ऑप्टिकल ट्वीज़र्स

ऑप्टिकल ट्वीज़र्स (मूल रूप से सिंगल-किरण प्रवणता 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 किरण 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) क्रम 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। विपाशन कण आमतौर पर माइक्रोमीटर आकार के या उससे भी छोटे होते हैं। परावैद्युत और अवशोषण (विद्युत चुम्बकीय विकिरण) कण भी प्रगृहीत हो सकते हैं।

जीव विज्ञान और चिकित्सा में ऑप्टिकल ट्वीज़र्स का उपयोग (उदाहरण के लिए एकल जीवाणु, सेल (जीव विज्ञान) जैसे शुक्राणु या रक्त सेल, डीएनए जैसे अणु को नियन्त्रित और नियन्त्रित के लिए), नैनोइंजीनियरिंग और नैनो रसायन (एकल अणु से सामग्री का अध्ययन और निर्माण करने के लिए), क्वांटम प्रकाशिकी और क्वांटम प्रकाश यांत्रिकी (प्रकाश के साथ एकल कणों की अन्तःक्रिया का अध्ययन करने के लिए) किया जाता है।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 प्रकीर्णन और माइक्रोन आकार के कणों पर प्रवणता बलों की खोज की थी। वर्षों बाद, एश्किन और उनके सहयोगियों ने पहले अवलोकन की सूचना दी जिसे अब आमतौर पर ऑप्टिकल ट्वीज़र के रूप में संदर्भित किया जाता है: तीन आयामों में सूक्ष्म कणों को स्थिर रखने में सक्षम प्रकाश का संगठित केंद्रित किरण है। 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 विपाशन पर अपने काम में ऑप्टिकल ट्वीज़र्स का उपयोग करने के लिए आगे बढ़ते है। इस शोध ने चू को 1997 में क्लाउड कोहेन-तन्नौदजी और विलियम डी. फिलिप्स के साथ भौतिकी में नोबेल में अर्जित किया था। साक्षात्कार में, स्टीवन चू ने बताया कि कैसे एश्किन ने पहली बार परमाणुओं को विपाशन की विधि के रूप में ऑप्टिकल ट्वीज़िंग की कल्पना की थी। एश्किन बड़े कणों (व्यास में 10 से 10,000 नैनोमीटर) को विपाशन में सक्षम था, लेकिन अनुनादी लेजर प्रकाश और चुंबकीय प्रवणता ट्रैप (cf. मैग्नेटो-) का उपयोग करके इन तकनीकों को तटस्थ परमाणुओं (0.1 नैनोमीटर व्यास में) के विपाशन के लिए चू पर गिर गया था। 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 व्यक्तिगत टोबेको मोज़ेक वायरस और इशरीकिया कोली जीवाणु को विपाशन के लिए किया गया था। 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 था। 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 बल 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 जीव विज्ञान में कृत्रिम सेल के ऊतक-जैसे नेटवर्क के निर्माण के लिए उनका उपयोग किया जाता है, और बायोकेमिकल प्रतिक्रियाओं को शुरू करने के लिए कृत्रिम झिल्ली को एक साथ संयोजन करने के लिए वे व्यापक रूप से आनुवंशिक अध्ययन और गुणसूत्र संरचना और गतिकी पर अनुसंधान में कार्यरत हैं। 2003 में ऑप्टिकल ट्वीज़र्स की तकनीकों को सेल सॉर्टिंग के क्षेत्र में लागू किया गया था; नमूना क्षेत्र पर बड़ा ऑप्टिकल तीव्रता पैटर्न बनाकर, सेल को उनकी आंतरिक ऑप्टिकल विशेषताओं द्वारा क्रमबद्ध किया जा सकता है। ऑप्टिकल ट्वीज़र्स का उपयोग सेल कंकाल की जांच करने जीवबहुलक के श्यानप्रत्यास्थता गुणों को मापने के लिए, और सेल की गतिशीलता का अध्ययन करने के लिए भी किया गया है। जैव-आणविक परख जिसमें संलग्नी लेपित नैनो-कणों के समूह दोनों वैकल्पिक रूप से विपाशन हैं और ऑप्टिकली पता लगाया गया है, लक्ष्य अणु प्रेरित क्लस्टरिंग के बाद 2011 में प्रस्तावित किया गया था और 2013 में प्रयोगात्मक रूप से प्रदर्शित किया गया था।

