موچین های نوری

موچین های نوری یک روش غیر تهاجمی برای دستکاری ذرات اندازه میکروسکوپی را ارائه می دهند. امواج الکترومغناطیسی انرژی و حرکت را حمل می کنند. هنگامی که یک موج الکترومغناطیسی با یک ذره کوچک تعامل دارد، می تواند انرژی و حرکت را با ذرات مبادله کند. نیروی اعمال شده بر ذره برابر است با حرکتی که در واحد زمان منتقل می شود.

نیرویی که توسط موچین های اپتیکی به کار می رود، به ترتیب 10 تا 12 نانومتر است. برای دستکاری اشیاء با اندازه های ماکروسکوپی بسیار ضعیف است، اما برای اندازه گیری ذرات فردی در سطح سلولی، به اندازه کافی بزرگ است. نیرو در بیشتر قسمت های ذره توزیع شده است، بنابراین اشیا شکننده و ظریف می توانند بدون آسیب رساندن دستکاری شوند. پرتوهای لیزر نزدیک به مادون قرمز میتوانند سلولهای زنده را بدون آسیب رساندن به آن دستکاری کنند.

در اوایل دهه 1970 Ashkin و همکارانش نشان دادند که ذرات میکرونی می توانند در برابر جاذبه به دام افتاده، حرکت داده شده و با استفاده از دو پرتو لیزری ضعیف متمرکز شوند. چند سال بعد، Ashkin نشان داد که پایدار و سه بعدی دامنه کروی دی الکتریک با یک تک، پرتو لیزر قوی متمرکز شده است. چنین تله یک تله لیزر نیروی گرادیان تک پرتوی یا "میکروسکوپ نوری" نامیده می شود. این قادر به گرفتن و دستکاری ذرات است، در اندازه های مختلف از چندین نانومتر تا چند ده متر می باشد. یک تنظیم معمول در شکل زیر نشان داده شده است.

یک سال بعد Ashkin و Dziedzic از یک لیزر یونی آرگون با طول موج 514 نانومتر استفاده کردند تا نشان دهند که موچین های اپتیکی قادر به ضبط و دستکاری در موجودات زنده هستند. با این حال، نور این طول موج به شدت توسط باکتری جذب می شود و باکتری ها در سطوح بالای قدرت آسیب می بینند. اما سلول های زیستی و موجودات زنده برای نور مادون قرمز تقریبا شفاف هستند و یک لیزر Nd-YAG با طول موج 1064 نانومتر می تواند برای دستکاری انواع نمونه های بیولوژیکی بدون آسیب باشد.

موچین های ساده ساده شامل یک پرتو لیزر تک است که توسط یک لنز هدف به یک نقطه محدود محدود می شود. این نور پس از برخورد با یک شی کوچک که برای نور لیزر شفاف است. (بسیاری از اجسام اندازه میکرونی تقریبا شفاف هستند به طول موج بسیاری از نور. رخ می دهد نور است که آنها جذب بسیار کوچک است، از آنجا که نور از طریق بدون درهم تعامل بسیار است.) برخی از نور لیزر از سطح جسم و برخی از نور فرستاده می شود نور منتهی شده از طریق مستقیم عبور نمی کند، اما در هنگام ورود و خروج از آن، انعکاس می یابد.

انعکاس و انکسار باعث تغییر سرعت فوتون های حادثه شده و به همین ترتیب حرکت را به حوزه منتقل می کند. انتقال کل در هر واحد زمان یا نیروی به دلیل تمام فوتون های بازتاب شده در پرتو همیشه یک جزء در جهت انتشار پرتو است. این مسئول فشار پرتو است. یک نیرو در این جهت نیروی پراکندگی نامیده می شود. انتقال کل حرکت در واحد زمان یا نیرویی به دلیل تمام فوتون های رفته (خم) در پرتو همیشه به سمت تمرکز پرتو لیزر اشاره دارد. یک نیرو در این جهت نیروی گرادیان نامیده می شود. هنگامی که نیروی گرادیان قوی تر از نیروی پراکندگی است، نتایج تله کشی سه بعدی حاصل می شود. پرتو لیزر را به یک تمرکز تنگ می دهد نیروی گرادیان قوی ایجاد می کند.