ऑप्टिकल ट्वीज़र्स

ऑप्टिकल ट्वीज़र्स (मूल रूप से सिंगल-बीम ग्रेडिएंट फ़ोर्स ट्रैप कहा जाता है) वैज्ञानिक उपकरण हैं जो सूक्ष्म और उप-सूक्ष्म वस्तुओं जैसे परमाणुओं, नैनोकणों और बूंदों को नियन्त्रित और स्थानांतरित करने के लिए ट्वीज़र्स के समान तरीके से अत्यधिक केंद्रित लेज़र बीम का उपयोग करते हैं। यदि वस्तु को बिना किसी अतिरिक्त सहारे के हवा या निर्वात में रखा जाता है, तो इसे ऑप्टिकल लेविटेशन कहा जाता है।

लेजर प्रकाश एक विकिरण दबाव प्रदान करता है (आमतौर पर पिको-न्यूटन (इकाई) के आदेश पर), कण और आसपास के माध्यम के बीच सापेक्ष अपवर्तक सूचकांक पर निर्भर करता है। यदि प्रकाश का बल गुरुत्वाकर्षण का मुकाबला करता है तो लेविटेशन संभव है। फंसे हुए कण आमतौर पर माइक्रोमीटर आकार के या उससे भी छोटे होते हैं। ढांकता हुआ और अवशोषण (विद्युत चुम्बकीय विकिरण) कण भी फंस सकते हैं।

जीव विज्ञान और चिकित्सा में ऑप्टिकल ट्वीज़र्स का उपयोग किया जाता है (उदाहरण के लिए एक एकल जीवाणु , एक कोशिका (जीव विज्ञान) जैसे शुक्राणु या रक्त कोशिका, या डीएनए जैसे एक अणु को नियन्त्रित और नियन्त्रित के लिए), nanoengineering और nanomysters (एकल से सामग्री का अध्ययन और निर्माण करने के लिए) अणु), क्वांटम प्रकाशिकी और कैविटी ऑप्टोमैकेनिक्स (प्रकाश के साथ एकल कणों की बातचीत का अध्ययन करने के लिए)। आर्थर अश्किन द्वारा ऑप्टिकल ट्वीज़िंग के विकास की 2018 में भौतिकी के नोबेल पुरस्कार से सराहना की गई थी।

इतिहास और विकास

बेल लैब्स में काम करने वाले वैज्ञानिक आर्थर एश्किन ने पहली बार 1970 में ऑप्टिकल स्कैटरिंग और माइक्रोन आकार के कणों पर ग्रेडिएंट बलों की खोज की थी। वर्षों बाद, एश्किन और उनके सहयोगियों ने पहले अवलोकन की सूचना दी जिसे अब आमतौर पर एक ऑप्टिकल ट्वीज़र के रूप में संदर्भित किया जाता है: तीन आयामों में सूक्ष्म कणों को स्थिर रखने में सक्षम प्रकाश का एक कसकर केंद्रित बीम। 2018 में, इस विकास के लिए अश्किन को भौतिकी में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था।

1986 के इस मौलिक पत्र के लेखकों में से एक, स्टीवन चू, लेजर शीतलन और तटस्थ परमाणुओं को फँसाने पर अपने काम में ऑप्टिकल ट्वीज़र्स का उपयोग करने के लिए आगे बढ़ेंगे। इस शोध ने चू को 1997 में सी बांह और विलियम डी. फिलिप्स के साथ विज्ञान#पुरस्कार में अर्जित किया। एक साक्षात्कार में, स्टीवन चू ने बताया कि कैसे एश्किन ने पहली बार परमाणुओं को फंसाने की एक विधि के रूप में ऑप्टिकल ट्वीज़िंग की कल्पना की थी। एश्किन बड़े कणों (व्यास में 10 से 10,000 नैनोमीटर) को फँसाने में सक्षम था, लेकिन गुंजयमान लेजर प्रकाश और एक चुंबकीय ढाल जाल (cf. मैग्नेटो-) का उपयोग करके इन तकनीकों को तटस्थ परमाणुओं (0.1 नैनोमीटर व्यास में) के फँसाने के लिए चू पर गिर गया। ऑप्टिकल ट्रैप)।

1980 के दशक के उत्तरार्ध में, आर्थर एश्किन और जोसेफ एम. डिजीड्ज़िक ने जैविक विज्ञान के लिए प्रौद्योगिकी के पहले अनुप्रयोग का प्रदर्शन किया, इसका उपयोग एक व्यक्तिगत तम्बाकू मोज़ेक वायरस और इशरीकिया कोली जीवाणु को फंसाने के लिए किया। 1990 के दशक के दौरान और उसके बाद, कार्लोस बस्टामांटे (जीवभौतिकीविद्) , जेम्स स्पुडिच और स्टीवन ब्लॉक जैसे शोधकर्ताओं ने आणविक-पैमाने पर जैविक मोटर्स की विशेषता के लिए ऑप्टिकल ट्रैप बल स्पेक्ट्रोस्कोपी के उपयोग का बीड़ा उठाया। ये आणविक मोटर्स जीव पदाथ-विद्य में सर्वव्यापी हैं, और सेल के भीतर हरकत और यांत्रिक क्रिया के लिए जिम्मेदार हैं। ऑप्टिकल ट्रैप ने इन जैवभौतिकी को एकल-अणु स्तर पर नैनोस्केल मोटर्स की ताकतों और गतिशीलता का निरीक्षण करने की अनुमति दी; ऑप्टिकल ट्रैप बल-स्पेक्ट्रोस्कोपी ने तब से इन बल पैदा करने वाले अणुओं की स्टोचैस्टिक प्रकृति की अधिक समझ पैदा की है।

ऑप्टिकल ट्वीज़र्स जीव विज्ञान के अन्य क्षेत्रों में भी उपयोगी सिद्ध हुई है। कृत्रिम कोशिकाओं के ऊतक जैसे नेटवर्क के निर्माण के लिए उनका उपयोग सिंथेटिक जीव विज्ञान में किया जाता है, और सिंथेटिक झिल्लियों को एक साथ फ्यूज करने के लिए जैव रासायनिक प्रतिक्रियाओं को आरंभ करने के लिए।वे आनुवंशिक अध्ययन में भी व्यापक रूप से कार्यरत हैं और गुणसूत्र संरचना और गतिकी पर अनुसंधान। 2003 में ऑप्टिकल ट्वीज़र्स की तकनीकों को सेल सॉर्टिंग के क्षेत्र में लागू किया गया था; नमूना क्षेत्र पर एक बड़ा ऑप्टिकल तीव्रता पैटर्न बनाकर, कोशिकाओं को उनकी आंतरिक ऑप्टिकल विशेषताओं द्वारा क्रमबद्ध किया जा सकता है। ऑप्टिकल ट्वीज़र्स का उपयोग cytoskeleton की जांच करने के लिए भी किया गया है, बायोपॉलिमरों के विस्को-लोचदार गुणों को मापने के लिए, और सेल की गतिशीलता का अध्ययन करें। एक जैव-आणविक परख जिसमें लिगैंड लेपित नैनो-कणों के समूह दोनों वैकल्पिक रूप से फंसे हुए हैं और लक्षित अणु प्रेरित क्लस्टरिंग के बाद वैकल्पिक रूप से पता चला है, 2011 में प्रस्तावित किया गया था और प्रयोगात्मक रूप से 2013 में प्रदर्शित किया गया। कुछ अन्य उपलब्धियाँ भी 2001 में एक परमाणु को ही फँसा रही हैं, 2010 में रिडबर्ग एटम#स्ट्रॉन्गली इंटरेक्टिंग सिस्टम्स एनटेंगल्ड पेयर्स का ट्रैपिंग, 2016 में परमाणुओं के 2-आयामी सरणियों में बड़ी सटीकता साथ ही 2018 में 3-आयामी असेंबलिंग और 2021 में 196 और 256 परमाणुओं के प्रोग्राम योग्य सरणी प्राप्त करने के लिए वह कितना दिखावा करता है में तकनीक का उपयोग करना कपित्सा-डिराक प्रभाव 2001 के दौरान प्रभावी ढंग से प्रदर्शित किया गया था जिसमें कणों के बीम को प्रभावित करने के लिए प्रकाश की स्थायी तरंगों का उपयोग किया जाता है।

