(Luận án) Nghiên cứu kìm quang học phi tuyến sử dụng màng mỏng màu hữu cơ ứng dụng điều khiển các vi hạt

Tínhcấpthiếtcủađềtàiluậnán

Năm1970,A A sh k i n đ ã k h ẳ n g đ ị n h c ó t h ể sử d ụ n g á p suấ tb ức x ạ đ ể tăng tốc và giam giữ các vi hạt điện môi Phát hiện đó đã được chính Ashkin vàcộng sự minh chứng bằng thực nghiệm khi khảo sát quang lực gradient của mộtchùm laser được hội tụ mạnh tác động lên vi hạt Từ đây, hàng loạt các côngtrình nghiên cứu về lý thuyết cũng như thực nghiệm đã công bố về kết quả tínhtoán, xác định độ lớn quang lực của chùm tia laser tác động lên vi hạt và một sốmẫu bẫy quang học khác nhau Không chỉ dừng lại ở chức năng giam giữ các vihạt tại một vị trí nhất định, mà bẫy quang học có thể điều khiển di chuyển các vihạt trong không gian bằng cách thay đổi vị trí vết hội tụ của chùm laser Kìmquanghọc- từđâyđịnhnghĩalàkìmquanghọctuyếntínhlàthiếtbịquanghọccó thể đồng thời giam giữ và di chuyển vi hạt trong không gian ra đời Ngay saukhi ra đời, kìm quang học tuyến tính được đánh giá như một thiết bị trợ giúp hữuhiệu trong nghiên cứu các đối tượng sinh học như tế bào sống, tế bào vi khuẩn,đặc biệt các phân tử AND và điều khiển chúng trong không gian bằng cácphươngphápđiềukhiểnkhácnhaunhư:quang-cơ,quang-điện,quang-âm,quang- từ Tuy được đưa vào ứng dụng thực tế, song các phương pháp trên chưacó độ chính xác cao, đồng thời, hệ thống thiết bị phức tạp, cần phải thay đổi ítnhất hai yếu tố khi cần điều khiển trong không gian ba chiều Gần đây phươngpháp toàn quang được nghiên cứu dựa trên hiệu ứng Kerr của môi trường chấtlưu Mặc dù đã có những phát triển về độ chính xác, tuy nhiên vẫn gặp phải khókhănđólà cầnđếnhai yếutốvà hệthốngchưahoànthiện.

Trong những năm gần đây, các chất màu hữu cơ có tính phi tuyến cao đãđược chế tạo thành sản phẩm thương mại, có thể thay thế các chất lưu thôngthường có tính chất phi tuyến thấp Đây là một thuận lợi để chúng tôi đề xuất vàtiếnhànhnghiêncứukìmquang học phituyếnsửdụngcácchấtmàuhữucơ như mộtvithấukínhtrongcấutrúckìmquanghọcvớihyvọnggiảmthiểucácyếutố cần thiết cho việc điều khiển vi hạt, nâng cao hiệu suất bẫy và tối ưu hóa cácthông số thiết kế bẫy quang học phù hợp với các đối tượng nghiên cứu khácnhau,đặc biệtlà cácchủng loạiADNvớiđộdàitổngkhác nhau.

Nội dung nghiên cứu được thể hiện trong luận án: “Nghiên cứu kìmquanghọcphituyếnsửdụngmàngmỏngmàuhữucơứngdụngđiềukhiểncácv ihạt”.

Mụctiêucủaluậnán

Trên cơ sở cấu hình của kìm quang học tuyến tính (LOTW) và kìm quanghọc phi tuyến (NOTW) đã được nghiên cứu trước đây và một số chất màu (OD)có đặc trưng phi tuyến bậc ba cao, chúng tôi đề xuất NOTW mới có thể sử dụngđiều khiển các vi hạt điện môi (DMP) và kéo căng phân tử ADN bằng phươngpháptoànquang(aOCM).

- Vithấukínhphituyến(NML)hìnhthànhdohiệuứngtựhộitụ(SFE)q uamôitrườngchấtmàuhữucơ (OD)cóđặctrưngphituyếncao.

- Hiệu suất bẫy quang (OTE) và Quang lực (OF) của NOTW tác động lênvihạtđiệnmôi(DMP).

