Lézercsipesz Optika szeminárium Butykai Ádám, Orbán Ágnes 2012. április 5.

1. Lézercsipesz Optika szeminárium Butykai Ádám, Orbán Ágnes 2012. április 5.

2. Tartalom • A működés alapjai • Sugároptika • Maxwell-egyenetek • Gyakorlati megvalósítás • Alkalmazási területek • Legmodernebb berendezések alapelvei • Lézeres rácsok • Felületi plazmonok • Kitekintés

3. Bevezető • Optikai csipesz (lézercsipesz) • 1970 Arthur Ashkin1 : 10-10.000 nm (baktériumok, vírusok) csapdázása • 1986 Steven Chu2 : atomok magneto-optikai csapdázása és hűtése, Nobel-díj • pN nagyságrendű erők alkalmazása és mérése • Elmozdulás mérése nm pontossággal • Legújabb technológiák: optikai alapú sejtszétválasztás, plazmon erősítés, stb.

4. Az optikai csapdázás elméleti alapjai: sugároptika (a>>λ) • Optikai csapda: nagy NA lencsével lézernyaláb erősen lefókuszálva • Dielektromos részecskére a fókusz közelében erő hat a beeső fotonok impulzusátadása révén • n>nm eset, szórás és visszaverődés • Csapdázás feltétele: maxFrefraction>Freflection

5. Rayleigh- szórás pontszerű dipólusra (a<<λ) • A bejövő Gauss nyalábból enyhén levágják a peremet a lencse apertúrával a jobb hatékonyság érdekében. • 1/e2 intenzitás (kb. 87% teljesítmény)

6. A mérőberendezés felépítése • Csapdázó lézer • Nyalábtágító • A Gauss-nyaláb dereka kitölti a mikroszkóp objektívet • Irányító optika • Fókusz helye és rugalmassága • Pozíció- és erőmérés • Manuális fókuszálás • Mikroszkóp • Pozíció detektor • CCD kamera • Dikroikus tükrök • Lézerfényt visszaverik, a megvilágítást áteresztik • Piezoelektromos mozgató • Mintatartó mozgatása a fix csapdához képest

7. Csapdázó lézer • Általában Gauss TEM00módus • Jó pontstabilitás, kis teljesítményingadozás • Teljesítmény: kb. ~1pN/10mW csapdázásnál (mikronos beadekre) • Hullámhossz • Minta átlátszósága (pl. biológiai minták NIR) • Abszorpció -> melegedés -> minta roncsolódása

8. Objektív • NA és a transzmisszió számít • Immerziós olajba merítik általában ->kicsi munkatávolság (~0.1mm) • Szférikus aberrációk arányosak a törésmutató eltéréssel az olaj és a vizes csapdázó közeg között • Nagy NA -> nagy intenzitásgradiens, de kisebb munkatávolság • Kettős objektív elrendezés: 1:1 teleszkóp T2 transzmisszió

9. Pozíció detektálás • Pozíció- és erőmérés kalibrációja gömb alakú mintával • Többféle eljárás • Videó alapú detektálás • Kvadráns fotodióda • Lézeres detektálás • Egy vagy két lézerrel • Polarizációs mérés, QPD detektoros mérés • Axiális pozíció detektálása • Mintán szórt lézerfény detektálása egy túltöltött fotodiódával • Előreszórt és nem szóródó fotonok interferenciájával – intenzitásmérés a kondenzorlencse hátsó fókuszsíkján

10. Dinamikus pozícióváltoztatás I. • Dinamikus fókuszváltoztatás • Brown mozgás relaxációjánál gyorsabb vezérlés kell • Pásztázó tükrök • 1-2kHz, 100µs válaszidő • Nagy szögeltérítés lehetséges • Akkusztooptikai eltérítők • TeO2 kristály • Akkusztikus „optikai rács” • Gyors válasz (foltméret/hangsebesség) • 1D eltérítés, 2 AOD: 2D • Intenzitásvesztés • Elektrooptikai eltérítők • Feszültség -> törésmutató változás • Drága

11. Dinamikus pozícióváltoztatás II. • Holografikus optikai csapda • Több csapda egyidejű létrehozása • Piezzoelektromos mozgató • Mintatér mozgatása • Gyors 3D pozícionálás • Erő-visszacsatoló kör: konstans erő →pozícionálás

12. Videó detektálás • CCD kamerával ismert méretű minta vizsgálata • Pixelméret kalibrálása távolságra • ~5nm pontosság • Valós idejű képfeldolgozás • Mintavételezés ~15-120 Hz • CMOS kamera nagy frekvencián is működik (40kHz), de a számítógép sebessége korlátozó tényező • Nem megfelelő eljárás a fókuszhoz képesti relatív pozíció (erőmérés) meghatározására

13. Kvadráns fotodióda • A csapdázott objektumot egy kvadráns fotodiódára képezik • Az egyes szegmensek közti különbségi jelet mérve (teljes intenzitással normálva) a pozíció meghatározható • Kis látótér, a csapda jó leképezése szükséges • Nagy nagyítást igényel