शोधकर्ताओं ने छोटे शोध बजट वाले लोगों द्वारा उपयोग के लिए ऑप्टिकल ट्वीज़र्स को बड़े, जटिल उपकरणों से छोटे, सरल उपकरणों में बदलने के लिए भी काम किया है।

भौतिकी

ढांकता हुआ वस्तुएं बीम के केंद्र की ओर आकर्षित होती हैं, बीम कमर से थोड़ा ऊपर, जैसा कि पाठ में वर्णित है। ऑब्जेक्ट पर लगाया गया बल एक साधारण स्प्रिंग सिस्टम की तरह ट्रैप सेंटर से उसके विस्थापन पर रैखिक रूप से निर्भर करता है। यह एक प्रत्यानयन बल है और इस प्रकार इसके बराबर है $-k_{\mathrm {trap} }x$.

सामान्य विवरण

ऑप्टिकल ट्वीज़र्स अत्यधिक केंद्रित लेजर बीम के माध्यम से अत्यंत छोटी ताकतों को लगाकर नैनोमीटर और माइक्रोन आकार के ढांकता हुआ कणों में हेरफेर करने में सक्षम हैं। बीम को आम तौर पर एक उद्देश्य (ऑप्टिक्स) के माध्यम से भेजकर केंद्रित किया जाता है। बीम कमर के रूप में जाना जाने वाला केंद्रित बीम का सबसे छोटा बिंदु, एक बहुत मजबूत विद्युत क्षेत्र ढाल होता है। ढांकता हुआ कण ढाल के साथ सबसे मजबूत विद्युत क्षेत्र के क्षेत्र में आकर्षित होते हैं, जो बीम का केंद्र है। लेजर प्रकाश भी बीम के प्रसार की दिशा में बीम में कणों पर बल लगाने की प्रवृत्ति रखता है। यह संवेग के संरक्षण के कारण है: छोटे परावैद्युत कण द्वारा अवशोषित या बिखरे हुए फोटॉन परावैद्युत कण को ​​संवेग प्रदान करते हैं। इसे प्रकीर्णन बल के रूप में जाना जाता है और परिणामस्वरूप कण बीम कमर की सटीक स्थिति से थोड़ा नीचे की ओर विस्थापित हो जाता है, जैसा कि चित्र में देखा गया है।

ऑप्टिकल ट्रैप बहुत संवेदनशील उपकरण हैं और सब-माइक्रोन डाइइलेक्ट्रिक कणों के लिए सब-नैनोमीटर विस्थापन के हेरफेर और पता लगाने में सक्षम हैं। इस कारण से, वे अक्सर उस अणु से जुड़ी एक मनका के साथ बातचीत करके एकल अणुओं में हेरफेर और अध्ययन करने के लिए उपयोग किए जाते हैं। डीएनए और प्रोटीन और इसके साथ इंटरैक्ट करने वाले एंजाइमों का आमतौर पर इस तरह अध्ययन किया जाता है।

मात्रात्मक वैज्ञानिक मापन के लिए, अधिकांश ऑप्टिकल जाल इस तरह से संचालित होते हैं कि ढांकता हुआ कण जाल केंद्र से शायद ही कभी दूर जाता है। इसका कारण यह है कि जब तक विस्थापन छोटा होता है तब तक कण पर लगाया गया बल जाल के केंद्र से उसके विस्थापन के संबंध में रैखिक होता है। इस तरह, एक ऑप्टिकल ट्रैप की तुलना एक साधारण स्प्रिंग से की जा सकती है, जो हुक के नियम का पालन करता है।

Further information on the light scattering force: Radiation pressure

विस्तृत दृश्य

ऑप्टिकल ट्रैपिंग व्यवहार की उचित व्याख्या ट्रैप किए गए कण के आकार पर निर्भर करती है जो इसे ट्रैप करने के लिए उपयोग की जाने वाली प्रकाश की तरंग दैर्ध्य के सापेक्ष होती है। ऐसे मामलों में जहां कण के आयाम तरंग दैर्ध्य से बहुत अधिक होते हैं, एक साधारण किरण प्रकाशिकी उपचार पर्याप्त होता है। यदि प्रकाश की तरंग दैर्ध्य कण आयामों से कहीं अधिक है, तो कणों को विद्युत क्षेत्र में विद्युत द्विध्रुव के रूप में माना जा सकता है। ट्रैपिंग बीम वेवलेंथ के परिमाण के एक क्रम के भीतर आयामों की ढांकता हुआ वस्तुओं के ऑप्टिकल ट्रैपिंग के लिए, एकमात्र सटीक मॉडल में उचित सीमा स्थितियों का उपयोग करके या तो समय पर निर्भर या समय हार्मोनिक मैक्सवेल समीकरणों का उपचार शामिल है।

रे प्रकाशिकी

रे ऑप्टिक्स स्पष्टीकरण (अनफोकस्ड लेजर)। जब मनका बीम केंद्र (दाहिनी छवि) से विस्थापित हो जाता है, तो अधिक तीव्र किरणों के बड़े संवेग परिवर्तन के कारण एक शुद्ध बल वापस लेजर के केंद्र की ओर लगाया जाता है। जब मनका बाद में बीम (बाईं छवि) पर केंद्रित होता है, तो परिणामी पार्श्व बल शून्य होता है। लेकिन एक अनफोकस्ड लेजर अभी भी लेजर से दूर की ओर इशारा करते हुए एक बल का कारण बनता है।

रे ऑप्टिक्स स्पष्टीकरण (केंद्रित लेजर)। मनका को लेजर के केंद्र में रखने के अलावा, एक केंद्रित लेजर भी मनका को एक निश्चित अक्षीय स्थिति में रखता है: ध्यान केंद्रित किरणों का संवेग परिवर्तन लेजर फोकस की ओर एक बल का कारण बनता है, दोनों जब मनका सामने होता है (बाएं) छवि) या पीछे (दाईं छवि) लेजर फोकस। तो, मनका फोकस से थोड़ा पीछे रहेगा, जहां यह बल प्रकीर्णन बल की भरपाई करता है।

ऐसे मामलों में जहां फंसे हुए कण का व्यास प्रकाश की तरंग दैर्ध्य से काफी अधिक होता है, रे ऑप्टिक्स का उपयोग करके ट्रैपिंग घटना को समझाया जा सकता है। जैसा कि चित्र में दिखाया गया है, लेजर से उत्सर्जित प्रकाश की अलग-अलग किरणें अपवर्तित होंगी क्योंकि यह ढांकता हुआ मनका में प्रवेश करती है और बाहर निकलती है। नतीजतन, किरण एक अलग दिशा में बाहर निकल जाएगी जहां से इसकी उत्पत्ति हुई थी। चूँकि प्रकाश के साथ संवेग जुड़ा होता है, दिशा में यह परिवर्तन इंगित करता है कि इसका संवेग बदल गया है। न्यूटन के गति के नियमों के कारण|न्यूटन के तीसरे नियम के अनुसार कण पर समान और विपरीत संवेग परिवर्तन होना चाहिए।

अधिकांश ऑप्टिकल ट्रैप गॉसियन बीम (टीईएम) के साथ काम करते हैं₀₀ मोड) प्रोफ़ाइल तीव्रता। इस मामले में, यदि कण बीम के केंद्र से विस्थापित हो जाता है, जैसा कि चित्र के दाहिने हिस्से में है, तो कण के पास एक शुद्ध बल होता है जो इसे ट्रैप के केंद्र में लौटाता है क्योंकि अधिक तीव्र किरणें बीम की ओर एक बड़ा गति परिवर्तन प्रदान करती हैं। कम तीव्र बीम की तुलना में जाल का केंद्र, जो जाल केंद्र से दूर एक छोटा गति परिवर्तन प्रदान करता है। शुद्ध संवेग परिवर्तन, या बल, कण को ​​जाल केंद्र में लौटाता है।