* Phạmvinghiêncứu: Động lựchọccủacácDMPtựdotrong chất lưudưới tácđộng của OF. ĐộnglựchọccủaDMPbẫygắnvớiphântửADNvàquátrìnhkéocăngcácphâ ntửADN.

1 ĐềxuấtmẫuNOTWsửdụngcácOD,khảosátsựphụthuộccủatiêucự các NMLvàocácthamsố thiếtkế,bìnhluận,xác định cấuhìnhứngdụng.

3 Nghiên cứu ứng dụng NOTW đã đề xuất vào quá trình điều khiển DMPtự do trong không gian ba chiều và kéo căng các phân tử ADN có chiều dài tổng(contourlength-CL)khác nhau.

Luận án thực hiện dựa trên phương pháp phân tích, đánh giá kết hợp vớiphươngphápmôhìnhhóa.Sửdụnglýthuyếtquangphituyến,kìmquanghọcvàđộng học của DMP nhúng trong chất lưu dẫn các biểu thức, phương trình mô tảcác đặc trưng của kìm quang học phi tuyến và phương trình mô tả động học củaDMP Dùng phương pháp tính toán số, khảo sát các đặc trưng của NOTW vàđộng lực học của DMP, bình luận kết quả đưa ra gợi ý cho nghiên cứu thựcnghiệm chế tạo NOTW và điều khiển quang trong quá trình kéo căng phân tửANDcóchiềudàitổng(CL)khácnhau.

6 Ýnghĩa khoahọcvà thựctiễn Ý nghĩa khoa học: i) Đề xuất cấu hình NOTW sử dụng màng OD hữu cơphù hợpsẽ đem lại sựđa dạng các cấu hìnhcủa OTv à đ i ề u k h i ể n c á c v i h ạ t bằng phương pháp toàn quang ứng dụng nghiên cứu các đối tượng sinh học; ii)Chứng minh được sự tăng cường OTE của NOTW để có thể ứng dụng trong quátrình điềukhiểnDMP. Ý nghĩa thực tiễn: i) NOTW đề xuất trong luận án có thể ứng dụng choquátrìnhnghiêncứuđiềukhiểncácDMPtựdo,cácđốitượngsinhhọctro ngquát r ì n h t á i p hâ n b ố v ih ạ t tr on g k h ô n g g i a n , kéoc ă n g c á c p h â n t ử A D N v à nâng caođộphângiảitrongxửlýảnhquang.

Ngoài các mục mở đầu, kết luận chung, nội dung luận án được bố cụcthành bốnchươngsau:

Chương1: Kìmquang họcứng dụngđiềukhiểnvi hạt

Tổng quan về OF, OT, LOTW, NOTW và các vật liệu phi tuyến bậc ba(KF); phân tích những ưu điểm, nhược điểm của kìm quang học đã được nghiêncứu,từđóđề xuấtNOTWsửdụng OD.

Chương2:Mẫukìmquanghọcphituyếnsửdụngmàngthuốcnhuộmhữucơ. Đưa ra cấu hình của NOTW sử dụng OD như NML Dẫn các biểu thức vềtiêu cự của NML, OF tác động lên DMP Khảo sát số, sự phụ thuộc của tiêu cựcủaNML,tiếtdiệnthắtLGBtrongchấtlưu,phânbốcủaOFtrongkhônggianb achiềuvàocác thamsốthiếtkế.

Dẫn biểu thức của OTE dọc, ngang của NOTW Khảo sát sự phụ thuộc củaOTEvàocácthamsốthiếtkế.SosánhOTEcủaNOTWvớiOTEcủaOTW.Bìnhluậnrútra đặctrưngưuviệtcủaNOTWđãđềxuất.

KhảosátquátrìnhbẫyvàđiềukhiểnDMPtựdotrongkhônggianhaichiều,bachiều.Kh ảosátquátrìnhbẫyvàđiềukhiểnDMPbẫyliênkếtvớiphântửADNvàquátrìnhkéocăngphântử ADN.BìnhluậnvềcấuhìnhNOTWứngdụngchoquátrìnhkéocăngcácchủngloạiphântửA

Nộidungchínhcủaluậnánđượccôngbốtrong06bàibáokhoahọcđăngtrêncáctạpchí:OpticCommunication(02bài,ISI),OpticalandQuantumElectronics(01 bài, ISI), Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự (01 bài), Hội nghịQuanghọcQuangphổtoànquốc(02bài).