कुछ अन्य उपलब्धियाँ भी 2001 में परमाणु को ही विपाशन कर रही हैं, 2010 में स्ट्रॉन्गली इंटरेक्टिंग सिस्टम्स एनटेंगल्ड पेयर्स का विपाशन, 2016 में परमाणुओं के 2-आयामी सरणियों में बड़ी सटीकता साथ ही 2018 में 3-आयामी असेंबलिंग और क्वांटम सिमुलेटर में तकनीक का उपयोग करके 2021में 196 और 256 परमाणुओं के प्रोग्राम योग्य सरणियों को प्राप्त करने के लिए किया गया था।

कपित्सा-डिराक प्रभाव 2001 के दौरान प्रभावी ढंग से प्रदर्शित किया गया था जिसमें कणों के किरण 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

परावैद्युत वस्तुएं किरण के केंद्र की ओर आकर्षित होती हैं, बीम वैस्ट से थोड़ा ऊपर, जैसा कि पाठ में वर्णित है। ऑब्जेक्ट पर लगाया गया बल एक साधारण स्प्रिंग प्रणाली 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 किरण के माध्यम से अत्यंत छोटी बल को लगाकर नैनोमीटर और माइक्रोन आकार के परावैद्युत कणों में परिचालन करने में सक्षम हैं। किरण को आम तौर पर सूक्ष्मदर्शी अभिदृश्य के माध्यम से भेजकर केंद्रित किया जाता है। बीम वैस्ट के रूप में जाना जाने वाला केंद्रित किरण का सबसे छोटा बिंदु, एक बहुत मजबूत विद्युत क्षेत्र प्रवणता होता है। परावैद्युत कण प्रवणता के साथ सबसे मजबूत विद्युत क्षेत्र के क्षेत्र में आकर्षित होते हैं, जो किरण का केंद्र है। लेजर प्रकाश भी किरण के प्रसार की दिशा में किरण 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 वैस्ट 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 परिचालन और पता लगाने में सक्षम हैं। इस कारण से, वे अक्सर उस अणु से जुड़ी किरण पुंज विक्षेपण के साथ अन्तःक्रिया करके एकल अणुओं में परिचालन और अध्ययन करने के लिए उपयोग किए जाते हैं। डीएनए और प्रोटीन और इसके साथ इंटरैक्ट करने वाले प्रकिण्व का आमतौर पर इस तरह अध्ययन किया जाता है।

मात्रात्मक वैज्ञानिक मापन के लिए, अधिकांश ऑप्टिकल जाल इस तरह से संचालित होते हैं कि परावैघ्दुत 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, ऑप्टिकल ट्रैप की तुलना साधारण स्प्रिंग से की जा सकती है, जो हुक के नियम का पालन करता है।

Further information on प्रकाश प्रकीर्णन बल: विकिरण दाब

विस्तृत दृश्य

ऑप्टिकल ट्रैप 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। विपाशन किरण तरंग दैर्घ्य के परिमाण के क्रम के भीतर आयामों की परावैद्युत वस्तुओं के ऑप्टिकल ट्रैप के लिए, एकमात्र सटीक मॉडल में उचित सीमा स्थितियों का उपयोग करके या तो समय पर निर्भर या समय गुणावृत्ति मैक्सवेल समीकरण का उपचार शामिल है।

रे प्रकाशिकी

रे ऑप्टिक्स स्पष्टीकरण (अनफोकस्ड लेजर)। जब किरण पुंज विक्षेपण किरण 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 किरण पुंज विक्षेपण बाद में किरण (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)। किरण पुंज विक्षेपण को लेजर के केंद्र में रखने के अलावा, एक केंद्रित लेजर भी किरण पुंज विक्षेपण 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 किरण पुंज विक्षेपण सामने होता है (बाएं) छवि) या पीछे (दाईं छवि) लेजर फोकस। तो, किरण पुंज विक्षेपण फोकस से थोड़ा पीछे रहेगा, जहां यह बल प्रकीर्णन बल की भरपाई करता है।