यदि कण बीम के केंद्र में स्थित है, तो प्रकाश की अलग-अलग किरणें कण के माध्यम से सममित रूप से अपवर्तित होती हैं, जिसके परिणामस्वरूप कोई शुद्ध पार्श्व बल नहीं होता है। इस मामले में शुद्ध बल जाल की अक्षीय दिशा के साथ है, जो लेजर प्रकाश के प्रकीर्णन बल को रद्द कर देता है। बिखरने वाले बल के साथ इस अक्षीय ढाल बल को रद्द करने से मनका बीम कमर के थोड़ा नीचे की ओर स्थिर रूप से फंस जाता है।

मानक ट्वीज़र्स में प्रचारित फँसाने वाले लेजर के साथ काम करता है गुरुत्वाकर्षण की दिशा और उल्टे ट्वीज़र्स गुरुत्वाकर्षण के विरुद्ध काम करती है।

इलेक्ट्रिक द्विध्रुवीय सन्निकटन

ऐसे मामलों में जहां फंसे हुए कण का व्यास प्रकाश की तरंग दैर्ध्य की तुलना में काफी छोटा होता है, रेले स्कैटरिंग के लिए स्थितियां संतुष्ट होती हैं और कण को ​​एक विषम विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र में बिंदु द्विध्रुव के रूप में माना जा सकता है। विद्युतचुंबकीय क्षेत्र में एकल आवेश पर लगाए गए बल को लोरेंत्ज़ बल के रूप में जाना जाता है,

$\mathbf {F_{1}} =q\left(\mathbf {E} (\mathbf {x} _{1})+{\frac {d\mathbf {x_{1}} }{dt}}\times \mathbf {B} \right).$

द्विध्रुव पर बल की गणना उपरोक्त समीकरण में विद्युत क्षेत्र के लिए दो शब्दों को प्रतिस्थापित करके की जा सकती है, प्रत्येक आवेश के लिए एक। एक द्विध्रुवीय का द्विध्रुवीय ध्रुवीकरण है $\mathbf {p} =q\mathbf {d} ,$ कहाँ $\mathbf {d}$ दो आवेशों के बीच की दूरी है। एक बिंदु द्विध्रुव के लिए, दूरी अपरिमित होती है, $\mathbf {x} _{1}-\mathbf {x} _{2}.$ यह ध्यान में रखते हुए कि दो आवेशों के विपरीत चिन्ह हैं, बल रूप लेता है

${\begin{aligned}\mathbf {F} &=q\left(\mathbf {E} (\mathbf {x} _{1})-\mathbf {E} (\mathbf {x} _{2})+{\frac {d(\mathbf {x} _{1}-\mathbf {x} _{2})}{dt}}\times \mathbf {B} \right)\\&=q\left(\mathbf {E} (\mathbf {x} _{1})+\left((\mathbf {x} _{1}-\mathbf {x} _{2})\cdot \nabla \right)\mathbf {E} -\mathbf {E} (\mathbf {x} _{1})+{\frac {d(\mathbf {x} _{1}-\mathbf {x} _{2})}{dt}}\times \mathbf {B} \right).\\\end{aligned}}$

ध्यान दें कि $\mathbf {E_{1}}$ रद्द कर देना। आवेश से गुणा करने पर, $q$, स्थिति परिवर्तित करता है, $\mathbf {x}$, ध्रुवीकरण में, $\mathbf {p}$,

${\begin{aligned}\mathbf {F} &=\left(\mathbf {p} \cdot \nabla \right)\mathbf {E} +{\frac {d\mathbf {p} }{dt}}\times \mathbf {B} \\&=\alpha \left[\left(\mathbf {E} \cdot \nabla \right)\mathbf {E} +{\frac {d\mathbf {E} }{dt}}\times \mathbf {B} \right],\\\end{aligned}}$

जहां दूसरी समानता में, यह मान लिया गया है कि परावैद्युत कण रैखिक है (अर्थात् $\mathbf {p} =\alpha \mathbf {E}$).

अंतिम चरणों में, दो समानताओं का उपयोग किया जाएगा: (1) सदिश कलन सर्वसमिकाएं, (2) फैराडे का प्रेरण का नियम।

1. $\left(\mathbf {E} \cdot \nabla \right)\mathbf {E} =\nabla \left({\frac {1}{2}}E^{2}\right)-\mathbf {E} \times \left(\nabla \times \mathbf {E} \right)$
2. $\nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}$

सबसे पहले, उपरोक्त बल समीकरण में पहले पद के लिए सदिश समानता सम्मिलित की जाएगी। सदिश समानता में दूसरे पद के लिए मैक्सवेल के समीकरण को प्रतिस्थापित किया जाएगा। फिर जिन दो शब्दों में समय व्युत्पन्न होता है उन्हें एक ही शब्द में जोड़ा जा सकता है।

${\begin{aligned}\mathbf {F} &=\alpha \left[{\frac {1}{2}}\nabla E^{2}-\mathbf {E} \times \left(\nabla \times \mathbf {E} \right)+{\frac {d\mathbf {E} }{dt}}\times \mathbf {B} \right]\\&=\alpha \left[{\frac {1}{2}}\nabla E^{2}-\mathbf {E} \times \left(-{\frac {d\mathbf {B} }{dt}}\right)+{\frac {d\mathbf {E} }{dt}}\times \mathbf {B} \right]\\&=\alpha \left[{\frac {1}{2}}\nabla E^{2}+{\frac {d}{dt}}\left(\mathbf {E} \times \mathbf {B} \right)\right].\\\end{aligned}}$

अंतिम समानता में दूसरा शब्द एक मात्रा का समय व्युत्पन्न है जो गुणक स्थिरांक के माध्यम से पॉयंटिंग वेक्टर से संबंधित है, जो एक सतह से गुजरने वाली प्रति इकाई क्षेत्र की शक्ति का वर्णन करता है। चूंकि लेज़र की प्रकाश ~ 10 की आवृत्ति की तुलना में फ़्रीक्वेंसी पर सैंपलिंग करते समय लेज़र की शक्ति स्थिर होती है¹⁴ हर्ट्ज, इस शब्द का व्युत्पन्न औसत शून्य है और बल को इस रूप में लिखा जा सकता है

$\mathbf {F} ={\frac {1}{2}}\alpha \nabla E^{2}={\frac {2\pi n_{0}a^{3}}{c}}\left({\frac {m^{2}-1}{m^{2}+2}}\right)\nabla I(\mathbf {r} ),$

जहां दूसरे भाग में हमने एक गोलाकार ढांकता हुआ कण के प्रेरित द्विध्रुवीय पल (एमकेएस इकाइयों में) को शामिल किया है: $\mathbf {p} =\alpha \mathbf {E} (\mathbf {r} ,t)=4\pi n_{1}^{2}\epsilon _{0}a^{3}(m^{2}-1)/(m^{2}+2)\mathbf {E} (\mathbf {r} ,t)$, कहाँ $a$ कण त्रिज्या है, $n_{0}$ कण के अपवर्तन का सूचकांक है और $m=n_{0}/n_{1}$ कण और माध्यम के बीच सापेक्ष अपवर्तक सूचकांक है। विद्युत क्षेत्र के परिमाण का वर्ग स्थिति के फलन के रूप में किरण की तीव्रता के बराबर होता है। इसलिए, परिणाम इंगित करता है कि ढांकता हुआ कण पर बल, जब बिंदु द्विध्रुव के रूप में माना जाता है, बीम की तीव्रता के साथ ढाल के समानुपाती होता है। दूसरे शब्दों में, यहाँ वर्णित ढाल बल कण को ​​उच्चतम तीव्रता के क्षेत्र में आकर्षित करता है। वास्तव में, प्रकाश का प्रकीर्णन बल ट्रैप की अक्षीय दिशा में ढाल बल के विरुद्ध काम करता है, जिसके परिणामस्वरूप एक संतुलन स्थिति होती है जो अधिकतम तीव्रता से थोड़ा नीचे की ओर विस्थापित होती है। रेले सन्निकटन के तहत, हम प्रकीर्णन बल को इस रूप में भी लिख सकते हैं