Chương1 KÌMQUANG HỌCỨNG DỤNG ĐIỀUKHIỂNVIHẠT

Chương này sẽ trình bày tổng quan về phát triển của bẫy quang học (OT),kháiniệmquanglực(OF);cácloạiOFvàcơchếhìnhthànhchúng;cơsởthiế tkế kìm quang học tuyến tínhL O T W v à đ i ề u k i ệ n b ẫ y c á c v i h ạ t đ i ệ n m ô i (DMP); những yêu cầu nghiên cứu trong thực tế và đề xuất các dạng LOTW ứngdụng điều khiển DMP bẫy trong không gian; những đề xuất áp dụngh i ệ u ứ n g phi tuyến (KE) vào thiết kế kìm quang học tuyến tính (NOTW) cho mục đíchđiềukhiểnvi hạtbằngphươngpháptoànquang (aOCM).

Năm 1970, trong công trình lý thuyết của mình, A Ashkin đã khẳng địnhcó thể sử dụng áp suất bức xạ để tăng tốc (accelerate) và giam giữ (trap) các vihạt điện môi (Dielectric MicroParticles-DMP) [7] Phát hiện đó đã được chínhAshkinvà cộngsự minhchứngbằngthực nghiệm khikhảo sátquanglựcgradient(Gradient O pt ic al Force-

GOF)củamột ch ùm laserđượch ội tụmạnhtác động lên DMP [8] Từ đây, hàng loạt các công trình nghiên cứu về lý thuyếtcũng như thực nghiệm đã công bố về kết quả tính toán, xác định độ lớn quanglực (Optical Force-OF) của chùm tia laser tác động lên DMP và một số mẫu bẫyquang học (Optical Trap-OT) khác nhau [9],[10],[12],[17],

[25] Không chỉ dừnglại ở chức năng giam giữ các DMP tại một vị trí nhất định, mà bẫy quang học cóthể điều khiển (Control) di chuyểnc á c D M P t r o n g k h ô n g g i a n b ằ n g c á c h t h a y đổi vị trí vết hội tụ của chùm laser Kìm quang học - từ đây định nghĩa là kìmquang học tuyến tính (Linear optical tweezers-LOTW) là thiết bị quang học cóthểđồngthờigiamgiữvàdichuyểnDMPtrongkhônggianrađời[11],[13],[29],[33],[36],[40],[41],[54], [57],[66],[77],[87],[88],[105],[108].Ngay sau khi ra đời, LOTW được đánh giá như một thiết bị trợ giúp hữu hiệutrongnghiêncứucácđốitượngsinhhọcnhưtếbàosống,tếbàovikhuẩn,đặc biệt các phân tử ADN [53],[57],[77],[87],[88],[103] Bằng phương pháp điềukhiển điện - cơ (Electro-Mechanical Control Method-EMCM), có sự hỗ trợ củamáy tính, vết hội tụ của chùm laser, tức là tâm bẫy được quét trong không gianmột chiều [77], hai chiều [26],[33],[69] hoặc ba chiều [19],[107], DMP bị bẫycũngsẽ được điều khiểntheotrongkhônggianđó.

MặcdùđãcónhiềuphươngphápnhưđiệncơEMCM,Điện-quang(Electro-Optical Control Method-EOCM), Quang-cơ (Opto-Mechanical ControlMethod-OMCM), Quang-âm (Acousto-Optical Control Method-AOCM), nhưngcho đến nay phương pháp điều khiển toàn quang chưa được nghiên cứu và đưavào ứng dụng, ngoại trừ phương pháp điều khiển bằng hai chùm laser trong kìmquanghọcsửdụng chất lưuKerr(KerrFluid- KF)đượcđềxuấtvào 2016[94].

Năm 1997, Rometic Pobre và cộng sự [84] đã phân tích các đặc trưng củalực bức xạ (Radiation force) sinh ra trong quá trình tương tác giữa chùm laserGauss(LaserGausianBeam-

LGB)khôngphâncựcvàvihạtKerr(KerrMicroParticle-KMP) không hấp thụ có chiết suất phụ thuộc bậc nhất vào cườngđộ chùm tia Các tính chất của lực bức xạ được xem xét như một hàm của côngsuấtc h ù m t i a , k h o ả n g c á c h d ọ c t r ụ c , b á n k í n h c ủ a D M P , t ỉ s ố c h i ế t s u ấ t c ủ a DMP và môi trường chung quanh.C á c đ ặ c t r ư n g l ự c b ứ c x ạ t h u đ ư ợ c k h i c ó hiệu ứng Kerr đã được so sánh với lực bức xạ khi không có mặt hiệu ứng Kerr(Kerr Effect-KE) Kết quả nghiên cứu đã cho thấy tổng lực sẽ thay đổi, trong đócó đónggópquantrọngtừKEkhi cườngđộchùmbứcxạ đủ lớn.