ऐसे मामलों में जहां विपाशन कण का व्यास प्रकाश की तरंग दैर्ध्य से काफी अधिक होता है, रे ऑप्टिक्स का उपयोग करके विपाशन 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 परावैद्युत किरण पुंज विक्षेपण 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 तीसरे नियम के अनुसार कण पर समान और विपरीत संवेग परिवर्तन होना चाहिए।

अधिकांश ऑप्टिकल ट्रैप गॉसियन किरण (TEM₀₀मोड) प्रोफाइल तीव्रता के साथ काम करते हैं। इस मामले में, यदि कण किरण के केंद्र से विस्थापित हो जाता है, जैसा कि चित्र के दाहिने हिस्से में है, तो कण के पास शुद्ध बल होता है जो इसे ट्रैप के केंद्र में लौटाता है क्योंकि अधिक तीव्र किरणें किरण की ओर बड़ा गति परिवर्तन प्रदान करती हैं। कम तीव्र किरण की तुलना में ट्रैप का केंद्र, जो ट्रैप केंद्र से दूर एक छोटा गति परिवर्तन प्रदान करता है। शुद्ध संवेग परिवर्तन, या बल, कण को ​​ट्रैप केंद्र में लौटाता है।

यदि कण किरण 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 ट्रैप की अक्षीय दिशा के साथ है, जो लेजर प्रकाश के प्रकीर्णन बल को रद्द कर देता है। प्रकीर्ण बल के साथ इस अक्षीय प्रवणता बल को रद्द करने से किरण पुंज विक्षेपण बीम वैस्ट के थोड़ा नीचे की ओर स्थिर रूप से प्रगृहीत जाता है।

मानक ट्वीज़र्स में प्रचारित विपाशन 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 विपाशन कण का व्यास प्रकाश की तरंग दैर्ध्य की तुलना में काफी छोटा होता है, रेले प्रकीर्णन के लिए स्थितियां संतुष्ट होती हैं और कण को 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,

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

प्रत्येक आवेश के लिए एक द्विध्रुव पर बल की गणना उपरोक्त समीकरण में विद्युत क्षेत्र के लिए दो शब्दों को प्रतिस्थापित करके की जा सकती है। द्विध्रुवीय का ध्रुवण है $\mathbf {p} =q\mathbf {d} ,$ जहाँ$\mathbf {d}$ दो आवेशों के बीच की दूरी है। 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 है। 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 मात्रा का समय व्युत्पन्न है जो गुणक स्थिरांक के माध्यम से पॉयंटिंग सदिश से संबंधित है, जो एक सतह से गुजरने वाली प्रति इकाई क्षेत्र की घात का वर्णन करता है। चूंकि लेज़र की प्रकाश ~ 10¹⁴ हर्ट्ज की आवृत्ति की तुलना में आवृति पर सैंपलिंग करते समय लेज़र की घात स्थिर होती है, 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 गोलाकार परावैद्युत कण के प्रेरित द्विध्रुव आघूर्ण (एमकेएस इकाइयों में) को शामिल किया है: $\mathbf {p} =\alpha \mathbf {E} (\mathbf {r} ,t)=4\pi n_{1}^{2}\epsilon _{0}a^{3}(m^{2}-1)/(m^{2}+2)\mathbf {E} (\mathbf {r} ,t)$, जहाँ $a$ 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 परावैद्युत कण पर बल, जब बिंदु द्विध्रुव के रूप में माना जाता है, किरण की तीव्रता के साथ प्रवणता के समानुपाती होता है। दूसरे शब्दों में, यहाँ वर्णित प्रवणता बल कण को ​​उच्चतम तीव्रता के क्षेत्र में आकर्षित करता है। वास्तव में, प्रकाश का प्रकीर्णन बल ट्रैप की अक्षीय दिशा में प्रवणता बल के विरुद्ध काम करता है, जिसके परिणामस्वरूप 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 प्रवणता बल को अग्र रेले प्रकीर्णन के रूप में चित्रित करते हैं जिसमें समान फोटॉन बनाए जाते हैं और समवर्ती रूप से नष्ट हो जाते हैं, जबकि प्रकीर्णन (विकिरण) में घटना फोटॉन एक ही दिशा में घूमते हैं और समदैशिक रूप से 'प्रकीर्ण' करते हैं। संवेग के संरक्षण के द्वारा, कण को ​​फोटॉन के मूल संवेग को संचित करना चाहिए, जिससे बाद में अग्र बल उत्पन्न होता है।