$\mathbf {F} _{\text{scat}}(\mathbf {r} )={\frac {k^{4}\alpha ^{2}}{6\pi cn_{0}^{3}\epsilon _{0}^{2}}}I(\mathbf {r} ){\hat {z}}={\frac {8\pi n_{0}k^{4}a^{6}}{3c}}\left({\frac {m^{2}-1}{m^{2}+2}}\right)^{2}I(\mathbf {r} ){\hat {z}}.$

चूंकि प्रकीर्णन समदैशिक है, शुद्ध संवेग आगे की दिशा में स्थानांतरित होता है। क्वांटम स्तर पर, हम ढाल बल को फॉरवर्ड रेले स्कैटरिंग के रूप में चित्रित करते हैं जिसमें समान फोटॉन बनाए जाते हैं और समवर्ती रूप से नष्ट हो जाते हैं, जबकि स्कैटरिंग (विकिरण) में घटना फोटॉन एक ही दिशा में यात्रा करते हैं और आइसोट्रोपिक रूप से 'स्कैटर' करते हैं। संवेग के संरक्षण के द्वारा, कण को ​​फोटॉन के मूल संवेग को संचित करना चाहिए, जिससे बाद में एक अग्र बल उत्पन्न होता है।

हार्मोनिक संभावित सन्निकटन

गॉसियन बीम में एक परमाणु की बातचीत का अध्ययन करने का एक उपयोगी तरीका यह है कि परमाणु द्वारा अनुभव की जाने वाली तीव्रता प्रोफ़ाइल के हार्मोनिक संभावित सन्निकटन को देखें। दो-स्तरीय परमाणु के मामले में, अनुभव की गई क्षमता इसके ऑटलर-टाउन प्रभाव #ऑप्टिकल डिपोल ट्रैप (सुदूर अनुनाद ट्रैप) से संबंधित है।

$\mathbf {\Delta E} _{\text{AC Stark}}={\frac {3\pi c^{2}\Gamma \mu }{2\omega _{0}^{3}\delta }}\mathbf {I(r,z)}$

कहाँ $\Gamma$ उत्तेजित अवस्था की प्राकृतिक रेखा चौड़ाई है, $\mu$ विद्युत द्विध्रुवीय युग्मन है, $\omega _{o}$ संक्रमण की आवृत्ति है, और $\delta$ लेज़र फ़्रीक्वेंसी और ट्रांज़िशन फ़्रीक्वेंसी के बीच का अंतर या अंतर है।

गॉसियन बीम प्रोफाइल की तीव्रता तरंग दैर्ध्य द्वारा विशेषता है $(\lambda )$, न्यूनतम कमर $(w_{o})$, और बीम की शक्ति $(P_{o})$. निम्नलिखित सूत्र बीम प्रोफाइल को परिभाषित करते हैं:

$I(r,z)=I_{0}\left({\frac {w_{0}}{w(z)}}\right)^{2}e^{-{\frac {2r^{2}}{w^{2}(z)}}}$

$w(z)=w_{0}{\sqrt {1+\left({\frac {z}{z_{R}}}\right)^{2}}}$

$z_{R}={\frac {\pi w_{0}^{2}}{\lambda }}$

$P_{0}={\frac {1}{2}}\pi I_{0}w_{0}^{2}$

बीम के रेडियल और अक्षीय दोनों दिशाओं में इस गॉसियन क्षमता का अनुमान लगाने के लिए, तीव्रता प्रोफ़ाइल को दूसरे क्रम में विस्तारित किया जाना चाहिए $z$ और $r$ के लिए $r=0$ और $z=0$ क्रमशः और हार्मोनिक क्षमता के बराबर ${\frac {1}{2}}m(\omega _{z}^{2}z^{2}+\omega _{r}^{2}r^{2})$. इन विस्तारों का मूल्यांकन निश्चित शक्ति मानकर किया जाता है।

${\frac {1}{2!}}{\frac {\partial ^{2}I}{\partial z^{2}}}{\Biggr |}_{r,z=0}z^{2}={\frac {2P_{0}\lambda ^{2}}{\pi ^{3}w_{0}^{6}}}z^{2}={\frac {1}{2}}m\omega _{z}^{2}z^{2}$

${\frac {1}{2!}}{\frac {\partial ^{2}I}{\partial r^{2}}}{\Biggr |}_{r,z=0}r^{2}={\frac {4P_{0}}{\pi w_{0}^{4}}}r^{2}={\frac {1}{2}}m\omega _{r}^{2}r^{2}$

इसका मतलब यह है कि हार्मोनिक आवृत्तियों (या परमाणुओं के लिए ऑप्टिकल जाल पर विचार करते समय जाल आवृत्तियों) के लिए हल करते समय, आवृत्तियों को इस प्रकार दिया जाता है:

$\omega _{r}={\sqrt {\frac {8P_{0}}{\pi mw_{0}^{4}}}}$

$\omega _{z}={\sqrt {\frac {4P_{0}\lambda ^{2}}{m\pi ^{3}w_{0}^{6}}}}$

ताकि रेडियल और अक्षीय दिशाओं के सापेक्ष जाल आवृत्तियों को केवल बीम कमर पैमाने के एक समारोह के रूप में:

${\frac {\omega _{r}}{\omega _{z}}}={\sqrt {2}}{\frac {w_{0}\pi }{\lambda }}$

ऑप्टिकल लेविटेशन

हवा में कण को ​​​​उठाने के लिए, गुरुत्वाकर्षण के नीचे की ओर फोटॉन संवेग हस्तांतरण से उपजी ताकतों द्वारा मुकाबला किया जाना चाहिए। आमतौर पर पर्याप्त तीव्रता के एक केंद्रित लेजर बीम का फोटॉन विकिरण दबाव गुरुत्वाकर्षण के नीचे की ओर बल का मुकाबला करता है जबकि पार्श्व (साइड टू साइड) और लंबवत अस्थिरता को रोकता है ताकि निलंबन में छोटे कणों को रखने में सक्षम स्थिर ऑप्टिकल जाल की अनुमति मिल सके।

माइक्रोमीटर आकार (व्यास में कई से 50 माइक्रोमीटर तक) पारदर्शी ढांकता हुआ गोले जैसे फ्युज़्ड सिलिका गोले, तेल या पानी की बूंदों का उपयोग इस प्रकार के प्रयोग में किया जाता है। लेजर विकिरण तरंगदैर्ध्य में तय किया जा सकता है जैसे आर्गन आयन लेजर या ट्यून करने योग्य डाई लेजर। लेजर पावर (भौतिकी) की आवश्यकता 1 वाट के क्रम में होती है जो कई दसियों माइक्रोमीटर के स्पॉट आकार पर केंद्रित होती है। कई शोध समूहों द्वारा एक गोलाकार ऑप्टिकल गुहा में आकारिकी-निर्भर अनुनादों से संबंधित घटनाओं का अध्ययन किया गया है।

एक चमकदार वस्तु के लिए, जैसे कि एक धात्विक सूक्ष्म क्षेत्र, स्थिर ऑप्टिकल लेविटेशन प्राप्त नहीं किया गया है। मैक्रोस्कोपिक ऑब्जेक्ट का ऑप्टिकल लेविटेशन भी सैद्धांतिक रूप से संभव है, और नैनो-संरचना के साथ बढ़ाया जा सकता है। जिन सामग्रियों को सफलतापूर्वक उत्तोलित किया गया है उनमें काली शराब, एल्यूमीनियम ऑक्साइड, टंगस्टन और निकल शामिल हैं।