Sau đó 5 năm, các tác giả đã xác định đặc trưng của quang lực (OpticalForce -O F ) c ủ a L G B h ộ i t ụ m ạ n h t á c đ ộ n g l ê n K M P c ứ n g , k h ô n g h ấ p t h ụ cộng hưởng [85] Ngoài những kết quả chứng minh OF tăng lên khi tỉ số chiếtsuấtgiữaDMPvà mô i trường lớnhơn1,cáctácgiảcònchỉrasựđổihướ ngOF khi tỉ số chiết suất nhỏ hơn 1, tức là trong trường hợp này thay vì sử dụngchùml a s e r d ạ n g H o l l o w G a u s s ( L a s e r H o l l o w -

G a u s s i a n B e a m - L H G B ) n ê n sử dụng LGB cho loại vi hạt này Các tác giả cũng đã đề xuất kỹ thuật tạo OTchocácKMPcótínhphituyếnyếu.

Mãi đến năm 2012, Hồ Quang Quý và cộng sự[42],[43] đã dẫn ra biểuthức tính OF tác động lên KMP, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của cường độđỉnh (Peak intensity), bán kính mặt thắt (Beam waist’s radius) của LGB lên OF.Các tác giả chỉ ra rằng, khả năng bẫy các KMP sẽ lớn hơn các DMP không nhạyvới KE Đồng thời cũng chỉ ra rằng có thể sử dụng LGB để bẫy các DMP cóchiết suất nhỏ hơn chiết suất môi trường Tiếp tục, các tác giả Hoàng Văn Namđã nghiên cứu OF tác động lên DMP trong môi trường Kerr mỏng [44]. Kết quảcho thấy, KE đơn thuầntrong môi trường chất lưu có thể làm giảm OF tác độnglên DMP, tuy nhiên, hiệu ứng tự hội tụ (Self focus effect- SFE) kèm theo có thểtái phân bố LGB trong

KF và kết quả sẽ tăng cường cường độ đỉnh và giảm bánkính thắt chùm, vì thế tổng OF tác động DMP vẫn sẽ tăng lên đáng kể Hơn nữa,các tác giả phát hiện ra rằng nếu SFE xảy ra trong môi trường Kerr có độ dàynhất định thì có thể điều khiển vi hạt trên trục chùm tia bằng cách thay đổi côngsuất laser trung bình (Average power of laser beam- APoLB) của LGB thay vìthay đổi cấu hình của kìm quang học, tức là thay hệ kính hiển vi (MircoscopeObjectives-MO) có khẩu độ số (Numerical Aperture - NA) khác [96] Như vậy,các tác giả đã lần đầu tiên gợi ý kìm quang học phi tuyến (Nonlinear OpticalTweezers - NOTW) điều khiển DMP bằng phương pháp toàn quang (all OpticalControlMethod-aOCM).

Nộidungnghiêncứu

1 ĐềxuấtmẫuNOTWsửdụngcácOD,khảosátsựphụthuộccủatiêucự các NMLvàocácthamsố thiếtkế,bìnhluận,xác định cấuhìnhứngdụng.

3 Nghiên cứu ứng dụng NOTW đã đề xuất vào quá trình điều khiểnDMPtự do trong không gian ba chiều và kéo căng các phân tử ADN có chiều dài tổng(contourlength-CL)khác nhau.

Phươngphápnghiêncứu

Luận án thực hiện dựa trên phương pháp phân tích, đánh giá kết hợp vớiphươngphápmôhìnhhóa.Sửdụnglýthuyếtquangphituyến,kìmquanghọcvàđộng học của DMP nhúng trong chất lưu dẫn các biểu thức, phương trình mô tảcác đặc trưng của kìm quang học phi tuyến và phương trình mô tả động học củaDMP Dùng phương pháp tính toán số, khảo sát các đặc trưng của NOTW vàđộng lực học của DMP, bình luận kết quả đưa ra gợi ý cho nghiên cứu thựcnghiệm chế tạo NOTW và điều khiển quang trong quá trình kéo căng phân tửANDcóchiềudàitổng(CL)khácnhau.