गुणावृत्ति संभावित सन्निकटन

गॉसियन किरण में परमाणु की अन्तःक्रिया का अध्ययन करने का उपयोगी तरीका यह है कि परमाणु द्वारा अनुभव की जाने वाली तीव्रता प्रोफ़ाइल के गुणावृत्ति संभावित सन्निकटन को देखें। दो-स्तरीय परमाणु के मामले में, अनुभव की जाने वाली क्षमता एसी स्टार्क शिफ्ट से संबंधित है।

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

जहाँ $\Gamma$ उत्तेजित अवस्था की स्वाभाविक रेखा चौड़ाई है, $\mu$ विद्युत द्विध्रुवीय युग्मन है, $\omega _{o}$ संक्रमण आवृत्ति है, और $\delta$ लेज़र आवृति और संक्रमण आवृति के बीच का अंतर है।

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

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

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

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

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

किरण के त्रिज्य 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 गुणावृत्ति क्षमता के बराबर ${\frac {1}{2}}m(\omega _{z}^{2}z^{2}+\omega _{r}^{2}r^{2})$. इन विस्तारों का मूल्यांकन निश्चित घात 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 गुणावृत्ति आवृत्तियों (या परमाणुओं के लिए ऑप्टिकल ट्रैप पर विचार करते समय ट्रैप 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 त्रिज्य और अक्षीय दिशाओं के सापेक्ष ट्रैप आवृत्तियों को केवल बीम वैस्ट पैमाने के फलन के रूप में:

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

ऑप्टिकल लेविटेशन

हवा में कण को ​​​​उत्तोलित के लिए, गुरुत्वाकर्षण के नीचे की ओर फोटॉन संवेग हस्तांतरण से उपजी बल द्वारा मुकाबला किया जाना चाहिए। आमतौर पर पर्याप्त तीव्रता के केंद्रित लेजर किरण 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 ट्रैप की अनुमति मिलती है।

माइक्रोमीटर आकार (व्यास में कई से 50 माइक्रोमीटर तक) पारदर्शी परावैद्युत गोले जैसे फ्युज़्ड सिलिका गोले, तेल या पानी की बूंदों का उपयोग इस प्रकार के प्रयोग में किया जाता है। लेजर विकिरण तरंगदैर्ध्य में जैसे आर्गन आयन लेजर या ट्यून करने योग्य डाई लेजर में तय किया जा सकता है। 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 गोलाकार प्रकाशिक गुहा में आकारिकी-निर्भर अनुनादों से संबंधित घटनाओं का अध्ययन किया गया है।

चमकदार वस्तु के लिए, जैसे कि 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 है: लेज़र (आमतौर पर Nd:YAG), किरण एक्सपैंडर, सैंपल प्लेन में किरण स्थान को चलाने के लिए उपयोग किए जाने वाले कुछ ऑप्टिक्स, ऑब्जेक्टिव (ऑप्टिक्स) और कंडेनसर (माइक्रोस्कोप) नमूना समतल में ट्रैप बनाने के लिए, किरण विस्थापन को मापने के लिए स्थिति संसूचक (जैसे क्वाड्रेंट फोटोडायोड) और सीसीडी कैमरा के लिए माइक्रोस्कोप रोशनी स्रोत है।

