Скорость управления процессом увеличится в 100 раз

Оптический пинцет в настоящее время — один из ключевых инструментов биомедицинских исследований. Его совершенствование открывает новые возможности управления микрообъектами.

В 1970 году Артур Ашкин впервые описал технологию удержания и перемещения микрочастиц с помощью лазера: электрическое поле лазерного пучка, действующее на частицу, способно затягивать ее к центру пучка, обеспечивая оптический захват. Этот подход лег в основу особого инструмента манипуляции различными микро- и наноразмерными объектами, названного оптическим пинцетом. Технология оптического пинцета получила широкое распространение, а ее автор в 2018 году был отмечен Нобелевской премией по физике. Эта технология впервые позволила осуществлять микроперемещения живых клеток, отслеживать динамику жизни микробов. Сейчас оптический пинцет применяется как для исследования биологических процессов, в том числе и на внутриклеточном уровне, так и для измерений физических свойств биополимеров и других перспективных сред и субстратов.

Ключевые элементы этого инструмента — система формирования лазерных ловушек и система сканирования, необходимая для управления их пространственным положением. Первая обеспечивает функциональность пинцета, вторая — его быстродействие.

Наибольшее распространение получили зеркальные и зеркально-линзовые средства сканирования. Это надежные механические микросистемы, они обеспечивают перемещение микрообъектов из одной точки в другую по выбранной траектории. Как все механические системы, они отличаются инерционностью, высокими требованиями к юстировке схемы, использованием сложных и дорогих приводных механизмов. Последнее затрудняет создание нескольких оптических ловушек одновременно, в то время как развитие методов манипулирования требует все больших возможностей — таких, например, как управление группой объектов или одновременное перемещение нескольких объектов по независимым траекториям.

Поэтому следующим поколением средств сканирования стали пространственные модуляторы света (SLM), позволяющие сформировать световое поле нужной структуры в нужном месте. Эти системы управления — программно управляемые, более точные, практически безынерционные. Они позволяют решать указанные сложные задачи — например, формировать массивы ловушек и осуществлять перемещения микрообъектов по разным траекториям. Однако эти возможности требуют больших вычислительных ресурсов. Тем не менее электрооптический способ управления все шире применяется на практике.

Отдельной проблемой остается продольное управление положением ловушки и частицы. Тогда как поперечное движение осуществляется смещением лазерного пучка по пространству, перемещение вдоль пучка требует иных принципов. В частности, эффективными оказываются методы управления фокусным расстоянием линзы за счет электрического поля, меняющего кривизну поверхности.

Альтернатива сложным и дорогим системам сканирования — акустооптические функциональные элементы, обеспечивающие управление световыми потоками с помощью акустических волн в твердых и жидких средах. В основе этих методов лежит изменение оптических свойств среды под действием деформаций, создаваемых упругими волнами. Компактные акустооптические ячейки давно с успехом применяются, например, для управления направлением и интенсивностью лазерных пучков в виде дефлекторов и модуляторов. Особенностью акустооптических устройств являются их высокое быстродействие и широчайшие возможности управления в реальном времени.

Скорость переключения таких устройств определяется временем пробега упругих волн через акустооптическую ячейку и составляет микросекунды, в 100 раз быстрее электрооптических устройств. Но наиболее важное свойство таких устройств — способность к скачкообразному переключению (изменению свойств). Например, акустооптический дефлектор способен переключать лазерный луч в разные положения за одно и то же минимальное время — неважно, как далеко они отстоят друг от друга. Иными словами, акустооптический метод позволяет одномоментно переключать ловушку с одной частицы на другую.

Новая концепция, которая развивается в Научно-технологическом центре уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН), заключается в том, чтобы все управление лазерным пучком оптического пинцета осуществлялось акустооптическими методами. Действительно, во-первых, пространственная адресация лазерного пучка легко контролируется акустооптическими дефлекторами, эффективно используемыми в задачах раскройки металлических деталей или при печати денежных знаков. Во-вторых, управление продольным положением ловушки может быть осуществлено акустической линзой, которая представляет собой заполненную жидкостью акустооптическую ячейку цилиндрической формы, в которой радиальное распределение показателя преломления формируется акустической стоячей волной. Такие элементы успешно применяются, например, в оптической томографии. В-третьих, оптические ловушки должны иметь разный профиль для работы с объектами разного физического типа: остро сфокусированный луч, «накалывающий» как иглой частицу, подлежащую перемещению, либо луч, имитирующий «полую иглу», охватывающий кольцом удерживаемый микрообъект. Оказалось, что разную форму ловушки можно получать из одного лазерного луча путем акустооптической дифракции при разной мощности упругой волны. Таким образом, все требуемые функции управления могут быть реализованы на основе единой акустооптической технологии.

С 2015 года в НТЦ УП РАН ведутся теоретические и экспериментальные исследования, направленные на разработку акустооптических методов управления лазерным излучением для оптического пинцета. Работа группы молодых ученых из лаборатории акустооптической спектроскопии направлена на создание полностью электронно-управляемого инструмента, основанного на акустооптических методах для задания и быстрого изменения количества, положения и формы ловушек. Для этого предполагается использовать несколько последовательно расположенных акустооптических ячеек, каждая из которых обеспечивает прецизионное управление лишь одним параметром лазерного пучка (направлением, интенсивностью, положением плоскости фокусировки, профилем пучка). Но одновременная генерация нескольких ультразвуковых волн в акустооптической ячейке позволяет из падающего пучка получать несколько отдельных с регулируемыми характеристиками.

Соответственно, становится возможным собрать «полностью акустооптически управляемый» оптический пинцет с функциональными возможностями и характеристиками, диктуемыми решаемой задачей. Такой модульный и проблемно ориентированный подход позволяет с помощью набора нескольких компактных последовательно расположенных акустооптических элементов реализовывать как базовые функции оптического пинцета, то есть наведение и сканирование по произвольным пространственным траекториям в предметной плоскости (lateral scanning), так и достаточно сложные режимы: продольное сканирование (axial scanning), одновременное управление несколькими ловушками (multi-trapping), изменение их формы (shaping).

Концепция, предполагающая реализацию всех элементов на основе акустооптической технологии, основывается на единой технологической базе, что упрощает стыковку элементов комплекса и не сужает область применимости отдельных элементов, поскольку все они имеют единые технологические ограничения. Разрабатываемые в НТЦ УП РАН акустооптические технологии позволяют создавать интеллектуальные роботизированные системы для осуществления трехмерных пространственных манипуляций с микрочастицами, таких как их быстрая сортировка, а также размещение в нужном положении значительного количества различных микрообъектов. Можно ожидать, что концепция выведет оптический пинцет на новый функциональный уровень и найдет применение в биофизике, медицине, коллоидной химии.

Александр Мачихин, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН; Витольд Пожар, доктор физико-математических наук, заведующий отделом Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН