Теоретическое и экспериментальное исследование оптического захвата биологических микрообъектов в лазерных пучках, сформированных дифракционными оптическими элементами

• Автор: Рыков, Михаил Александрович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 103 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Численное моделирование процесса оптического захвата биологического микрообъекта
1.1. Основные сведения о моделируемых микрообъектах
1.2. Метод расчета
1.3. Моделирование движения частицы в оптической ловушке
1.4. Учет теплового воздействия на микрообъект
1.5. Выводы
Глава 2. Пучки с распределением интенсивности в виде полумесяца
2.1. Теоретическое исследование распределения интенсивности в виде
полумесяца
2.2. Теоретическая оценка повреждающей способности пучков-полумесяцев
2.3. Измерения дифракционной эффективности ДОЭ, образующих пучки-
полумесяцы
2.4. Эксперименты по оптическому манипулированию клетками Saccharomyces cerevisiae при помощи пучков-полумесяцев
2.5. Выводы
Глава 3. Суперпозиция вихревых пучков с разными топологическими
зарядами для формирования пучка в форме полумесяца
3.1. Вихревые пучки в задачах оптического манипулирования
3.2. Распределение интенсивности в форме полумесяца с кусочно-непрерывной фазой
3.3. Теоретическая оценка повреждающей способности и поля оптических сил суперпозиции вихревых пучков

3.4. Эксперименты по оптическому манипулированию клетками К
при помощи луча, являющегося суперпозицией вихревых пучков
3.5. Выводы
Заключение
Список литературы
Приложение А. Инструмент численного моделирования
А.1. Постановка задачи моделирования
А.2. Краткое описание математической модели
А.З. Варианты использования программного продукта
А.4. Анализ математической модели и выделение сущностей
А.5. Детальный проект программного продукта
А.6. Функциональный проект программного продукта

Введение
Актуальность темы исследования. Оптические ловушки (также оптический пинцет) — бесконтактный инструмент, использующий воздействие одного или несколько лазерных пучков, приводящих к генерации пиконьютонных сил, на частицу. Эта возможность представляет особый интерес в ряде областей: атомная физика, биология, микрохирургия, нанотехнология и микромеханика, а также при изучении свойств коллоидов, микро-потоков и световых пучков.
Оптический пинцет с момента его изобретения Ашкиным в 1986 году [1] стал исключительно полезным инструментом для манипулирования отдельными биологическими клетками ([2]) и проведения сложных биофизических и биомеханических исследований. Особыми преимуществами оптических ловушек является отсутствие механического контакта при манипулировании, применимость метода для работы в жидких средах.
Манипулирование отдельными клетками играет важную роль в задачах оплодотворения in vitro, междуклеточных взаимодействий, слияния клеток, эмбриологии, микробиологии, исследования стволовых клеток и регенерационной медицины. Исследования поведения отдельных клеток даёт информацию о невидимых процессах, таких, как, например, химические внутриклеточные взаимодействия.
Оптический пинцет широко используется в микро- и молекулярной биологии. Самым простым применением является позиционирование клеток, удерживание их в текущей жидкости. В [3] использовали эту технику для количественного исследования процесса ферментации отдельной клетки дрожжей, осуществив таким образом наблюдение в реальном времени в области клеточной биохимии. Для исключения ротации клетки может использоваться, к примеру, технология голографической оптической ловушки [4].
Другим важным применением является перемещение клетки. Бесконтактное перемещение клетки внутри жидкости весьма желательно для манипуляции клеткой в стерильных условиях. Оптический пинцет был применён для перемещения
Уравнение поступательного движения клетки будет выглядеть следующим образом (см. [57]):
тг = 2 - к(г - ’пот), (1.18)

где под 2) ^ подразумевается сумма всех сил (1.4), к — коэффициент сопротивле-

ния, обусловленный вязким трением при движении в жидкости, а Упот — скорость потока жидкости относительно лазерного пучка. Скорость потока окружающей жидкости и сила со стороны света предполагаются на каждом шаге постоянными, поскольку продолжительность этого шага много меньше времени, за которые обе величины успеют заметно измениться.
Решив задачу Коши для этого уравнения (предполагая, что Уо — начальная скорость), найдём положение центра масс объекта и его скорость через время т от начала движения (т.е., в нашем случае — в конце единичного шага):
2 Г; + кПОТ
у = Уо • е~*т + — (1 - ; (1-19)
2 £упот , .
г = у°1 ' (1 - е~"Т) + " к (Т ” I ^ ’ (1'20)
Найдём коэффициент сопротивления к. Число Рейнольдса для нашей задачи весьма мало, поэтому при равномерном движении для объекта будет верен закон Стокса [58]:
к « Злсф, (1.21)
где с! — наибольший диаметр объекта, ц — динамическая вязкость жидкости, в которой частица двигается.
Произведём некоторые численные оценки. Как уже упоминалось, характерный размер объекта (наибольший диаметр клетки) ~ 5 мкм. В этом случае к ~
Ю-8 ££. Масса объекта не превысит нескольких десятков пикограммов ((10_б м)3 • 1000 Ю"15 кг). Характерное время релаксации ~ при этом оказывается пренебрежимо