Nd:YAG लेजर (1064 एनएम तरंग दैर्घ्य) जैविक नमूनों के साथ काम करने के लिए लेजर का 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। स्थिर ट्रैप के लिए आवश्यक है कि प्रवणता बल, जो कि संख्यात्मक द्वारक (न्यूमेरिकल अपर्चर) (एनए) पर निर्भर है, प्रकीर्ण बल से अधिक होता है। 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 विपाशन वाले लेजर को चतुर्थांश फोटोडायोड पर इमेजिंग करना शामिल है। किरण के पार्श्व विक्षेपण को इसी तरह मापा जाता है कि इसे परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (एएफएम) का उपयोग करके कैसे किया जाता है।

अभिदृश्यक के द्वारक को भरने के लिए लेजर से उत्सर्जित किरण का विस्तार करने से तंग, विवर्तन-सीमित स्थान प्राप्त होता है। जबकि नमूने के सापेक्ष ट्रैप का पार्श्व अंतरण माइक्रोस्कोप स्लाइड के अंतरण द्वारा पूरा किया जा सकता है, अधिकांश ट्वीज़र सेटअप में अतिरिक्त ऑप्टिक्स होते हैं जिन्हें किरण का अंतरण करने के लिए अंतरण स्वतंत्रता की अतिरिक्त डिग्री देने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह चित्र में किरण स्टीयरिंग के रूप में लेबल किए गए दो लेंसों में से पहले का अंतरण करके किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, पार्श्व समतल में उस लेंस के अंतरण के परिणामस्वरूप चित्र में खींचे गए किरण से पार्श्व विक्षेपित किरण होता है। यदि किरण स्टीयरिंग लेंस और उद्देश्य के बीच की दूरी को ठीक से चुना गया है, तो यह उद्देश्य में प्रवेश करने से पहले समान विक्षेपण और नमूना समतल में पार्श्व अंतरण के अनुरूप होता है। बीम वैस्ट 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 किरण थोड़ा अलग या परिवर्तित हो जाता है, जिसका अंतिम परिणाम नमूना कक्ष में बीम वैस्ट की अक्षीय रूप से विस्थापित स्थिति है।

नमूना समतल का वीक्षण आमतौर पर 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 सीसीडी कैमरे पर होता है और इसे बाहरी मॉनिटर पर देखा जा सकता है या वीडियो ट्रैकिंग के माध्यम से विपाशन कण की स्थिति पर नज़र रखने के लिए उपयोग किया जाता है।

वैकल्पिक लेजर किरण मोड

अधिकांश ऑप्टिकल ट्वीज़र्स अनुप्रस्थ मोड पारंपरिक TEM₀₀ गॉसियन किरण का उपयोग करते हैं। हालाँकि, कणों को नियन्त्रित के लिए कई अन्य किरण प्रकारों का उपयोग किया गया है, जिनमें उच्च क्रम के लेजर किरण शामिल हैं, जैसे कि हर्मिट-गाऊसी मोड (टीईएम_xy) हैं| हर्मिट-गॉसियन किरण (टीईएम)।_xy), लैगुएरे-गॉसियन मोड | लैगुएरे-गॉसियन (एलजी) किरण (टीईएम_pl) और बेसेल किरण।

लैगुएरे-गॉसियन किरण पर आधारित ऑप्टिकल ट्वीज़र्स में कणों को विपाशन की अद्वितीय क्षमता होती है जो वैकल्पिक रूप से परावर्तक और अवशोषणशील होते हैं। लैगुएरे-गॉसियन किरण में प्रकाश की एक अच्छी तरह से परिभाषित कक्षीय कोणीय गति भी होती है जो कणों को घुमा सकती है। यह किरण 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

