Σεμινάριο Φυσικής. Ενότητα 7. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Transcript

1 Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σεμινάριο Φυσικής Ενότητα 7 Γεωργακίλας Αλέξανδρος Ζουμπούλης Ηλίας Μακροπούλου Μυρσίνη Πίσσης Πολύκαρπος 1

2 Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε Άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναγράφεται ρητώς. 2

3 Οπτική Παγίδευση Κυττάρων και Βιομορίων με δέσμη Laser Ονοματεπώνυμο: Δαλάκα Ελένη Επιβλέπουσα: Μ. Μακροπούλου Σεμινάριο Φυσικής

4 Περιεχόμενα Ορισμός οπτικής παγίδευσης Ιστορική αναδρομή Φυσική οπτικής παγίδας Πειραματική διάταξη Βιολογικές Εφαρμογές Οπτικής Παγίδευσης Μελλοντικές Εφαρμογές Βιβλιογραφία 4

5 Οπτική παγίδα Μια δέσμη φωτός που έχει την δυνατότητα να μετακινεί αντικείμενα στον μικρόκοσμο Εικόνα 1: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας. 5

6 Ιστορική Αναδρομή 1969, Α. Ashkin κατασκευή πρώτης οπτικής παγίδας με τη χρήση μίας δέσμης laser. 1987, πρώτη εφαρμογή του Ashkin σε βιολογικά μόρια και κύτταρα. 1997, Steven Chu, Nobel Φυσικής για την παγίδευση και τη ψύξη σωματιδίων με τη χρήση laser. Η έρευνα συνεχίζεται ακόμα και σήμερα. Steven Chu lecturing, Uploaded by Materialscientist, Public Domain. 6

7 Φυσική της Οπτικής Παγίδευσης p = n E hv = n c c = n h λ F = Δp Δt = nδε cδt = Q np c P pres. = F A Εφαρμογή σε διηλεκτρικά σωματίδια. Δυνάμεις της τάξης των pn 7 Εικόνα 2, A. Ashkin, Meth. In cell biol., p. 3, Copyrighted material

8 Φυσική της Οπτικής Παγίδευσης Εικόνα 3, A. Ashkin, Meth. In cell biol., p. 3, Copyrighted material Εικόνα 4, A. Ashkin, Meth. In cell biol., p. 3, Copyrighted material 8

9 Φυσική της Οπτικής Παγίδευσης Δύναμη Σκέδασης F scat = I c 128π 5 r 6 3λ 4 N 2 1 N 2 +2 n Δύναμη Βαθμίδας F grad = n3 r 3 2 N 2 1 N 2 +2 ( E 2 ) με Ν = n 1 n 9

10 Φυσική της Οπτικής Παγίδευσης Σταθερή οπτική παγίδα δύναμη βαθμίδας > δύναμη σκέδασης 10

11 Φυσική της Οπτικής Παγίδευση Εικόνα 5, Source: 19/5/2014, Copyrighted material 11

12 Φυσική της Οπτικής Παγίδευσης Σημαντικό!!! Μέγεθος Σωματιδίου Εάν r << λ, σκέδαση Rayleigh η παγίδευση βασίζεται στη σκέδαση της ακτινοβολίας Το σωματίδιο συμπεριφέρεται σαν δίπολο, σε ανομοιογενές ηλεκτρικό πεδίο. r: ακτίνα σωματιδίου Εικόνα 6: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας. 12

13 Φυσική της Οπτικής Παγίδευσης Εάν r >> λ, σκέδαση Mie η παγίδευση βασίζεται στη δύναμη βαθμίδας Μεγάλο σωματίδιο σταθερότερη παγίδα Ένα μικρό μέρος της ακτινοβολίας ανακλάται από το σωματίδιο. F scat = np c F grad = np c 1 + R cos 2θ T2 cos 2θ 2r + R cos 2θ 1 + R 2 + R cos 2r R sin 2θ T2 [sin 2θ 2r + R sin 2θ] 1 + R 2 + R cos 2r 13

14 Φυσική της Οπτικής Παγίδευσης Μήκος κύματος: λ eff = λ 0 n Δείκτης διάθλασης: n env < n mol Εάν n env > n mol, η οπτική παγίδα δεν μπορεί να διαχειριστεί το μόριο Θερμοκρασία : η υψηλή θερμοκρασία μεταβάλλει: i. Δείκτη διάθλασης περιβάλλοντος ii. Ιξώδες iii. Αλλοιώσεις βιομορίου 14

15 Εικόνα 7: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας. 15

16 Πειραματική διάταξη Μέγεθος βιομορίων: μερικά μm Ισχύς laser: max 500 mw Μήκος κύματος laser: 0,6 1,1 μm ΝΑ μεγάλο ισχυρά εστιασμένη δέσμη laser Εικόνα 8: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας. 16

17 Πειραματική διάταξη Προφίλ δέσμης Gauss Bessel Ελλειπτικό Εικόνες 9-11: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας. 17

18 Πειραματική διάταξη Εικόνα 13, A. Ashkin, Phys.Rev.Lett., 1970, p.156, Copyrighted material Εικόνα 12: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας. 18

19 Εικόνα 14: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας. 19

20 Πειραματική διάταξη Τα βιομόρια είναι διαλυμένα σε αραιό ρυθμιστικό διάλυμα Σχετική και συνεχής κίνηση βιομορίων, παγίδευση περισσότερων από 1 μόρια Ωστόσο υπάρχει όριο στην παγίδευση σωματιδίων 20

21 Βιολογικές Εφαρμογές Οπτικής Παγίδευσης Βασικό πλεονέκτημα!! Η οπτική παγίδα μπορεί να διαχειριστεί μόρια χωρίς φορτίο. κύτταρα, ιούς, οργανίδια, βακτήρια, DNA, διηλεκτρικές σφαίρες, μικροκρυστάλλους. Εικόνα 15, Μακροφάγα κύτταρα, JPK instruments, 7/5/2014, Πνευματική Ιδιοκτησία δημιουργού. 21

22 Βιολογικές Εφαρμογές Οπτικής Παγίδευσης 1. Χειρισμός πρωτόζωων, κυττάρων του αίματος, βακτηρίων, μυκήτων, ιών 2. Εσωτερική χειρουργική κυττάρων 3. Χειρισμός και μελέτη χρωμοσωμάτων 4. Μέτρηση δυνάμεων σε βιομόρια και μικροσωματίδια. 5. Προσδιορισμός μηχανικών ιδιοτήτων βιολογικών μορίων. 22

23 Βιολογικές Εφαρμογές Οπτικής Παγίδευσης Όταν θέλουμε να παγιδεύσουμε ένα βιομόριο θα πρέπει να λαμβάνουμε υπόψη μας: i. Θερμοκρασία ii. Χρόνος έκθεσης δείγματος iii. Μήκος κύματος απορρόφησης του βιολογικού ιστού Εικόνα 16, Source: iopscience.iop.org/ /58/11/r37/article, 19/5/2014, Copyrighted material. 23

24 Βιολογικές Εφαρμογές Οπτικής Παγίδευσης Εικόνα 17, Source: Measuring Twisting the DNA modulus, JAEA R&D Rev. 2007, p. 90, Copyrighted material. 24

25 Βιολογικές Εφαρμογές Οπτικής Παγίδευσης Εικόνα 18, Source: cplc.illinois.edu/research/facilities.asp, 18/5/2014, Copyrighted material. 25

26 Βιολογικές Εφαρμογές Οπτικής Παγίδευσης Ελαστικότητα ερυθρών αιμοσφαιρίων Εικόνα 18: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας. Εικόνα 20, J.P Mills et al. MCB 2007, p. 173, Copyrighted material 26

27 Βιολογικές Εφαρμογές Οπτικής Παγίδευσης Αποδόμηση βιολογικών ιστών Φύκια κατηγορίας ectacarpus siliculosus Εικόνα 21, Δ. Κοτσιφάκη, ΕΜΠ, 2012, σελ. 51, Πνευματική Ιδιοκτησία Δημιουργού. 27

28 Βιολογικές Εφαρμογές Οπτικής Παγίδευσης Κυτταρικός διαχωρισμός Εικόνα 22, David McGloin, Jonathan P.Reid, OPN optics and photonics news2010, p. 23, Copyrighted material. 28

29 Μελλοντικές Εφαρμογές 1. Ανίχνευση ασθενειών που οφείλονται σε βιομόρια. 2. Έγκυρη διάγνωση με χαμηλό κόστος. 3. Κατανόηση περίπλοκων βιολογικών μηχανισμών. 4. Θεραπεία ασθενειών με χειρισμό κατάλληλων ουσιών ή βιομορίων. 5. Βελτίωση μεθόδων οπτικής παγίδευσης (οπτική παγίδευση με πολλαπλές παγίδες, οπτική παγίδευση με ολογραφία) Εικόνα 23: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας. 29

30 Βιβλιογραφία 1. Justin E. Molloy and Miles J. Padgett, Lights, action: optical tweezers, 2002 Contemporary Physics, volume 43, pages A. Ashkin, Acceleration and Trapping of particles by radiation pressure, Physical Review Letters, 1970, Vol. 24, pages A. Ashkin, Forces of a single-beam gradient laser trap on a dielectric sphere in the ray optics regime, Biophysics Journal, 1992, Vol. 61, pages Timo A. Nieminen, Gregor Knoner, Norman R. Heckenberg, Halina Rubinsztein-Dunlop, Physics of Optical Tweezers, Methods in Cell Biology, 2007, Vol. 82, p Δόμνα Κοτσιφάκη Οπτική Παγίδα και Μικροχειρισμός Διηλεκτρικών Σωματιδίων και Βιολογικών Δειγμάτων Χρησιμοποιώντας Δέσμες Laser, Διδακτορική Διατριβή ΕΜΠ, 2012, σελ. 1-9, 14-16, Fillip Beunis, Optical Tweezers, Photonics Summer school, Computational Science and E-Systems, Measuring-Twisting modulus of DNA, JAEA R&D Review, 2007, p Ang Li, Ammar H. Mansoor, Kevin S.W. Tan, C.T. Lim, Observations on the internal and surface morphology of malaria infected blood cells using optical and atomic force microscopy, Journal of Microbiological Methods, 2006, Vol66, p. 434, J.P Mills et al. Nonlinear Elastic and viscoelasticity deformation of the human red blood cells with optical tweezers, MCB 2004, Vol. 1, p. 166, /5/

31 Βιβλιογραφία Εικόνες 1. D. McGloin and K. Dholakia, Contemporary Physics, Vol. 46, 2005, p /5/ s_smalle, 19/5/ /5/2014 Video Elliot Scientific, 19/5/2014 JPK instruments, 7/5/2014 (snapshot) 31

32 Ευχαριστώ για την προσοχή σας! 32

33 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικού πόρους. 33