; Friese, M. E. J.; Hionenberg, N. R.; Rubinsztein-Dunlop, H. (1995-07-31). "Direkte Beobachtung der Übertragung des Winkelimpulses, um Partikel aus einem Laserstrahl mit einer Phasen Singularität zu absorbieren." (PDF). Physische Überprüfungsbriefe. 75 (5): 826–829. Bibcode:1995phrvl..75..826H. doi:10.1103/PhysRevlett.75.826. PMID 10060128.
  43. ^ Friese, M. E. J.; Hionenberg, N. R.; Rubinsztein-Dunlop, H. (1998). "Optische Ausrichtung und Spinnen von mikroskopischen Laserpartikeln" (PDF). Natur. 394 (6691): 348–350. Arxiv:Physik/0308113. Bibcode:1998Natur.394..348f. doi:10.1038/28566. S2CID 4404320.
  44. ^ Curtis JE, Grier DG, "Struktur der optischen Wirbel" Archiviert 2006-09-02 im Wayback -Maschine (2003). Zuletzt aufgerufen am 3. September 2006.
  45. ^ Padgett M, "Optische Spanner". Zuletzt aufgerufen am 3. September 2006.
  46. ^ McGloin D., Garces-Chavez V., Paterson L., Carruthers T., Melvil H., Dholakia K. "Bessel Strahlen". Zuletzt aufgerufen am 3. September 2006.
  47. ^ Ladavac K, Grier DG (2004). "Mikrooptomechanische Pumpe montiert und angetrieben von holographischen optischen Wirbelarrays". Optics Express. 12 (6): 1144–9. Arxiv:cond-mat/0402634. Bibcode:2004oexpr..12.1144l. doi:10.1364/opex.12.001144. PMID 19474932. S2CID 18255607.
  48. ^ Noom, Maarten C; Van Den Broek, Bram; Van Mameren, Joost; Wuite, GIJS J L (11. November 2007). "Visualisierung einzelner DNA-gebundener Proteine ​​mit DNA als Scan-Sonde". Naturmethoden. 4 (12): 1031–1036. doi:10.1038/nmeth1126. PMID 17994031. S2CID 7007569.
  49. ^ A. D. Chandra & A. Banerjee (2020). "Schnelle Phasenkalibrierung eines räumlichen Lichtmodulators unter Verwendung neuartiger Phasenmasken und Optimierung seiner Effizienz unter Verwendung eines iterativen Algorithmus". Zeitschrift für moderne Optik. Journal of Modern Optics, Band 67, Ausgabe 7, 18. Mai 2020. 67 (7): 628–637. Arxiv:1811.03297. Bibcode:2020JMOP ... 67..628c. doi:10.1080/09500340.2020.1760954. S2CID 219646821.
  50. ^ Rodrigo, José A.; Alieva, Tatiana (2015-09-20). "Freestyle 3D-Laserfallen: Werkzeuge zur Untersuchung der dynchronisierten Partikeldynamik und darüber hinaus". Optica. 2 (9): 812. Bibcode:2015optic ... 2..812r. doi:10.1364/optica.2.000812. ISSN 2334-2536.
  51. ^ Bowman, D.; Harte, T. L.; Chardonnet, V.; Groot, C. DE; Denny, S. J.; Goc, G. Le; Anderson, M.; Irland, P.; Cassettari, D. (1169). "Phase mit hoher Fidelität und Amplitudensteuerung von Computer-erzeugten Hologrammen mit der konjugierten Gradientenminimierung". Optics Express. 25 (10): 11692–11700. Arxiv:1701.08620. Bibcode:2017oexpr..2511692b. doi:10.1364/oe.25.011692. ISSN 1094-4087. PMID 28788742. S2CID 46763848.
  52. ^ Nemirovsky, Jonathan; Sagi, Yoav (2021), "Schnelles universelles Zwei-Qubit-Tor für neutrale fermionische Atome in optischen Pinzetten", Forschung zur physischen Überprüfung, 3 (1): 013113, Arxiv:2008.09819, Bibcode:2021phrvr ... 3a3113n, doi:10.1103/PhysRevResearch.3.013113
  53. ^ Hu Z, Wang J, Liang J (2004). "Manipulation und Anordnung von biologischen und dielektrischen Partikeln durch eine Linsen -Fasersonde". Optics Express. 12 (17): 4123–8. Bibcode:2004oexpr..12.4123h. doi:10.1364/opex.12.004123. PMID 19483954. S2CID 31640506.
  54. ^ Liberale C, Minzioni P, Bragheri F, De Angelis F, Di Fabrizio E, Cristiani I (2007). "Miniaturisierte All-Fiber-Sonde für dreidimensionale optische Fangen und Manipulation". Naturphotonik. 1 (12): 723–727. Bibcode:2007napho ... 1..723l. doi:10.1038/nphoton.2007.230.
  55. ^ Jungen Guck; Stefan Schinking; Bryan Lincoln; Falk Wottawah; Susanne Ebert; Maren Romeyke; Dominik Lenz; Harold M. Erickson; Revathi Ananthakrishnan; Daniel Mitchell; Josef Käs; Sydney Ulvick; Curt Bilby (2005). "Optische Deformierbarkeit als inhärenter Zellmarker zum Testen der malignen Transformation und metastatischer Kompetenz". Biophys. J. 88 (5): 3689–3698. Bibcode:2005bpj .... 88.3689g. doi:10.1529/biophysj.104.045476. PMC 1305515. PMID 15722433. Archiviert von das Original Am 9. November 2007.