Ýnghĩakhoahọcvàthựctiễn

Ý nghĩa khoa học: i) Đề xuất cấu hình NOTW sử dụng màng OD hữu cơphù hợpsẽ đem lại sựđa dạng các cấu hìnhcủa OTv à đ i ề u k h i ể n c á c v i h ạ t bằng phương pháp toàn quang ứng dụng nghiên cứu các đối tượng sinh học; ii)Chứng minh được sự tăng cường OTE của NOTW để có thể ứng dụng trong quátrình điềukhiểnDMP. Ý nghĩa thực tiễn: i) NOTW đề xuất trong luận án có thể ứng dụng choquátrìnhnghiêncứuđiềukhiểncácDMPtựdo,cácđốitượngsinhhọctro ngquát r ì n h t á i p hâ n b ố v ih ạ t tr on g k h ô n g g i a n , kéoc ă n g c á c p h â n t ử A D N v à nâng caođộphângiảitrongxửlýảnhquang.

Bốcụccủaluậnán

Tổng quanvềpháttriển của kìmquanghọc

Năm 1970, trong công trình lý thuyết của mình, A Ashkin đã khẳng địnhcó thể sử dụng áp suất bức xạ để tăng tốc (accelerate) và giam giữ (trap) các vihạt điện môi (Dielectric MicroParticles-DMP) [7] Phát hiện đó đã được chínhAshkinvà cộngsự minhchứngbằngthực nghiệm khikhảo sátquanglựcgradient(Gradient O pt ic al Force-

GOF)củamột ch ùm laserđượch ội tụmạnhtác động lên DMP [8] Từ đây, hàng loạt các công trình nghiên cứu về lý thuyếtcũng như thực nghiệm đã công bố về kết quả tính toán, xác định độ lớn quanglực (Optical Force-OF) của chùm tia laser tác động lên DMP và một số mẫu bẫyquang học (Optical Trap-OT) khác nhau [9],[10],[12],[17],

[25] Không chỉ dừnglại ở chức năng giam giữ các DMP tại một vị trí nhất định, mà bẫy quang học cóthể điều khiển (Control) di chuyểnc á c D M P t r o n g k h ô n g g i a n b ằ n g c á c h t h a y đổi vị trí vết hội tụ của chùm laser Kìm quang học - từ đây định nghĩa là kìmquang học tuyến tính (Linear optical tweezers-LOTW) là thiết bị quang học cóthểđồngthờigiamgiữvàdichuyểnDMPtrongkhônggianrađời[11],[13],[29],[33],[36],[40],[41],[54], [57],[66],[77],[87],[88],[105],[108].Ngay sau khi ra đời, LOTW được đánh giá như một thiết bị trợ giúp hữu hiệutrongnghiêncứucácđốitượngsinhhọcnhưtếbàosống,tếbàovikhuẩn,đặc biệt các phân tử ADN [53],[57],[77],[87],[88],[103] Bằng phương pháp điềukhiển điện - cơ (Electro-Mechanical Control Method-EMCM), có sự hỗ trợ củamáy tính, vết hội tụ của chùm laser, tức là tâm bẫy được quét trong không gianmột chiều [77], hai chiều [26],[33],[69] hoặc ba chiều [19],[107], DMP bị bẫycũngsẽ được điều khiểntheotrongkhônggianđó.

MặcdùđãcónhiềuphươngphápnhưđiệncơEMCM,Điện-quang(Electro-Optical Control Method-EOCM), Quang-cơ (Opto-Mechanical ControlMethod-OMCM), Quang-âm (Acousto-Optical Control Method-AOCM), nhưngcho đến nay phương pháp điều khiển toàn quang chưa được nghiên cứu và đưavào ứng dụng, ngoại trừ phương pháp điều khiển bằng hai chùm laser trong kìmquanghọcsửdụng chất lưuKerr(KerrFluid- KF)đượcđềxuấtvào 2016[94].

