Инженеры Университета штата Пеннсильвания (Penn State University) разработали новую технологию изготовления жидкостных линз. Такие, легко юстируемые микролинзы могут фокусировать и/или менять направление распространения излучения в зависимости от необходимости и поэтому имеют потенциал широкого применения для подсчета живых клеток, исследования молекул или создания оптических пинцетов на чипе.

Традиционные линзы с фиксированным фокусным расстоянием могут фокусировать излучение только на определенной дистанции. Для того, чтобы перефокусировать пучок излучения в другую область, линза должна быть смещена в ту или другую сторону или изменено направление распространения пучка. Попытки создания традиционных линз с юстируемым фокусным расстоянием, да еще и на чипе, до сих пор не увенчались успехом. В то же самое время, новая технология позволяет создать жидкостную линзу, перефокусировка которой или изменение направления распространения фокусируемого пучка излучения могут быть произведены очень быстро, практически в пределах одной секунды. При этом, линза остается в той же самой позиции. Более того, размеры таких линз могут масштабироваться для изготовления на микрочипе.

В новой конфигурации линзы ученые используют воду и раствор хлорида кальция, поскольку оба компонента легко доступны и их оптические свойства хорошо изучены. Большинство растворов меняют показатель преломления при изменении концентрации, и поэтому, как отмечает руководитель работ – адъюнкт-профессор Тони Джан Хуанг (Tony Jun Huang), имеется множество коммерчески доступных жидкостей, в частности, водных растворов, которые могут быть успешно использованы в жидкостных градиентных линзах (L-GRIN). Результаты исследований опубликованы в интернет-журнале Lab on a Chip (Tunable Liquid Gradient Refractive Index (L-GRIN) lens with two degrees of freedom).

В своих линзах ученые использовали постоянные микропотоки хлорида кальция, с двух сторон ограниченные регулируемыми микропотоками воды. Увеличивая или уменьшая расход воды в этих потоках, разработчики, соответственно, укорачивают или удлинняют фокусное расстояние жидкостной линзы. Фокусное расстояние изменяется потому, что меняется количество хлорида кальция, диффундирующего в воду, что и меняет показатель преломления жидкости. Подобно этому, изменяя расход воды в струе только на одной стороне, исследователи легко перемещают фокальную точку из стороны в сторону. Регулируя оба параметра, они имеют возможность фокусировки пучка в любой точке зодируемого объема.

Рисунки авторов публикации к объяснению функциональности жидкостной градиентной линзы на чипе

По мнению проф. Хуанга, жидкостные линзы будут незаменимы в устройствах оптических пинцетов для биологических систем на чипах (lab on chip). Подобные оптические пинцеты, которые образуются сфокусированными лазерными пучками, могут захватывать маленькие частицы типа клеток, фиксировать их, двигать и даже вращать их. Очевидно также, что жидкостные микролинзы могут с успехом использоваться в изображающих системах медицинского назначения, где, благодаря юстируемости, исключить необходимость и неудобство перемещения наконечника щупа в поисках специфических объектов.

Евгений Биргер