Математична модель наносенсора на основі оптичного пінцета
Бічна панель сторінки статті
Основний зміст сторінки статті
Анотація
Стаття присвячена оптичному пінцету – пристрою, який дозволяє безконтактно маніпулювати частинками мікронних та субмікронних розмірів. Ця властивість оптичного пінцета вже понад тридцять років використовується в мікробіології і дає змогу сортирувати клітини та досліджувати взаємодію протеїнів між собою та з ДНК. У статті розглянуто сили, які виникають в перетяжці сфокусованого лазерного пучка і які дають змогу створити оптичну пастку для частинки.
З боку лазерного пучка діють розсіювальна сила (тиск світла) та градієнтна сила електричного поля світлової хвилі. З боку середовища на частинку також діють сила тяжіння та сила Архімеда. Рух частинки в рідині або повітрі викликає появу сили опору середовища – сили Стокса. У разі відсутності градієнтної сили сила Стокса стабілізує швидкість частинки через деякий час після початку дії на неї тиску світла або зовнішнього електричного поля. У роботі показано, що в фокальній області сфокусованого лазерного пучка градієнтна сила значно переважає розсіювальну силу і вони зрівнюються тільки у точці рівноваги частинки, розташованій поблизу фокуса.
У статті проаналізовано умови захоплення діелектричної наночастинки пасткою оптичного пінцета та вплив на положення частинки локальних електричних полів. Частинка, захоплена пасткою, знаходиться на осі лазерного пучка, на невеликій відстані від перетяжки.
Якщо локальне електричне поле прикладається вздовж осі лазерного пучка, то частинка переходить в нове положення рівноваги. За величиною осьового зміщення частинки можна оцінити напруженість поля. Локальне електричне поле виникає, наприклад, у разі міжмолекулярної взаємодії і появи ван дер Ваальсової сили.
У роботі запропоновано використовувати оптичний пінцет з наночастинкою, захопленою перетяжкою лазерного пучка, в якості наносенсора локального електричного поля. Розраховано чутливість такого наносенсора у разі дії на частинку ван дер Ваальсової сили. Запропоновано використовувати наносенсор разом з 2-координатним п’єзоприводом для зчитування нанорельєфу поверхні.
Оскільки точність запропонованого наносенсора визначається величиною похибки у вимірюванні лінійного зміщення частинки під дією локального електричного поля, то важливу роль відіграє броунівський рух частинки під дією поштовхів з боку молекул середовища. Показано, що у воді за відсутності будь-яких зовнішніх впливів частинка радіусом 10 нм за 10 мс може опинитися на відстані 1 мкм від початкового положення. Щоб запобігти такому блуканню частинки, потрібно створити для неї потенціальну яму, глибина якої більша за кінетичну енергію частинки. Знайдено умову, за якої така ситуація можлива.
Блок інформації про статтю
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
Посилання
M. H. Shabestari et al. “Recent advances in biological single-molecule applications of optical tweezers and fluorescence microscopy,” Methods in Enzymology, vol. 582, pp. 85–119, 2017, DOI: https://doi.org/10.1016/bs.mie.2016.09.047.
D. Choundhary, A. Mossa, M. Jadhav, C. Cecconi. “Bio-molecular applications of recent developments in optical tweezers,” Biomolecules, vol. 9, article no. 23, pp. 1–19, Jan. 2019, DOI: https://doi.org/10.3390/biom9010023.
X. Zhao et al. “Optical fiber tweezers: a versatile tool for optical trapping and manipulation,” Micromachines, vol. 11, article no. 114, pp. 1–27, Jan. 2020, DOI: https://doi.org/10.3390/mi11020114.
Z. Gong, Y. Pan, G. Videen, C. Wang. ”Optical trapping and manipulation of single particles in air: principles, technical details, and applications,” J. of Quantative Spectroscopy and Radiative Transfer, vol. 214, pp. 94–119, July 2018, DOI: https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2018.04.027.
A. M. Bui et al. “Theory and practice of simulation of optical tweezers,” J. of Quantative Spectroscopy and Radiative Transfer, vol. 195, pp. 66–75, July 2017, DOI: https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2016.12.026.
