Оптический пинцет
Оптический пинцет («оптическая ловушка», «лазерный пинцет») представляет собой научный прибор, позволяющий при помощи лазерного света манипулировать микроскопическими объектами. Он позволяет прикладывать к диэлектрическим объектам силы от фемтоньютонов до наноньютонов и измерять расстояния от нескольких нанометров до микронов. В последние годы оптические пинцеты начали использовать в биофизике для изучения структуры и принципа работы белков.
История
В XVII веке Иоганн Кеплер, немецкий астроном, исходя из наблюдений за хвостами комет при приближении к Солнцу, допустил мысль о том, что свет способен оказывать давление на вещество. Несмотря на то, что позднее выяснилось, что это не единственный механизм этого отклонения, идея Кеплера оказалась плодотворной для развития астрономии. Например, было показано, что световое (радиационное давление) — один из самых главных механизмов, которые отвечают за динамику частиц в межзвёздном пространстве.
Спустя 200 лет после исследований Кеплера Джеймсом Максвеллом было рассчитано значение светового давления при помощи его теории электромагнитных явлений. В 1910 году этот эффект был экспериментально измерен российским физиком Петром Лебедевым, продемонстрировавшим, что свет оказывает давление на тела. В 1970 году, действие сил, связанных с рассеиванием и градиентами интенсивности света, на частицы микронных размеров было опубликовано в научной литературе Артуром Ашкином, сотрудником Bell Labs.
Спустя некоторое время Ашкин с коллегами сообщили о первом наблюдении того, что сегодня называется оптической ловушкой, то есть сфокусированного пучка света, способного к удержанию микроскопических частиц (10 нм — 10 мкм) неподвижно в трёх измерениях. Исследовательскую работу продолжил Стивен Чу, который за эту работу получил Нобелевскую премию в 1997 году.
В 1980-х годах Говард Берг и Стивен Блок впервые применили технологию оптического пинцета в биологии, используя её, чтобы удержать бактерию с целью изучения бактериальных жгутиков. Уже в 1990-х годах такие исследователи, как Джеймс Спудич, Стивен Блок и Карлос Бустаманте применили принцип оптической силовой спектроскопии, для того чтобы характеризовать биологические двигатели молекулярного масштаба. Эти молекулярные моторы встречаются повсеместно в биологии, и отвечают за передвижение клеток, изменение их формы и за транспорт в пределах клетки. Оптические ловушки позволили этим биофизикам наблюдать силы и динамику молекулярных моторов на примере одной молекулы. Оптическая силовая спектроскопия позволила лучше понять стохастическую (случайную) природу этих вырабатывающих энергию молекул.
Оптический пинцет оказался полезными также и в других областях биологии. Например, в 2003 году метод оптического удержания был использован для сортировки клеток. Создавая большую оптическую интенсивность над образцом, клетки можно сортировать по их собственным оптическим характеристикам. Оптический пинцет также используется для исследования цитоскелетов, измерения вязкости и упругостибиополимеров и изучения движения клеток.