Năm 1997, Rometic Pobre và cộng sự [84] đã phân tích các đặc trưng củalực bức xạ (Radiation force) sinh ra trong quá trình tương tác giữa chùm laserGauss(LaserGausianBeam-

LGB)khôngphâncựcvàvihạtKerr(KerrMicroParticle-KMP) không hấp thụ có chiết suất phụ thuộc bậc nhất vào cườngđộ chùm tia Các tính chất của lực bức xạ được xem xét như một hàm của côngsuấtc h ù m t i a , k h o ả n g c á c h d ọ c t r ụ c , b á n k í n h c ủ a D M P , t ỉ s ố c h i ế t s u ấ t c ủ a DMP và môi trường chung quanh.C á c đ ặ c t r ư n g l ự c b ứ c x ạ t h u đ ư ợ c k h i c ó hiệu ứng Kerr đã được so sánh với lực bức xạ khi không có mặt hiệu ứng Kerr(Kerr Effect-KE) Kết quả nghiên cứu đã cho thấy tổng lực sẽ thay đổi, trong đócó đónggópquantrọngtừKEkhi cườngđộchùmbứcxạ đủ lớn.

Sau đó 5 năm, các tác giả đã xác định đặc trưng của quang lực (OpticalForce -O F ) c ủ a L G B h ộ i t ụ m ạ n h t á c đ ộ n g l ê n K M P c ứ n g , k h ô n g h ấ p t h ụ cộng hưởng [85] Ngoài những kết quả chứng minh OF tăng lên khi tỉ số chiếtsuấtgiữaDMPvà mô i trường lớnhơn1,cáctácgiảcònchỉrasựđổihướ ngOF khi tỉ số chiết suất nhỏ hơn 1, tức là trong trường hợp này thay vì sử dụngchùml a s e r d ạ n g H o l l o w G a u s s ( L a s e r H o l l o w -

G a u s s i a n B e a m - L H G B ) n ê n sử dụng LGB cho loại vi hạt này Các tác giả cũng đã đề xuất kỹ thuật tạo OTchocácKMPcótínhphituyếnyếu.

Mãi đến năm 2012, Hồ Quang Quý và cộng sự[42],[43] đã dẫn ra biểuthức tính OF tác động lên KMP, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của cường độđỉnh (Peak intensity), bán kính mặt thắt (Beam waist’s radius) của LGB lên OF.Các tác giả chỉ ra rằng, khả năng bẫy các KMP sẽ lớn hơn các DMP không nhạyvới KE Đồng thời cũng chỉ ra rằng có thể sử dụng LGB để bẫy các DMP cóchiết suất nhỏ hơn chiết suất môi trường Tiếp tục, các tác giả Hoàng Văn Namđã nghiên cứu OF tác động lên DMP trong môi trường Kerr mỏng [44]. Kết quảcho thấy, KE đơn thuầntrong môi trường chất lưu có thể làm giảm OF tác độnglên DMP, tuy nhiên, hiệu ứng tự hội tụ (Self focus effect- SFE) kèm theo có thểtái phân bố LGB trong

KF và kết quả sẽ tăng cường cường độ đỉnh và giảm bánkính thắt chùm, vì thế tổng OF tác động DMP vẫn sẽ tăng lên đáng kể Hơn nữa,các tác giả phát hiện ra rằng nếu SFE xảy ra trong môi trường Kerr có độ dàynhất định thì có thể điều khiển vi hạt trên trục chùm tia bằng cách thay đổi côngsuất laser trung bình (Average power of laser beam- APoLB) của LGB thay vìthay đổi cấu hình của kìm quang học, tức là thay hệ kính hiển vi (MircoscopeObjectives-MO) có khẩu độ số (Numerical Aperture - NA) khác [96] Như vậy,các tác giả đã lần đầu tiên gợi ý kìm quang học phi tuyến (Nonlinear OpticalTweezers - NOTW) điều khiển DMP bằng phương pháp toàn quang (all OpticalControlMethod-aOCM).

Dựa trên một số kết quả công bố trong luận án tiến sĩ của Hoàng VănNam, tác giả Thái Đình Trung và cộng sự [94] đã đề xuất aOCM để điều khiểnDMP gắn với phân tử ADN trong không gian 3D Một NOTW sử dụng hainguồnl a s e r , m ộ t t r o n g đ ó c ó c ô n g s u ấ t y ế u đ i ề u k h i ể n v i h ạ t t r o n g m ặ t t h ắ t chùm tia (không gian 2D) và nguồn còn lại có công suất lớn hơn sẽ điều khiển vihạtd ọ c t h e o t r ụ c l a s e r ( k h ô n g g i a n 1 D ) T u y n h i ê n , v ớ i c ấ u h ì n h N O T

Thái Đình Trung công bố trong luận án tiến sĩ của mình thì phương pháp điềukhiển DMP trongmôi trường Kerr cũng phải sử dụng ít nhất hai yếu tố (hainguồnlaser)giốngnhưEMCM trướcđây[27],[34],[70],[81],[107].