A. Ashkin. “Acceleration and trapping of particles by radiation pressure,” Phys. Rev. Lett., vol. 24, no. 4, pp. 156–159, Jan.1970. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.24.156
M. Born and E. Wolf. Principles of optics. 7th. ed. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1999. DOI: https://doi.org/10.1017/CBO9781139644181
W. H. Wright, G. J. Sonek, Y. Tadir, and M. W. Berns “Laser trapping in cell biology,” IEEE J. of Quantum Electronics, vol. 26, no. 12, pp. 2148–2157, Dec. 1990. DOI: https://doi.org/10.1109/3.64351.
A. Ashkin. “Forces of a single-beam gradient laser trap on a dielectric sphere in the ray optics regime,” Biophys. J., vol. 61, no. 2, pp. 569–582, Feb. 1992. DOI: https://doi.org/10.1016/S0006-3495(92)81860-X
Y. Harada Y. and T. Asakura. “Radiation forces on a dielectric sphere in the Rayleigh scattering regime,” Opt. Commun., vol. 124, no. 5–6, pp. 529–541, Jan. 1996. DOI: https://doi.org/10.1016/0030-4018(95)00753-9
A. Rohrbach and E. Stelzer. “Optical trapping of dielectric particles in arbitrary fields,” JOSA A, vol. 18, no. 4, pp. 839–853, Apr. 2001, DOI: https://doi.org/10.1364/JOSAA.18.000839.
K. Sasaki, Z.Y. Shi, R. Kopelman, and H. Masuhara. “Three-dimensional pH microprobing with an optically-manipulated fluorescent particle,” Chem. Lett., vol. 25, no. 2, pp. 141–142, 1996, DOI: https://doi.org/10.1246/cl.1996.141.
V. Passaro et al. “Photonic structures based on slot waveguides for nanosensors: state of the art and future developments,” Intern. J. of Res. & Rev. in Appl. Sci., vol. 11, no. 3, pp. 411–427, June 2012. URL: https://www.arpapress.com/Volumes/Vol11Issue3/IJRRAS_11_3_07.pdf
N. Mauranyapin et al. “Evanescent single-molecule biosensing with quantum-limited precision,” Nature Photonics, vol. 11, no. 8, pp. 477–481, June 2017, DOI: https://doi.org/10.1038/nphoton.2017.99.
I. Choi and Y. Choi. “Plasmonic nanosensors: review and prospect,” IEEE J. of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 18, no. 3, pp. 1110–1121, May 2012, DOI: https://doi.org/10.1109/JSTQE.2011.2163386.
R. Ahijado-Guzman et al. “Plasmonic nanosensors for the determination of drug effectiveness on membrane receptors,” Appl. Mater. Interfaces, vol. 9, no. 1, pp. 218–233, Jan. 2017, DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.6b14013.
J. Kneipp, H. Kneipp, B. Witting, and K. Kneipp, “Novel optical nanosensors for probing and imaging live cells,” Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine, vol. 6, no. 2, pp. 214–226, Apr. 2010, DOI: https://doi.org/10.1016/j.nano.2009.07.009.
G. Barbillon, “Fabrication and SERS performances of Metal/Si and Metal/ZnO nanosensors: a review,” Coatings, vol. 9, no. 2, pp. 86–99, Jan. 2019, DOI: https://doi.org/10.3390/coatings9020086.
J. Martinazzo et al. “Cantilever nanobiosensor using tyrosinase to detect atrazine in liquid medium,” J. of Environmental Science and Health, Part B, vol. 53, no. 4, pp. 1–8, Jan. 2018, DOI: https://doi.org/10.1080/03601234.2017.1421833.
A. K. Gupta et al. “Anomalous resonance in a nanomechanical biosensor,” PNAS, vol. 103, no. 36, pp. 13362–13367, Sep. 2006, DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.0602022103.
A. Diaspro, Ed. Nanoscopy and Multidimensional Optical Fluorescence Microscopy. – Boca Raton, London, New York: CRC Press, 2010. DOI: https://doi.org/10.1201/9781420078893
Springer Handbook of Nanotechnology, B. Bhusnan ed., Berlin, Heidelberg, New York: Springer, 2007. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-02525-9