सेटअप

केवल सबसे बुनियादी घटकों के साथ एक सामान्य ऑप्टिकल ट्वीज़र आरेख।

सबसे बुनियादी ऑप्टिकल ट्वीज़र सेटअप में संभवतः निम्नलिखित घटक शामिल होंगे: एक लेज़र (आमतौर पर Nd:YAG लेज़र|Nd:YAG), एक बीम एक्सपैंडर, सैंपल प्लेन में बीम स्थान को चलाने के लिए उपयोग किए जाने वाले कुछ ऑप्टिक्स, एक ऑब्जेक्टिव (ऑप्टिक्स) और कंडेनसर (माइक्रोस्कोप) नमूना विमान में जाल बनाने के लिए, बीम विस्थापन को मापने के लिए एक स्थिति डिटेक्टर (जैसे क्वाड्रेंट photodiode ) और एक सीसीडी कैमरा के लिए एक माइक्रोस्कोप रोशनी स्रोत।

एक एन डी: वाईएजी लेजर (1064 एनएम वेवलेंथ) जैविक नमूनों के साथ काम करने के लिए लेजर का एक आम विकल्प है। ऐसा इसलिए है क्योंकि इस तरह के नमूने (ज्यादातर पानी होते हैं) में इस तरंग दैर्ध्य पर कम अवशोषण गुणांक होता है। कम अवशोषण की सलाह दी जाती है ताकि जैविक सामग्री को होने वाले नुकसान को कम किया जा सके, जिसे कभी-कभी ऑप्टीक्यूशन कहा जाता है। शायद ऑप्टिकल ट्वीजर डिजाइन में सबसे महत्वपूर्ण विचार उद्देश्य का चुनाव है। एक स्थिर ट्रैप के लिए आवश्यक है कि ग्रेडिएंट बल, जो कि संख्यात्मक छिद्र | न्यूमेरिकल अपर्चर (NA) पर निर्भर है, बिखरने वाले बल से अधिक हो। उपयुक्त उद्देश्यों में आमतौर पर एनए 1.2 और 1.4 के बीच होता है। जबकि विकल्प उपलब्ध हैं, स्थिति का पता लगाने के लिए शायद सबसे आसान तरीका नमूना कक्ष से बाहर निकलने वाले फँसाने वाले लेजर को चतुर्थांश फोटोडायोड पर इमेजिंग करना शामिल है। बीम के पार्श्व विक्षेपण को इसी तरह मापा जाता है कि इसे परमाणु बल माइक्रोस्कोपी | परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (AFM) का उपयोग करके कैसे किया जाता है।

उद्देश्य के छिद्र को भरने के लिए लेजर से उत्सर्जित बीम का विस्तार करने से एक तंग, विवर्तन-सीमित स्थान प्राप्त होगा। जबकि नमूने के सापेक्ष ट्रैप का पार्श्व अनुवाद माइक्रोस्कोप स्लाइड के अनुवाद द्वारा पूरा किया जा सकता है, अधिकांश ट्वीज़र सेटअप में अतिरिक्त ऑप्टिक्स होते हैं जिन्हें बीम का अनुवाद करने के लिए ट्रांसलेशनल स्वतंत्रता की एक अतिरिक्त डिग्री देने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह चित्र में बीम स्टीयरिंग के रूप में लेबल किए गए दो लेंसों में से पहले का अनुवाद करके किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, पार्श्व विमान में उस लेंस के अनुवाद के परिणामस्वरूप चित्र में खींचे गए बीम से एक पार्श्व विक्षेपित बीम होगा। यदि बीम स्टीयरिंग लेंस और उद्देश्य के बीच की दूरी को ठीक से चुना गया है, तो यह उद्देश्य में प्रवेश करने से पहले एक समान विक्षेपण और नमूना विमान में पार्श्व अनुवाद के अनुरूप होगा। बीम कमर की स्थिति, जो कि ऑप्टिकल ट्रैप का फोकस है, को प्रारंभिक लेंस के अक्षीय विस्थापन द्वारा समायोजित किया जा सकता है। इस तरह के एक अक्षीय विस्थापन के कारण बीम थोड़ा अलग या परिवर्तित हो जाता है, जिसका अंतिम परिणाम नमूना कक्ष में बीम कमर की अक्षीय रूप से विस्थापित स्थिति है। नमूना विमान का विज़ुअलाइज़ेशन आमतौर पर एक अलग प्रकाश स्रोत के माध्यम से रोशनी के माध्यम से पूरा किया जाता है, जो डाइक्रोइक फिल्टर का उपयोग करके विपरीत दिशा में ऑप्टिकल पथ में युग्मित होता है। यह प्रकाश एक सीसीडी कैमरे पर होता है और इसे बाहरी मॉनिटर पर देखा जा सकता है या वीडियो ट्रैकिंग के माध्यम से फंसे हुए कण की स्थिति पर नज़र रखने के लिए उपयोग किया जाता है।

वैकल्पिक लेजर बीम मोड

अधिकांश ऑप्टिकल ट्वीज़र्स अनुप्रस्थ मोड | पारंपरिक मंदिर का उपयोग करते हैं₀₀ गॉसियन बीम। हालाँकि, कणों को नियन्त्रित के लिए कई अन्य बीम प्रकारों का उपयोग किया गया है, जिनमें उच्च क्रम के लेजर बीम शामिल हैं, जैसे कि हर्मिट-गाऊसी मोड | हर्मिट-गॉसियन बीम (टीईएम)।_xy), लैगुएरे-गॉसियन मोड | लैगुएरे-गॉसियन (एलजी) बीम (टीईएम_pl) और बेसेल बीम।

लैगुएरे-गॉसियन बीम पर आधारित ऑप्टिकल ट्वीज़र्स में कणों को फँसाने की अद्वितीय क्षमता होती है जो वैकल्पिक रूप से परावर्तक और अवशोषणशील होते हैं। लैगुएरे-गॉसियन बीम में प्रकाश की एक अच्छी तरह से परिभाषित कक्षीय कोणीय गति भी होती है जो कणों को घुमा सकती है। यह बीम के बाहरी मैकेनिकल या इलेक्ट्रिकल स्टीयरिंग के बिना पूरा किया जाता है।

शून्य और उच्चतर दोनों क्रम के बेसेल बीम्स में भी एक अद्वितीय ट्वीज़र्स की क्षमता होती है। वे ऐसे कई कणों को पकड़ सकते हैं और घुमा सकते हैं जो मिलीमीटर दूर हैं और यहां तक ​​कि बाधाओं के आसपास भी। स्पिन (भौतिकी) और प्रकाश की कक्षीय कोणीय गति के कारण आंतरिक घूर्णन तंत्र के कारण इन अद्वितीय ऑप्टिकल बीमों द्वारा माइक्रोमशीन को संचालित किया जा सकता है।

बहुसंकेतन ऑप्टिकल ट्वीज़र्स

एक विशिष्ट सेटअप एक या दो जाल बनाने के लिए एक लेज़र का उपयोग करता है। आमतौर पर, लेजर बीम को दो ऑर्थोगोनली पोलराइज़्ड बीम में विभाजित करके दो जाल उत्पन्न होते हैं। दो से अधिक जाल के साथ ऑप्टिकल ट्वीज़र्स संचालन या तो कई ऑप्टिकल ट्वीज़र्स के बीच एक एकल लेजर बीम को समय-साझा करके महसूस किया जा सकता है, या विवर्तनिक रूप से बीम को कई जालों में विभाजित करके। ध्वनिक-ऑप्टिक विक्षेपकों या बिजली की शक्ति नापने का यंत्र -चालित दर्पणों के साथ, एक एकल लेज़र बीम को फोकल प्लेन में सैकड़ों ऑप्टिकल ट्वीज़र्स के बीच साझा किया जा सकता है, या फिर एक विस्तारित एक-आयामी जाल में फैल सकता है। विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए विवर्तनिक ऑप्टिकल तत्व एक एकल इनपुट बीम को मनमाने ढंग से त्रि-आयामी कॉन्फ़िगरेशन में सैकड़ों लगातार प्रकाशित जाल में विभाजित कर सकते हैं। जाल बनाने वाला होलोग्राम भी प्रत्येक जाल की मोड संरचना को व्यक्तिगत रूप से निर्दिष्ट कर सकता है, जिससे उदाहरण के लिए ऑप्टिकल भंवरों, ऑप्टिकल ट्वीज़र्स और होलोग्राफिक लाइन जाल की सरणियाँ बन सकती हैं। जब एक स्थानिक प्रकाश न्यूनाधिक के साथ लागू किया जाता है, तो ऐसे होलोग्राफिक ऑप्टिकल ट्रैप भी वस्तुओं को तीन आयामों में स्थानांतरित कर सकते हैं। मनमाने ढंग से स्थानिक प्रोफाइल के साथ होलोग्राफिक ऑप्टिकल ट्रैप के उन्नत रूप, जहां तीव्रता और चरण की चिकनाई को नियंत्रित किया जाता है, विज्ञान के कई क्षेत्रों में माइक्रोमैनिपुलेशन से लेकर अल्ट्राकोल्ड परमाणुओं तक अनुप्रयोगों को ढूंढते हैं। क्वांटम कंप्यूटरों की प्राप्ति के लिए अल्ट्राकोल्ड परमाणुओं का भी उपयोग किया जा सकता है।

एकल मोड प्रकाशित तंतु

मानक फाइबर ऑप्टिकल ट्रैप ऑप्टिकल ट्रैपिंग के समान सिद्धांत पर निर्भर करता है, लेकिन गॉसियन लेजर बीम के साथ ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से वितरित किया जाता है। यदि ऑप्टिकल फाइबर के एक छोर को एक लेंस (ऑप्टिक्स) की तरह के पहलू में ढाला जाता है, तो सिंगल मोड मानक फाइबर द्वारा ले जाने वाले लगभग गॉसियन बीम को फाइबर टिप से कुछ दूरी पर केंद्रित किया जाएगा। ऐसी असेंबली का प्रभावी न्यूमेरिकल एपर्चर आमतौर पर पूर्ण 3डी ऑप्टिकल ट्रैप की अनुमति देने के लिए पर्याप्त नहीं है, लेकिन केवल 2डी ट्रैप के लिए (ऑब्जेक्ट्स का ऑप्टिकल ट्रैपिंग और हेरफेर तभी संभव होगा, जब वे किसी सतह के संपर्क में हों)। एक फाइबर पर आधारित एक सच्चा 3डी ऑप्टिकल ट्रैपिंग, एक ट्रैपिंग बिंदु के साथ जो फाइबर टिप के साथ लगभग संपर्क में नहीं है, एक गैर-मानक कुंडलाकार-कोर फाइबर व्यवस्था और कुल-आंतरिक-प्रतिबिंब ज्यामिति के आधार पर महसूस किया गया है। दूसरी ओर, यदि फाइबर के सिरों को ढाला नहीं जाता है, तो फाइबर से निकलने वाला लेजर डायवर्जिंग होगा और इस प्रकार एक स्थिर ऑप्टिकल ट्रैप को केवल ग्रेडिएंट और फाइबर के दो विपरीत सिरों से बिखरने वाली शक्ति को संतुलित करके महसूस किया जा सकता है। ढाल बल अनुप्रस्थ दिशा में कणों को फँसाएगा, जबकि घूर्णन ऑप्टिकल बल का अक्ष दो तंतुओं से निकलने वाले दो काउंटर प्रसार बीमों के प्रकीर्णन बल से आता है। इस तरह के फंसे हुए मनका की संतुलन जेड-स्थिति वह जगह है जहां दो प्रकीर्णन बल एक दूसरे के बराबर होते हैं। इस कार्य का नेतृत्व ए. कांस्टेबल एट अल., ऑप्ट ने किया था। लेट। '18', 1867 (1993), और उसके बाद जे.गक एट अल।, फिज। रेव लेट। '84', 5451 (2000), जिन्होंने सूक्ष्मकणों को फैलाने के लिए इस तकनीक का उपयोग किया। फाइबर के दो सिरों में इनपुट शक्ति में हेरफेर करके, एक ऑप्टिकल स्ट्रेचिंग की वृद्धि होगी जिसका उपयोग कोशिकाओं के विस्कोलेस्टिक गुणों को मापने के लिए किया जा सकता है, संवेदनशीलता के साथ अलग-अलग व्यक्तिगत साइटोस्केलेटल फेनोटाइप के बीच अंतर करने के लिए पर्याप्त है। यानी मानव एरिथ्रोसाइट्स और माउस फाइब्रोब्लास्ट। हाल ही में किए गए एक परीक्षण में दो विपरीत, गैर-केंद्रित लेजर बीम से गैर-कैंसर वाले कैंसर कोशिकाओं को अलग करने में बड़ी सफलता देखी गई है।

मल्टीमोड फाइबर आधारित जाल

ऑप्टिकल सेल रोटेटर एक फाइबर आधारित लेजर ट्रैप है जो टोमोग्राफिक माइक्रोस्कोपी के लिए जीवित कोशिकाओं को पकड़ सकता है और ठीक से उन्मुख कर सकता है।

जबकि फाइबर-आधारित लेजर ट्रैप के पहले के संस्करण में विशेष रूप से सिंगल मोड बीम का उपयोग किया गया था, एम। क्रेसिंग और उनके सहयोगियों ने हाल ही में दिखाया कि ऑप्टिकल फाइबर के एक छोटे टुकड़े में आगे के ऑप्टिकल मोड का सावधानीपूर्वक उत्तेजना गैर-तुच्छ जाल ज्यामिति की प्राप्ति की अनुमति देता है। इसके द्वारा शोधकर्ता सूक्ष्मदर्शी पर विभिन्न मानव कोशिका प्रकारों (व्यक्तिगत कोशिकाओं और समूहों) को उन्मुख करने में सक्षम थे। मानक ऑप्टिकल ट्वीज़र्स पर तथाकथित ऑप्टिकल सेल रोटेटर तकनीक का मुख्य लाभ इमेजिंग ऑप्टिक्स से ट्रैपिंग का डिकूप्लिंग है। यह, इसका मॉड्यूलर डिजाइन, और जैविक सामग्री के साथ डाइवर्जेंट लेजर ट्रैप की उच्च संगतता चिकित्सा अनुसंधान और जीवन विज्ञान में इस नई पीढ़ी के लेजर ट्रैप की महान क्षमता को इंगित करती है। हाल ही में, ऑप्टिकल सेल रोटेटर तकनीक को अनुकूली प्रकाशिकी के आधार पर लागू किया गया था, जो ऑपरेशन के दौरान ऑप्टिकल जाल को गतिशील रूप से पुन: कॉन्फ़िगर करने और इसे नमूने के अनुकूल बनाने की अनुमति देता है।

सेल छँटाई

अधिक सामान्य सेल-सॉर्टिंग सिस्टम में से एक प्रतिदीप्ति-सक्रिय सेल सॉर्टिंग के माध्यम से फ्लो साइटोमेट्री का उपयोग करता है। इस पद्धति में, सहायक प्रवाह के दौरान प्रत्येक कोशिका की विशिष्ट फ्लोरोसेंट विशेषताओं के आधार पर जैविक कोशिकाओं के निलंबन को दो या अधिक कंटेनरों में क्रमबद्ध किया जाता है। एक विद्युत आवेश का उपयोग करके जिसमें सेल फंसा हुआ है, तब कोशिकाओं को प्रतिदीप्ति तीव्रता माप के आधार पर क्रमबद्ध किया जाता है। छँटाई प्रक्रिया एक इलेक्ट्रोस्टैटिक विक्षेपण प्रणाली द्वारा की जाती है जो कोशिकाओं को उनके चार्ज के आधार पर कंटेनरों में बदल देती है।