विशिष्ट सेटअप एक या दो ट्रैप बनाने के लिए लेज़र का उपयोग करता है। आमतौर पर, लेजर किरण को दो ऑर्थोगोनली ध्रुवीकृत किरण में विभाजित करके दो ट्रैप उत्पन्न होते हैं। दो से अधिक ट्रैप के साथ ऑप्टिकल ट्वीज़र्स संचालन या तो कई ऑप्टिकल ट्वीज़र्स के बीच एकल लेजर किरण को समय-साझा करके या विवर्तनिक रूप से किरण को कई जालों में विभाजित करके महसूस किया जा सकता है। ध्वनिक-ऑप्टिक विक्षेपकों या धारामापी -चालित दर्पणों के साथ, एकल लेज़र किरण को नाभीय समतल में सैकड़ों ऑप्टिकल ट्वीज़र्स के बीच साझा किया जा सकता है, या फिर विस्तारित एक-आयामी ट्रैप में फैल सकता है। विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए विवर्तनिक ऑप्टिकल तत्व एकल इनपुट किरण को मनमाने ढंग से त्रि-आयामी समाकृति में सैकड़ों लगातार प्रकाशित ट्रैप में विभाजित कर सकते हैं। ट्रैप बनाने वाला होलोग्राम भी प्रत्येक ट्रैप की मोड संरचना को व्यक्तिगत रूप से निर्दिष्ट कर सकता है, जिससे उदाहरण के लिए ऑप्टिकल चक्रवात, ऑप्टिकल ट्वीज़र्स और होलोग्राफिक लाइन ट्रैप की सरणियाँ बन सकती हैं। जब 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 विधा प्रकाशित तंतु

मानक फाइबर ऑप्टिकल ट्रैप ऑप्टिकल ट्रैप के समान सिद्धांत पर निर्भर करता है, लेकिन गॉसियन लेजर किरण के साथ ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से वितरित किया जाता है। यदि ऑप्टिकल फाइबर के एक छोर को लेंस (ऑप्टिक्स) की तरह के पहलू में ढाला जाता है, तो एकल विधा मानक फाइबर द्वारा ले जाने वाले लगभग गॉसियन किरण को फाइबर टिप से कुछ दूरी पर केंद्रित किया जाता है। 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 ट्रैप और परिचालन तभी संभव होगा, जब वे किसी सतह के संपर्क में हों)। फाइबर पर आधारित सच्चा 3डी ऑप्टिकल ट्रैप, विपाशन बिंदु के साथ जो फाइबर टिप के साथ लगभग संपर्क में नहीं है, 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 प्रवणता और फाइबर के दो विपरीत सिरों से बिखरने वाली घात को संतुलित करके महसूस किया जा सकता है। प्रवणता बल अनुप्रस्थ दिशा में कणों को ट्रैप करेगा, जबकि घूर्णन ऑप्टिकल बल का अक्ष दो तंतुओं से निकलने वाले दो काउंटर प्रसार बीमों के प्रकीर्णन बल से आता है। इस तरह के विपाशन किरण पुंज विक्षेपण 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 लेट '18', 1867 (1993), ने किया था और उसके बाद जे.गक एट अल, फिज रेव लेट '84', 5451 (2000), जिन्होंने सूक्ष्मकणों को फैलाने के लिए इस तकनीक का उपयोग किया था। फाइबर के दो सिरों में इनपुट घात में परिचालन करके, ऑप्टिकल स्ट्रेचिंग की वृद्धि होगी जिसका उपयोग सेल 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 है। हाल ही में किए गए परीक्षण में दो विपरीत, गैर-केंद्रित लेजर किरण से गैर-कैंसर वाले कैंसर सेल को अलग करने में बड़ी सफलता देखी गई है।

बहुविधा फाइबर आधारित ट्रैप

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

जबकि फाइबर-आधारित लेजर ट्रैप के पहले के संस्करण में विशेष रूप से एकल विधा किरण का उपयोग किया गया था, एम क्रेसिंग और उनके सहयोगियों ने हाल ही में दिखाया कि ऑप्टिकल फाइबर के छोटे टुकड़े में आगे के ऑप्टिकल मोड का सावधानीपूर्वक ऊर्जन गैर-तुच्छ ट्रैप ज्यामिति की प्राप्ति की अनुमति देता है। इसके द्वारा शोधकर्ता सूक्ष्मदर्शी पर विभिन्न मानव सेल प्रकारों (व्यक्तिगत सेल और समूहों) को उन्मुख करने में सक्षम थे। मानक ऑप्टिकल ट्वीज़र्स पर तथाकथित "ऑप्टिकल सेल रोटेटर" तकनीक का मुख्य लाभ इमेजिंग ऑप्टिक्स से विपाशन का वियुग्मन 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 ट्रैप को गतिशील रूप से पुन: समनुरूप करने और इसे नमूने के अनुकूल बनाने की अनुमति देता है।