Năm2017,trongluậnántiếnsĩcủamình,tácgiảNguyễnVănThịnhđãđềx uấtmộtcấuhìnhmảngkìmquanghọc(ArrayofOpticalTweezers-AoOTW) mới, trong đó sử dụng vật liệu quang âm (Acousto-optical material) vàsử dụng nguồn âm có tần số và cường độ phù hợp để tạo ra mảng vi thấu kính(Arrayofmicrolens- AoML).KếtquảnghiêncứuAoOTWđãchỉrarằng,cóthểsửdụngduynhấttầnsốsóngâmđ ểđiềukhiểnDMPtrongkhônggian3D. Đề xuất của Nguyễn Văn Thịnh đã được các tác giả Hồ Quang Quý vàcộng sựáp dụng cho quá trình kéo căng phân tử ADN trong không gian 3 chiềucủa chất lưu [95] Kết quả cho thấy chỉ thay đổi tần số của sóng âm là có thểkéocăngphântửADNmàkhôngquantâmđếnquátrìnhthayđổihướngc ủalựcđànhồi(ElasticForce-EF)trongquátrìnhkéo.

Các công trình mới trên đây đã đề xuất những cải tiến cho LOTW ứngdụng trong nghiên cứu các quá trình lý sinh (Biophysical process) của các đốitượng sinh học (Bio objects) Mỗi NOTW đã nghiên cứu đều có những ưu điểmriêngvàbổtrợchonhau,tuynhiênvẫn còn tồntại một sốnhượcđiểmcần lưuý.

- Với LOTW sử dụng KF có thể ứng dụng điều khiển DMP trong khônggian ba chiều, nhưng sẽ gặp khó khăn trong quá trình chọn môi trường Kerr phùhợp với DMPcóchiết suấtkhácvàtính chấthóa,sinhkhác nhau.

- AoOTW tránh được nhược điểm của NOTW sử dụng KF, tuy nhiên, mộtlần nữa gặp phải khó khăn trong thực tế là cường độ sóng âm phải đạt giá trị caophù hợpnàođó. Đếnđ â y , m ộ t c â u h ỏ i đ ặ t r a l à c ó p h ư ơ n g p h á p n à o đ ể t r á n h đ ư ợ c h a i nhượcđ i ể m trê nk h ô n g ? M ộ t ý t ư ở n g h é m ở , k h i t r o n g n h ữ n g n ă m gầnđ â y , rấtnhiềuchấtmàuhữucơcótínhchấtphituyếnbậcbacaođãđượcquantâmvà nghiêncứuchếtạo.

Các chất khí thông thường như khí N2, O2, N2O, và Ar và chất lỏng nhưnước( H2O),e t h a n o l ( C2H5OH),b e n z e n ( C6H6),… cóđ ộ p h i t u y ế n b ậ c b a r ấ t thấp, hệ số chiết suất phi tuyến có giá trị dao động trong khoảng(10 -22 10 -

20)cm 2 /W [55],[74] Các vật liệu cổ điển này không thể ứng dụng để chế tạo cácthiết bị quang học như: xử lý tín hiệu toàn quang (All optical signal processor),côngt ắ c q u a n g ( O p t i c a l s w i t c h ) , x ử l ý ả n h q u a n g ( O p t i c a l i m a g e p r o c e s s o r ) , giớih ạ n q u a n g ( O p t i c a l l i m i t e r ) , … v ì p h ả i c ầ n đ ế n n g u ồ n l a s e r c ó c ô n g s u ấ t cực cao [66],[112], [113], do đó, cần tìm kiếm các vật liệu có độ cảm phi tuyếnbậc ba cao hơn nhiều Từ năm 2010 đến nay đã có rất nhiều vật liệu có hệ sốchiếts u ấ t p h i t u y ế n ( N o n l i n e a r c o e f f i c i e n t o f R e f r a c t i v e i n d e x - N C o R I ) c a o đến 10 -6 cm 2 /W như tinh thể lỏng(Lquid crystals) [52], đặc biệt các chất màuhữucơ(OrganicDye-OD).ThuốcnhuộmAcidB l u e [ 3 2 ] ,