वैकल्पिक रूप से सक्रिय छँटाई प्रक्रिया में, कोशिकाओं को एक ऑप्टिकल परिदृश्य यानी 2D या 3D ऑप्टिकल लैटिस में प्रवाहित किया जाता है। किसी भी प्रेरित विद्युत आवेश के बिना, कोशिकाएँ अपने आंतरिक अपवर्तक सूचकांक गुणों के आधार पर क्रमबद्ध होंगी और गतिशील छँटाई के लिए पुन: विन्यास योग्य हो सकती हैं। विवर्तनिक प्रकाशिकी और ऑप्टिकल तत्वों का उपयोग करके एक ऑप्टिकल जाली बनाई जा सकती है।

दूसरी ओर, के. लदावैक एट अल। ऑप्टिकल छँटाई प्रक्रिया को सक्षम करने के लिए एक तीव्रता पैटर्न को प्रोजेक्ट करने के लिए एक स्थानिक प्रकाश न्यूनाधिक का उपयोग किया। के. जिओ और डी.जी. ग्रायर ने होलोग्राफिक वीडियो माइक्रोस्कोपी को प्रदर्शित करने के लिए लागू किया कि यह तकनीक आकार और अपवर्तक सूचकांक के लिए भाग-प्रति-हजार रिज़ॉल्यूशन वाले कोलाइडल क्षेत्रों को सॉर्ट कर सकती है। छँटाई के लिए मुख्य तंत्र ऑप्टिकल जाली बिंदुओं की व्यवस्था है। ऑप्टिकल जाली के माध्यम से सेल प्रवाह के रूप में, कणों को खींचने वाले बल के कारण बल होते हैं जो ऑप्टिकल ढाल बल (ऑप्टिकल ट्वीज़र्स के भौतिकी देखें) के साथ सीधे ऑप्टिकल जाली बिंदु से प्रतिस्पर्धा कर रहे हैं। ऑप्टिकल जाली बिंदु की व्यवस्था को स्थानांतरित करके, एक पसंदीदा ऑप्टिकल पथ होता है जहां ऑप्टिकल बल प्रभावी और पक्षपाती होते हैं। कोशिकाओं के प्रवाह की सहायता से, एक परिणामी बल होता है जो उस पसंदीदा ऑप्टिकल पथ के साथ निर्देशित होता है। इसलिए, ऑप्टिकल ढाल बल के साथ प्रवाह दर का संबंध है। दो बलों को समायोजित करके, एक अच्छी ऑप्टिकल छँटाई दक्षता प्राप्त करने में सक्षम होगा।

छँटाई के वातावरण में बलों की प्रतिस्पर्धा को उच्च कुशल ऑप्टिकल छँटाई में सफल होने के लिए ठीक ट्यूनिंग की आवश्यकता होती है। आवश्यकता मुख्य रूप से बलों के संतुलन के संबंध में है; तीव्रता स्थान की व्यवस्था के कारण द्रव प्रवाह और ऑप्टिकल ढाल बल के कारण बल खींचें।

सेंट एंड्रयूज विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों को ऑप्टिकल सॉर्टिंग मशीन के लिए यूके इंजीनियरिंग और भौतिक विज्ञान अनुसंधान परिषद (ईपीएसआरसी) से काफी धन प्राप्त हुआ है। यह नई तकनीक पारंपरिक प्रतिदीप्ति-सक्रिय सेल छँटाई को टक्कर दे सकती है।

क्षणभंगुर क्षेत्र

एक क्षणभंगुर लहर एक अवशिष्ट प्रकाशीय क्षेत्र है जो पूर्ण आंतरिक परावर्तन के दौरान रिसता है। प्रकाश का यह रिसाव एक घातीय दर पर फीका पड़ जाता है। क्षणभंगुर क्षेत्र ने नैनोमीटर रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग (माइक्रोस्कोपी) में कई अनुप्रयोग पाए हैं; ऑप्टिकल माइक्रोमैनीपुलेशन (ऑप्टिकल ट्वीज़र्स) अनुसंधान में पहले से कहीं अधिक प्रासंगिक होते जा रहे हैं।

ऑप्टिकल ट्वीज़र्स में, जब प्रकाश एक ऑप्टिकल वेवगाइड (एकाधिक कुल आंतरिक प्रतिबिंब) के माध्यम से फैलता है तो एक सतत क्षणभंगुर क्षेत्र बनाया जा सकता है। परिणामी क्षणभंगुर क्षेत्र में एक दिशात्मक बोध होता है और यह माइक्रोपार्टिकल्स को इसके प्रसार पथ के साथ आगे बढ़ाएगा। इस काम को सबसे पहले 1992 में एस. कवाता और टी. सुगियुरा ने आगे बढ़ाया था, जिन्होंने दिखाया था कि क्षेत्र को 100 नैनोमीटर के क्रम में निकटता में कणों से जोड़ा जा सकता है। क्षेत्र के इस प्रत्यक्ष युग्मन को प्रिज्म से लेकर माइक्रोपार्टिकल्स तक के अंतराल में फोटॉन टनलिंग के एक प्रकार के रूप में माना जाता है। नतीजा एक दिशात्मक ऑप्टिकल प्रोपेलिंग बल है।

क्षणभंगुर क्षेत्र ऑप्टिकल ट्वीज़र्स का एक हालिया अद्यतन संस्करण एक वेवगाइड का उपयोग किए बिना एक साथ बड़ी संख्या में कणों को एक पसंदीदा दिशा में निर्देशित करने के लिए विस्तारित ऑप्टिकल परिदृश्य पैटर्न का उपयोग करता है। इसे लेंसलेस ऑप्टिकल ट्रैपिंग (LOT) कहा जाता है। कणों की क्रमबद्ध गति रोंची शासन की शुरूआत से सहायता प्राप्त होती है जो अच्छी तरह से परिभाषित ऑप्टिकल संभावित कुएं (वेवगाइड की जगह) बनाती है। इसका मतलब यह है कि रैखिक चमकदार फ्रिंजों द्वारा फंसने के दौरान कणों को वाष्पशील क्षेत्र द्वारा प्रेरित किया जाता है। फिलहाल, ऐसे वैज्ञानिक भी हैं जो केंद्रित क्षणिक क्षेत्रों पर भी काम कर रहे हैं।

एक अन्य दृष्टिकोण जो हाल ही में प्रस्तावित किया गया है, सतह के प्लास्मों का उपयोग करता है, जो एक धातु / ढांकता हुआ इंटरफ़ेस पर स्थानीयकृत एक बढ़ी हुई तरंग है। कोलाइडल कणों द्वारा अनुभव किया गया बढ़ा हुआ बल क्षेत्र सतह के प्लास्मों के संपर्क में है एक सपाट धातु/ढांकता हुआ इंटरफ़ेस पहली बार एक फोटोनिक बल माइक्रोस्कोप का उपयोग करके मापा गया है, कुल बल परिमाण सामान्य क्षणिक तरंग की तुलना में 40 गुना अधिक मजबूत पाया जा रहा है। सोने के सूक्ष्म द्वीपों के साथ सतह को पैटर्न करके इन द्वीपों में चयनात्मक और समानांतर जाल लगाना संभव है। बाद वाले ऑप्टिकल ट्वीज़र्स की ताकतें फेमटोन्यूटन रेंज में होती हैं। क्षणभंगुर क्षेत्र का उपयोग ऑप्टिकल वेवगाइड या ऑप्टिकल नैनोफाइबर की सतह के पास अल्ट्राकोल्ड परमाणु और अणुओं को फंसाने के लिए भी किया जा सकता है।

