Оптические ловушки имеют большой потенциал для применения в микробиологии благодаря своей способности удерживать крошечные биочастицы, не вызывая их повреждения. Красноярские исследователи в сотрудничестве с учеными из Самары предложили метод, позволяющий формировать набор оптических ловушек на основе оптических вихрей с заданными положениями и значениями топологического заряда. Это позволит расширить традиционные методы оптического манипулирования микрообъектами. Результаты исследования опубликованы в журнале Laser Physics Letters.

За последние десятилетия был достигнут значительный прогресс в обнаружении отдельных молекул и манипулировании микроскопическими объектами. Во многом это стало возможным благодаря изобретению оптических пинцетов (оптических ловушек) — устройств, позволяющих манипулировать образцами с помощью света, т. е. перемещать микроскопические объекты с помощью светового давления без изменения их внутренней структуры. За изобретение оптического пинцета и его применение в биологических системах была вручена Нобелевская премия в 2018 году. За годы активного развития оптический пинцет привел к фундаментальным открытиям в физических и химических науках. Например, оптический пинцет позволил измерить силы, действующие на отдельные атомы, а также провести химические реакции между отдельными атомами. Оптические ловушки определили стремительный прогресс в биологических науках ввиду неинвазивности и малой травматичности метода. С помощью оптических ловушек были захвачены одиночные клетки и вирусы, изучены молекулярные механизмы движения моторных белков, разработаны комбинированные устройства, объединяющие лазерный скальпель и оптический пинцет, для различных задач цитологии, генетики и эмбриологии.

Развитие многих направлений фотоники трудно представить без структурированных световых полей, представляющих собой свет со сложной пространственно-временной структурой и другими характеристиками. Ярким примером структурированных световых полей являются вихревые лазерные пучки, широко используемые, в том числе, в оптических пинцетах. Захваченный с помощью вихревого лазерного пучка ансамбль микроскопических объектов совершает орбитальное движение с определенной угловой скоростью и направлением вращения. Растущая потребность в оптических манипуляциях в медико-биологической практике требует расширения существующего арсенала методов и их функциональных возможностей для максимально полного контроля над микрообъектами.

Учеными ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» в сотрудничестве с коллегами из Самарского филиала ФИАН предложен и экспериментально продемонстрирован метод, позволяющий одновременно создавать массив оптических ловушек, при этом параметрами каждой отдельной ловушки можно управлять независимо от остального массива.

«Данная ловушка может быть использована для оптического захвата, удержания и манипулирования микрообъектами, в том числе живыми биологическими клетками. Вихревые лазерные пучки, лежащие в основе оптической ловушки, обладают орбитальным угловым моментом, который характеризует момент силы, действующий на микрочастицу, попавшую в световое поле лазерного пучка. Таким образом, микрочастицы приобретают способность к орбитальному движению с определенной угловой скоростью и направлением вращения. При этом, предложенный метод позволяет формировать массив оптических ловушек, положениями и значениями орбитальных моментов, которых можно независимо управлять», — рассказал один из авторов работы, научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН Денис Иконников.

Исследователи отметили, что полученные знания представляют интерес для потенциальных приложений в области микробиологии.

«Структурированные световые поля находят все большее распространение в таких областях как оптическая микроскопия высокого разрешения и оптические манипуляции. Одним из примеров структурированных световых полей являются вихревые лазерные пучки. Нашей группой совместно с коллегами из Самары предложен и экспериментально продемонстрирован метод, позволяющий получать наборы конфигурируемых вихревых пучков для использования их в устройстве оптического пинцета. Полученные результаты могут послужить основой для дальнейшего развития и совершенствования методов исследования в области микробиологии и фундаментальных процессов в микромире», — рассказал руководитель группы, старший научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН Андрей Вьюнышев.

Исследования выполнены при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 19-12-00203).