Инструмент, созданный командой учёных из Испании и Австралии, позволяет манипулировать отдельными живыми клетками, вирусами и любыми другими частицами нанометрового размера без риска их повредить (кратко о нем мы уже писали). Так называемый оптический пинцет захватывает и перемещает объекты, что можно использовать как в медицине и биологии, так и при создании элементов наноэлектроники.

В то время как объекты нанометрового размера можно перемещать в любом направлении при помощи обычных оптических пинцетов, точность, с которой осуществляются эти манипуляции, ограничивается дифракционным пределом — около 300 нанометров для видимого света.

Однако это ограничение не распространяется на ближнепольный свет. Такие волны быстро теряют свою интенсивность на расстояниях, намного меньших, чем дифракционный предел.

В 1990-х годах учёные предположили, что сканирующий оптический микроскоп ближнего поля может улавливать и манипулировать объектами, диаметр которых не превышает нескольких нанометров. Такой микроскоп в качестве зонда во время сканирования использует крошечную диафрагму (несколько десятков нанометров в диаметре), находясь при этом всего в нескольких нанометрах над объектом исследования.

Для превращения ближнепольного оптического микроскопа в оптический пинцет нужно пропускать через диафрагму свет лазера. Он фокусируется в крошечную точку ближнепольного света.

Захват объекта происходит по следующему принципу. Как и в обычных оптических пинцетах, градиент интенсивности света точки фокусировки заставляет микроскопические диэлектрики двигаться к центру точки, где электрическое поле сильнее всего. Всё это даёт возможность захватывать наноразмерные объекты и манипулировать ими с нанометровой точностью.

Рис. 1. Микроскопическая диафрагма в форме бабочки имеет диаметр всего в 85 нанометров (иллюстрация ICFO).

Однако экспериментальные испытания методики так и не были проведены: учёные забеспокоились, что концентрированный свет на кончике микроскопа может быть настолько интенсивным, что повредит термочувствительные объекты или даже сам наконечник микроскопа.

Поэтому теперь Ромэн Кидан (Romain Quidant) из Института фотоники в Барселоне решил оптимизировать технологию своих предшественников.

Он и его коллеги показали, что

с тем же успехом можно манипулировать объектами, используя при этом свет гораздо меньшей интенсивности.

Конструкция, разработанная Киданом и его командой, включает в себя оптическое волокно диаметром в 1 микрометр с крошечной диафрагмой в форме бабочки. Диаметр последней составляет 85 нанометров.

Как объясняется в пресс-релизе,

снизить интенсивность света удалось при помощи методики так называемой самоиндуцированной обратной связи (SIBA). Она регулирует интенсивность локального поля в режиме реального времени в зависимости от поведения образца.

«Захваченный объект играет активную роль в механизме захвата, — поясняет Кидан. — Сам процесс захвата подобен крепкому рукопожатию: объект не разрушается и не выпускается одновременно. Этот метод уменьшает интенсивность света, необходимого для удержания объекта, на несколько порядков величины, что снижает риск повреждения наконечника микроскопа и самого объекта».

Рис. 2. Электронная микрофотография самого оптического пинцета (фото ICFO).

Физики использовали лазер, испускающий ближнее инфракрасное излучение, мощность которого можно регулировать между 2 и 5 милливаттами. Исследователи показали, что

в воде гранулы полистирола диаметром 50 нанометров, по размерам похожие на вирус, вызывающий тропическую лихорадку, могут быть успешно захвачены на протяжении получаса.

Помимо стандартной конфигурации, где свет проходит по оптоволокну и выходит через отверстие, Кидан и его коллеги также рассмотрели и другую возможность. Свет лазера пропустили через внешнюю линзу, затем сфокусировали на диафрагме. Учёные пришли к выводу, что

эта методика оказалась несколько менее удачной, чем предыдущая, так как положение диафрагмы должно быть фиксированным для ограничения подвижности захваченного образца.

«Мы считаем, что новая методика может стать универсальным инструментом в области нанотехнологий, а также в любых других исследованиях, где требуется манипуляция микроскопическими объектами без повреждения оных», — заключает Кидан, чья статья с результатами исследования вышла в журнале Nature Nanotechnology.

Контроль за конфигурацией отдельных молекул может стать перспективной медицинской методикой, поможет в диагностике и лечении заболеваний, где необходимо манипулировать отдельными вирусами или белками. Точное размещение микроскопических объектов, таких как углеродные нанотрубки, также может быть пригодится для развития нанотехнологий.