अप्रत्यक्ष दृष्टिकोण

मिंग वू, कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग और कंप्यूटर विज्ञान के बर्कले प्रोफेसर ने नए ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक ट्वीज़र्स का आविष्कार किया।

वू ने कम शक्ति वाले प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी) से ऑप्टिकल ऊर्जा को एक फोटोकंडक्टिव सतह के माध्यम से विद्युत ऊर्जा में बदल दिया। विचार यह है कि एलईडी को ठीक प्रक्षेपण के माध्यम से फोटोकंडक्टिव सामग्री को चालू और बंद करने की अनुमति दी जाए। चूंकि ऑप्टिकल प्रक्षेपण के माध्यम से ऑप्टिकल पैटर्न आसानी से परिवर्तनीय हो सकता है, यह विधि विभिन्न ऑप्टिकल परिदृश्यों को स्विच करने की उच्च लचीलापन की अनुमति देती है।

हेरफेर/ट्वीज़र्स प्रक्रिया प्रकाश पैटर्न द्वारा क्रियान्वित विद्युत क्षेत्र के बीच भिन्नताओं द्वारा की जाती है। इसके प्रेरित विद्युत द्विध्रुव के कारण कणों को या तो आकर्षित किया जाएगा या सक्रिय बिंदु से हटा दिया जाएगा। एक तरल में निलंबित कण विद्युत क्षेत्र प्रवणता के लिए अतिसंवेदनशील होंगे, इसे डाइइलेक्ट्रोफोरेसिस के रूप में जाना जाता है।

एक स्पष्ट लाभ यह है कि विभिन्न प्रकार की कोशिकाओं के बीच विद्युत चालकता भिन्न होती है। जीवित कोशिकाओं में कम प्रवाहकीय माध्यम होता है जबकि मृत कोशिकाओं में न्यूनतम या कोई प्रवाहकीय माध्यम नहीं होता है। प्रणाली एक ही समय में लगभग 10,000 कोशिकाओं या कणों में हेरफेर करने में सक्षम हो सकती है।

इस नई तकनीक पर प्रोफेसर किशन ढोलकिया की टिप्पणियां देखें, के. ढोलकिया, प्रकृति सामग्री 4, 579-580 (01 अगस्त 2005) समाचार और दृश्य।

सिस्टम 10 माइक्रोवाट से कम के ऑप्टिकल पावर आउटपुट का उपयोग करके जीवित ई. कोलाई बैक्टीरिया और 20-माइक्रोमीटर-चौड़े कणों को स्थानांतरित करने में सक्षम था। यह [प्रत्यक्ष] ऑप्टिकल ट्वीज़र्स के लिए आवश्यक शक्ति का एक लाखवां हिस्सा है।

ऑप्टिकल ट्वीज़र्स का एक और विशेष रूप से नया प्रकार ऑस्टिन में टेक्सास विश्वविद्यालय में यूबिंग झेंग द्वारा आविष्कार किया गया ऑप्टोथर्मल ट्वीज़र्स है। रणनीति एक तापमान ढाल बनाने के लिए प्रकाश का उपयोग करना है और ऑप्टिकल ट्रैपिंग के लिए पदार्थ के थर्मोफोरेटिक माइग्रेशन का फायदा उठाना है। टीम ने नॉन-इनवेसिव ऑप्टिकल ट्रैपिंग और हेरफेर के लिए थर्मल नुकसान से बचने के लिए ऑप्टो-रेफ्रिजरेटिव ट्वीज़र्स विकसित करने के लिए लेजर कूलिंग के साथ थर्मोफोरेसिस को और एकीकृत किया।

ऑप्टिकल बाइंडिंग

जब माइक्रोपार्टिकल्स का एक समूह एक मोनोक्रोमैटिक लेजर बीम के भीतर फंस जाता है, तो ऑप्टिकल ट्रैपिंग के भीतर माइक्रोपार्टिकल्स का संगठन माइक्रोपार्टिकल्स के बीच ऑप्टिकल ट्रैपिंग बलों के पुनर्वितरण पर बहुत अधिक निर्भर होता है। माइक्रोपार्टिकल्स के क्लस्टर के बीच प्रकाश बलों का यह पुनर्वितरण पूरे क्लस्टर पर एक नया बल संतुलन प्रदान करता है। इस प्रकार हम कह सकते हैं कि सूक्ष्मकणों का समूह प्रकाश द्वारा कुछ हद तक एक साथ बंधा हुआ है। माइकल एम. बर्न्स, जीन-मार्क फोरनियर, और जेने ए. गोलोवचेंको द्वारा ऑप्टिकल बाइंडिंग के पहले प्रायोगिक साक्ष्यों में से एक की सूचना दी गई थी। हालांकि मूल रूप से इसकी भविष्यवाणी टी. थिरुनामचंद्रन ने की थी। ऑप्टिकल बाइंडिंग पर हाल के कई अध्ययनों में से एक ने दिखाया है कि चिरल नैनोपार्टिकल्स की एक प्रणाली के लिए, बाध्यकारी बलों का परिमाण लेजर बीम के ध्रुवीकरण और स्वयं कणों के परस्पर क्रिया करने की क्षमता पर निर्भर करता है। एनेंटिओमेरिक सेपरेशन और ऑप्टिकल नैनोमैनिपुलेशन जैसे क्षेत्रों में संभावित अनुप्रयोगों के साथ।

प्रतिदीप्ति ऑप्टिकल ट्वीज़र्स

फ्लोरेसेंस प्रदर्शित करने वाले नमूने को एक साथ हेरफेर करने और छवि नमूने के लिए, ऑप्टिकल ट्वीज़र्स को प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोप के साथ बनाया जा सकता है। इस तरह के उपकरण विशेष रूप से तब उपयोगी होते हैं जब एक या छोटी संख्या में जैविक अणुओं का अध्ययन करने की बात आती है जिन्हें फ्लोरोसेंटली लेबल किया गया है, या उन अनुप्रयोगों में जिनमें प्रतिदीप्ति का उपयोग उन वस्तुओं को ट्रैक करने और देखने के लिए किया जाता है जिन्हें फंसाया जाना है।

अत्यधिक कुशल मल्टी-स्टेप एंजाइमैटिक दृष्टिकोण द्वारा उत्पन्न लंबे और मजबूत टीथर का उपयोग करके गतिशील प्रोटीन परिसरों की एक साथ संवेदन और इमेजिंग के लिए इस दृष्टिकोण का विस्तार किया गया है। और कार्रवाई में डिसएग्रीगेशन मशीनों की जांच के लिए आवेदन किया।

ट्वीज़र्स अन्य इमेजिंग तकनीकों के साथ संयुक्त

'मानक' प्रतिदीप्ति ऑप्टिकल ट्वीज़र्स के अलावा अब कई रंग कन्फोकल, वाइडफील्ड, एसटीईडी, एफआरईटी, टीआईआरएफ या आईआरएम के साथ बनाया जा रहा है।

यह मापने जैसे अनुप्रयोगों की अनुमति देता है: प्रोटीन/डीएनए स्थानीयकरण बंधन, प्रोटीन फोल्डिंग, मोटर प्रोटीन बल उत्पादन, साइटोस्केलेटल फिलामेंट्स और मोटर गतिशीलता का दृश्य, सूक्ष्मनलिका गतिशीलता, तरल बूंद (रिओलॉजी) या संलयन में हेरफेर। इन्हें गैर सहसंबद्ध 'अकादमिक' सेटअप में बनाया जा रहा है।

यह भी देखें

• लेविटेशन (भौतिकी)
• लेजर लेख की सूची
• क्वांटम प्रकाशिकी
• परमाणु प्रकाशिकी
• सुसंगत नियंत्रण

बाहरी संबंध

• Video: Levitating DIAMONDS with a laser beam