Metody Biofizyki Molekularnej/Szczypce optyczne

Optyczne szczypce, to urządzenie, które pozwala na pułapkowanie i przemieszczanie różnych mikroskopowej wielkości przedmiotów za pomocą silnie skupionej wiązki światła.

Strumień światła może być używany jako szczypce do manewrowania małymi cząsteczkami w roztworze. W przeciwieństwie do metod biochemicznych, gdzie wiele cząsteczek obecnych w roztworze jest badanych w ciągu jednego eksperymentu, za pomocą optycznych szczypiec jest możliwa obserwacja pojedynczej cząsteczki.

Stosowane są siły rzędu pN, obiekty mogą być przesuwane na odległości nm, a rozmiary obiektów mieszczą się w zakresie od 10 nm do ponad 100 mm.

Arthur Ashkin, emerytowany naukowiec pracujący dla laboratorium Bella, jest uważany za ojca pułapek optycznych. Badaniami nad pułapkowaniem cząsteczek w strumieniu lasera zajmował się od lat 60-tych XX w, konstruując w 1986 roku pierwsze szczypce optyczne. Jest pionierem w badaniach atomów, cząsteczek i komórek za pomocą szczypiec optycznych.

Pionierskie prace Ashkina umożliwiły Stevenowi Chu rozwój prac badawczych nas chłodzeniem i pułapkowaniem atomów, za co w 1997 roku otrzymał nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki wraz z Claudem Cohen-Tannoudjim and Williamem Phillipsem. Ashkin pułapkowal duże cząsteczki natomiast Chu rozwinął technikę pułapkowania neutralnych atomów.

Działanie szczypiec optycznych

Promień lasera jest skupiany przez obiektyw mikroskopu w postaci plamki w płaszczyźnie próbki. Plamka staje się pułapką optyczną zdolną do utrzymania cząsteczki w swoim centrum. Oddziaływania odczuwane przez cząsteczkę są spowodowane siłą wynikającą z natężenia pola elektrycznego wytworzonego przez promień laserowy.

[math]\vec F = \frac 12 \vec \alpha \times \nabla \vec E^2[/math]

gdzie: [math]\alpha[/math] — polaryzowalność, [math]E[/math] — natężenie pola laseroweg.o

Inne siły „pchające” cząstkę do środka wiązki to siły wynikające z obdarzenia światła pędem [math]p=\nicefrac h\lambda[/math]. Oddziaływanie można zauważyć dla obiektów o masach mniejszych niż [math]\unit{}{\mu g}[/math].

Szczypce optyczne są konstruowane poprzez modyfikację mikroskopu optycznego. W badaniach próbek biologicznych stosuje się laser podczerwony (neodymowy) o długości fali 1064 nm (obszar, w którym próbki są przezroczyste). Szczypce optyczne mogą być zarówno prostym narzędziem do manipulowania obiektami o mikrometrowej wielkości jak i zaawansowanym urządzeniem pod kontrolą komputera, umożliwiającym pomiar przemieszczeń i sił z dużą dokładnością.

Zastosowania

• Rozciąganie cząsteczek, pomiary elastyczności (np.DNA), rozfałdowywanie białek.
• Przemieszczanie obiektów: ukierunkowane, wybiórcze badanie zachowania molekuł biologicznych w wybranych układach, badanie oddziaływań z otoczeniem (enzymy).