सेल सॉर्टिंग

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

वैकल्पिक रूप से सक्रिय पृथक् प्रक्रिया में, सेल को ऑप्टिकल परिदृश्य यानी 2डी या 3डी 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 पृथक् के लिए पुन: विन्यास योग्य हो सकती हैं। विवर्तनिक प्रकाशिकी और ऑप्टिकल तत्वों का उपयोग करके ऑप्टिकल लैटिस बनाई जा सकती है।

दूसरी ओर, के. लदावैक एट अल ऑप्टिकल पृथक् प्रक्रिया को सक्षम करने के लिए तीव्रता पैटर्न को प्रकल्प करने के लिए स्थानिक प्रकाश न्यूनाधिक का उपयोग किया है। 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 वियोजन वाले कोलाइडल क्षेत्रों को सॉर्ट कर सकती है।

पृथक् के लिए मुख्य तंत्र ऑप्टिकल लैटिस बिंदुओं की व्यवस्था है। ऑप्टिकल लैटिस के माध्यम से सेल प्रवाह के रूप में, कणों को खींचने वाले बल के कारण बल होते हैं जो ऑप्टिकल प्रवणता बल (ऑप्टिकल ट्वीज़र्स के भौतिकी देखें) के साथ सीधे ऑप्टिकल लैटिस बिंदु से प्रतिस्पर्धा कर रहे हैं। ऑप्टिकल लैटिस बिंदु की व्यवस्था को स्थानांतरित करके, अधिमत ऑप्टिकल पथ होता है जहां ऑप्टिकल बल प्रभावी और पक्षपाती होते हैं। सेल के प्रवाह की सहायता से, परिणामी बल होता है जो उस अधिमत ऑप्टिकल पथ के साथ निर्देशित होता है। इसलिए, ऑप्टिकल प्रवणता बल के साथ प्रवाह दर का संबंध है। दो बलों को समायोजित करके, एक अच्छी ऑप्टिकल पृथक् दक्षता प्राप्त करने में सक्षम होता है।

पृथक् के वातावरण में बलों की प्रतिस्पर्धा को उच्च कुशल ऑप्टिकल पृथक् में सफल होने के लिए ठीक समस्वरण 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 प्रवणता बल के कारण बल खींचें है।

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 सॉर्टिंग को टक्कर दे सकती है।

आयामह्रासी क्षेत्र

आयामह्रासी क्षेत्र अवशिष्ट प्रकाशीय क्षेत्र है जो पूर्ण आंतरिक परावर्तन के दौरान रिसता है। प्रकाश का यह रिसाव घातीय दर पर फीका पड़ जाता है। आयामह्रासी क्षेत्र ने नैनोमीटर वियोजन 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 ऑप्टिकल वेवगाइड (एकाधिक कुल आंतरिक प्रतिबिंब) के माध्यम से फैलता है तो सतत आयामह्रासी क्षेत्र बनाया जा सकता है। परिणामी आयामह्रासी क्षेत्र में दिशात्मक बोध होता है और यह माइक्रोपार्टिकल्स को इसके प्रसार पथ के साथ आगे बढ़ता है । 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 दिशात्मक ऑप्टिकल नोदक बल है।