  56. ^ Moritz Kreysing; Tobias Kindling; Anatol Fritsch; Christian Dietrich; Jungen Guck; Josef Käs (2008). "Der optische Zellrotator". Opt. Äußern. 16 (21): 16984–92. Bibcode:2008oexpr..1616984K. doi:10.1364/oe.16.016984. PMID 18852807. S2CID 23912816.
  57. ^ Kreysing, M.; Ott, D.; Schmidberger, M. J.; Otto, O.; Schürmann, M.; Martín-Badosa, E.; Whyte, G.; Guck, J. (2014). "Dynamischer Betrieb optischer Fasern jenseits des Einzelmodusregimes erleichtert die Ausrichtung biologischer Zellen". Naturkommunikation. 5: 5481. Bibcode:2014natco ... 5.5481k. doi:10.1038/ncomms6481. PMC 4263128. PMID 25410595.
  58. ^ Ladavac, K.; Kasza, K.; Grier, D. (2004). "Sortieren mesoskopischer Objekte mit periodischen potenziellen Landschaften: optische Fraktionierung". Physische Bewertung e. 70 (1): 010901. Bibcode:2004phrve..70a0901l. doi:10.1103/Physreve.70.010901. PMID 15324034. S2CID 14608670.
  59. ^ Xiao, ke; Grier, David G. (2010). "Mehrdimensionale optische Fraktionierung von kolloidalen Partikeln mit holografischer Überprüfung". Physische Überprüfungsbriefe. 104 (2): 028302. Arxiv:0912.4754. Bibcode:2010phrvl.104b8302x. doi:10.1103/PhysRevlett.104.028302. PMID 20366628. S2CID 21476119.
  60. ^ "Optische Fraktionierung und Sortierung.", IRC Scotland. Zuletzt aufgerufen am 3. September 2006.
  61. ^ "Evanescent -Feldpolarisation und Intensitätsprofile". Archiviert von das Original am 2006-07-21. Abgerufen 2005-11-15.
  62. ^ Kawata, S; Sugiura, T (1992). "Bewegung von Partikeln in Mikrometergröße im evaneszenten Feld eines Laserstrahls". Optikbriefe. 17 (11): 772–4. Bibcode:1992optl ... 17..772k. Citeseerx 10.1.1.462.4424. doi:10.1364/ol.17.000772. PMID 19794626.
  63. ^ Volpe G, Quidant R, Badenes G, Petrov D (2006). "Oberflächenplasmonstrahlungskräfte". Phys. Rev. Lett. 96 (23): 238101. Bibcode:2006phrvl..96W8101V. doi:10.1103/PhysRevlett.96.238101. HDL:11693/53564. PMID 16803408. S2CID 26221345.
  64. ^ Rigini M, Volpe G, Girard C, Petrov D, Quidant R (2008). "Oberflächenplasmon optische Pinzette: Abstimmbare optische Manipulation im Femtonewton -Bereich". Phys. Rev. Lett. 100 (18): 186804. Bibcode:2008phrvl.100R6804R. doi:10.1103/PhysRevlett.100.186804. PMID 18518404. S2CID 38405168.
  65. ^ "Kalt-Atom-Physik mit optischen Nanofasern". Angewandte Quantenphysik. Technologie der Wiener Universität. Abgerufen 10. September, 2012.
  66. ^ "Quantennetzwerk mit atomaren Ensembles". Caltech Quantenoptik. Kalifornisches Institut der Technologie. Abgerufen 10. September, 2012.
  67. ^ Erfindung: Soldaten, die Gerüchen befolgen[Dead Link], Neuer Wissenschaftler, 8. November 2005
  68. ^ Burns M.M.; Golovchenko J-M.; Golovchenko J.A. (1989). "Optische Bindung". Phys. Rev. Lett. 63 (12): 1233–1236. Bibcode:1989phrvl..63.1233b. doi:10.1103/PhysRevlett.63.1233. PMID 10040510.
  69. ^ Thirunamachandran, T. (1980-06-10). "Intermolekulare Wechselwirkungen in Gegenwart eines intensiven Strahlungsfeldes". Molekulare Physik. 40 (2): 393–399. Bibcode:1980molph..40..393t. doi:10.1080/00268978000101561. ISSN 0026-8976.
  70. ^ Forbes, Kayn A.; Andrews, David L. (2015-05-14). "Chirale Diskriminierung in der optischen Bindung" (PDF). Physische Bewertung a. 91 (5): 053824. Bibcode:2015phrva..91e3824f. doi:10.1103/PhysReva.91.053824.
  71. ^ Whitley, Kevin D.; Comstock, Matthew J.; Chemla, Yann R. (2017). Hochauflösende "Flüchtlingsflocken": optische Pinzetten mit Dual-Trap-Pinzetten in Kombination mit einer Einmolekül Fluoreszenzdetektion. Methoden in der molekularen Biologie. Vol. 1486. ​​S. 183–256. doi:10.1007/978-1-4939-6421-5_8. ISBN 978-1-4939-6419-2. PMC 5541766. PMID 27844430.
  72. ^ Avellaneda MJ, Koers EJ, Minden DP, Sunderlikova V, Tans SJ (2020). "Gleichzeitige Erfindung und Bildgebung einzelner biomolekularer Komplexe, die durch modulare DNA -Protein -Kopplung ermöglicht werden können". Kommunikationschemie. 3: 1–7. doi:10.1038/s42004-020-0267-4.
  73. ^ Avellaneda MJ, Franke KB, Sunderlikova V, Bukau B., Mogk A, Tans SJ (2020). "Prozessive Extrusion von Polypeptidschleifen durch eine HSP100 -Disaggregase". Natur. 578 (7794): 317–320. Bibcode:2020Natur.578..317a. doi:10.1038/s41586-020-1964-y. PMID 31996849. S2CID 210949475.

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