14. Pozíció kalibráció I. • Bead kalibrált mozgatása -> detektor jelének kalibrálása • Piezzo mozgatóval, rögzített beaddel • Előny: teljes 3D kalibráció • Hátrány: • Felesleges és hosszadalmas, ha csak 1 laterális irányban alkalmazunk erőt. • Nem lehet teljes rögzítést megvalósítani: sokaságátlag kell • Ha csak laterális elmozdulás kell, akkor is érdemes axiális irányban is kalibrálni, mert a fókusz pontossága <~100nm

15. Pozíció kalibráció II. • Csapdázott beaddel, a fókusz kalibrált változtatásával • Fókusz kalibráció: CCD kamerával felvett csapdázott beaddel • Képalkotó pozíció detektorral, vagy 2 lézerrel mérünk pozíciót • Előny: Tetszőleges alakú objektumra kalibrálható és a kalibráció és a pozíciódetektálás egyazon pontban érvényes (fókusz) • Detektáló lézer előnye: külön fókuszálható a csapda helyére (fókusz mögött) -érzékenyebb a pozícióváltozásra, mint a csapdázó lézer fókusza • Hátrány: csak laterális irányú kalibráció (axiális merevség kisebb)

16. Axiális pozíciómérés és fókuszsík eltolódás • Biológiai alkalmazásoknál fontos: egyik molekula a felszínhez tapadva, a másik a fókuszban -> távolság • Fókusz axiális eltolódása a határfelületen való törés miatt : Snellius-Descartes és a kísérlet sem jó nagy NA lencséknél. • Régen: fluoreszcencia méréssel (evaneszcens hullámmal indukált), vagy hidrodinamikai súrlódásméréssel (fal-effektus) • Pozíciódetektor teljes összegjele (PSD, vagy QPD) arányos a teljes átjutó intenzitással • Amikor a bead áthalad a fókuszon: 180°-os fázistolás • A maximumok között elméleti illesztés • A maximum jó kalibrációs pont. Innen elmozdítva a piezo mintatartót, az abszolút távolság kalibrálható. • Fókuszsík eltolódás mérése: • Hidrosztatikus közegellenállás • Interferencia mérés

17. Erő kalibráció, merevség meghatározás

18. Erő kalibráció direkt fényintenzitás méréssel

19. Alkalmazások: Transzkripció vizsgálata • RNS polimeráz a DNS láncon halad végig • Transzkripció: DNS szekvencia másolása, messenger RNS (mRNS) szintetizálása • A DNS egyik vége a felszínhez kötve, az enzim a beadhez • Polarizációs interferometrikus pozíciódetektálás • A beadeta csapda fix pontján tartják → az erővektor a mérés során konst. → DNS lánc feszítése • A transzkripció sebessége 25pN erőig független a feszítettségtől • RNS polimeráz erős molekuláris motor • A piezo mozgatásával → a transzkripció időbeli lefutása • ~1 sec-os szünetek és állandó sebességű periódusok

20. Egymolekulás nyújtás nukleinsavakon • DNS replikációnál a bázispárok olvasása → kettős spirál felbontása (dsDNS → ssDNS = helix-coil átmenet) • Motiváció: • DNS-fehérje kölcsönhatás vizsgálata • Sok fehérje a DNS-hez kötődik és megváltoztatja annak stabilitását • Helix-coil átmenet energiája változik (mérhető) • DNS-hez kötődő gyógyszerek nyomon követése, gyógyszerfejlesztés • Pl. rák elleni gyógyszerek • Különböző gyógyszerek megkülönböztethetők az átmenet mérésével.

21. Nyújtási kísérlet: • dsDNS nehezen nyújtható • Túlnyújtás: • DNS egyik vége szabadon foroghat • átalakulás kb. konstans erő mellett • „Erő-indukált olvadás” –modell (egyensúlyi fázisátalakulás) • Nagyobb erőknél nemegyensúlyi, irreverzibilis átalakulás (függ az erő teljesítményétől is) • Bezárt terület: fázisátalakulás szabadenergiájának mérése (ΔG(T))

22. Bizonyítékok az olvadás-modellre • Átalakulás közben konstans erő • Az oldószer tulajdonságai erősen befolyásolják az átalakuláshoz tartozó erő nagyságát • Hőmérséklet • pH • Extrém pH értékeknél lecsökken az olvadáspont • Bázispárok olvadáspontja • Poly(dG*dC)Poly(dG*dC) 30pN-al magasabb átalakulási erő, mint a Poly(dA*dT)Poly(dA*dT) • Összhangban az olvadáspontokkal

23. RNS hajtű kibontása • Bázispárokkal párhuzamos irányú húzóerő (ellentétben a túlnyújtásos kísérlettel) • Kb. 15 pN erő szükséges • Az átalakuláshoz szükséges szabadenergia azonos • Meghatározható a nyújtáshoz szükséges hossz mindkét esetben • Túlnyújtás: x=0,24nm • Kibontás: x=0,82nm • Erők arányának becslése: • F=20pN • Jó egyezés a kísérlettel • Lassú húzásnál a kibomláskor és a relaxáláskor mért erő azonos volt -> reverzibilitás

24. Források • 1Ashkin, A. (1970). "Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure". Phys. Rev. Lett.24 (4): 156–159.