आयामह्रासी क्षेत्र ऑप्टिकल ट्वीज़र्स का हालिया अद्यतन संस्करण वेवगाइड का उपयोग किए बिना एक साथ बड़ी संख्या में कणों को अधिमत दिशा में निर्देशित करने के लिए विस्तारित ऑप्टिकल परिदृश्य पैटर्न का उपयोग करता है। इसे लेंसलेस ऑप्टिकल ट्रैप (एलओटी) कहा जाता है। कणों की क्रमबद्ध गति रोंची रूलिंग की प्रारम्भ से सहायता प्राप्त होती है जो अच्छी तरह से परिभाषित ऑप्टिकल विभव कूप (वेवगाइड की जगह) बनाती है। इसका मतलब यह है कि रैखिक चमकदार बाह्य सतह द्वारा ट्रैप 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 धातु / परावैद्युत इंटरफ़ेस पर स्थानीयकृत बढ़ी हुई तरंग है। कोलाइडल कणों द्वारा अनुभव किया गया बढ़ा हुआ बल क्षेत्र सतह के प्लास्मों के संपर्क में है सपाट धातु/परावैद्युत इंटरफ़ेस पहली बार 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 ट्रैप लगाना संभव है। बाद वाले ऑप्टिकल ट्वीज़र्स की बल फेमटोन्यूटन श्रेणी में होती हैं।

आयामह्रासी क्षेत्र का उपयोग ऑप्टिकल वेवगाइड या ऑप्टिकल नैनोफाइबर की सतह के पास अल्ट्राकोल्ड परमाणु और अणुओं को विपाशन 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 था।

वू ने कम घात वाले प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी) से ऑप्टिकल ऊर्जा को प्रकाशचालकी सतह के माध्यम से विद्युत ऊर्जा में बदल दिया। विचार यह है कि एलईडी को ठीक प्रक्षेपण के माध्यम से प्रकाशचालकी 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।

परिचालन/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 जाता है या सक्रिय बिंदु से हटा दिया जाता है। एक तरल में निलंबित कण विद्युत क्षेत्र प्रवणता के लिए अतिसंवेदनशील होंगे, इसे डाइइलेक्ट्रोफोरेसिस के रूप में जाना जाता है।

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

प्रणाली 10 माइक्रोवाट से कम के ऑप्टिकल पावर निर्गत 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 घात का 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 तापमान प्रवणता बनाने के लिए प्रकाश का उपयोग करना है और ऑप्टिकल ट्रैप के लिए पदार्थ के थर्मोफोरेटिक माइग्रेशन का फायदा उठाना है। टीम ने नॉन-इनवेसिव ऑप्टिकल ट्रैप और परिचालन के लिए थर्मल नुकसान से बचने के लिए ऑप्टो-रेफ्रिजरेटिव ट्वीज़र्स विकसित करने के लिए लेजर कूलिंग के साथ थर्मोफोरेसिस को और एकीकृत किया है।

ऑप्टिकल बाइंडिंग

जब माइक्रोपार्टिकल्स का समूह एकवर्णी लेजर किरण के भीतर प्रगृहीत है, तो ऑप्टिकल ट्रैप के भीतर माइक्रोपार्टिकल्स का संगठन माइक्रोपार्टिकल्स के बीच ऑप्टिकल ट्रैप बलों के पुनर्वितरण पर बहुत अधिक निर्भर होता है। माइक्रोपार्टिकल्स के क्लस्टर के बीच प्रकाश बलों का यह पुनर्वितरण पूरे क्लस्टर पर 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 प्रणाली के लिए, बाध्यकारी बलों का परिमाण लेजर किरण के ध्रुवीकरण और स्वयं कणों के परस्पर क्रिया करने की क्षमता पर निर्भर करता है, क्षेत्रों में संभावित अनुप्रयोगों के साथ जैसे कि एनेंटिओमेरिक पृथक्करण और ऑप्टिकल नैनोमैनिपुलेशन है।

प्रतिदीप्ति ऑप्टिकल ट्वीज़र्स

प्रतिदीप्ति प्रदर्शित करने वाले नमूने को एक साथ परिचालन 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 मार्ग करने और देखने के लिए किया जाता है जिन्हें ट्रैप किया 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 विपुंजन मशीनों की जांच के लिए आवेदन किया है।

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 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 परिचालन की अनुमति देता है। 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