[ 6 5 ] , Mercurochrome [86], Paten Green [68], polyacrylamide: Orange G

Quanglựctácđộnglênvihạt

Năm 1970, trong công trình lý thuyết của mình, A Ashkin đã khẳng địnhcó thể sử dụng áp suất bức xạ để tăng tốc (accelerate) và giam giữ (trap) cácDMP[7].Xét trong vùng quang học,mộtphôtôn luôncóxung lượng:

𝑝⃗=h𝑘⃗⃗ (1.1) trongđó,ħ=/2𝜋≈1,05475.10 −34 𝐽.𝑠/𝑟𝑎𝑑làhằngsốPlanck,𝑘⃗⃗làvéctơsóng vớisốsóng|𝑘⃗⃗|=2𝜋/.Giảsửrằngmộtchùmánhsángđơnsắctuyệtđốigồmnhiều phôtôn có xung lượng như nhau chiếu vào một vi cầu (Microsphere), khiđó,m ộ t s ố p h ô t ô n p h ả n x ạ t r ê n m ặ t , s ố c ò n l ạ i s ẽ k h ú c x ạ h a i l ầ n g i ữ a m ô i trườngngoàivàvicầuHình1.1.

Qua các quá trình đó, xung lượng của phôtôn bị thay đổi, lượng thay đổiđósẽ truyềnchoDMP [7]: Δ𝑝⃗=𝑝⃗ i𝑛 −𝑝⃗ 𝑜𝑢𝑡 =𝑃⃗ h (1.2)

Saukhinhậnđượcxunglượngtừphôtôn,DMPcóxunglượng𝑃⃗⃗ h Nhưvậy,DMP sẽ nhận được xunglượng từhaiquátrìnhtrên. a) b) Hình1.1Xunglượngvàlựcdophảnxạ(a)vàkhúcxạ(b)củaánhsángchiếu vàoDMPcóchiếtsuấtlớnhơnchiếtsuấtmôitrường(= /1)[10].

Theo định luật 2 Newton, nếu DMP nhận được xung lượng đó trong thờigianΔthìnóchịumộtquanglực𝐹⃗=𝑃⃗⃗/ΔdođóDMPtrongHình1.1sẽbị tácđộngbởihailựcdohiệntượngphảnxạ𝐹⃗ 𝑝𝑥và khúcxạ𝐹⃗ 𝑘𝑥 sau:

Kết quả DMP sẽ chuyển động theo hướng lực tổng hợp.Nếu DMP đượcchiếu bởi một laser hội tụ, khi đó, hướng lực do khúc xạ của N phô tôn tác độnglên DMP được xác định như biểu thức (1.4) và sẽ thay đổi phụ thuộc vào vị trícủatâmDMP tươngứngvớitiêuđiểmnhưtrênHình1.2.

TrongcảbatrườnghợptrênHình1.2,lựctổnghợp𝐹⃗ 𝑇= 𝐹⃗ 𝑎+ 𝐹⃗ 𝑏đ ềucóhướng từ tâm của DMP tới tiêu điểm của thấu kính Điều này có nghĩa làDMPluônluônbịkéovàotâmvếtcủamộtchùmlaser,nếutiêuđiểmnằmtrongkhông gian chiếm giữ của DMP Trong trường hợp tiêu điểm không nằm trong khônggianchiếmgiữcủaDMP,nhưngDMPvẫnbịchiếubởichùmlaserthìOFvẫntácđộnglê nnó,tuyhướnglựctổngphụthuộcvàocườngđộlựcthànhphần.

Vi thấu kính Vi thấu kính a b c

Hướng nào cường độ laser lớn, tức là mật độ phô tôn lớn, OF tác động lênDMP sẽ lớn Tổng hợp lực của chùm tia có phân bố gradient cường độ gọi là lựcgradient (GradientOpticalForce- GOF)Hình1.3.

Dựa vào hướng tương tác của các OF tác động lên DMP của các tia laserthành phần trong chùm laser đã trình bày trên, có thể khẳng định một chùm laserhội tụ mạnh có thể gom và giam giữ các DMP tại tâm vết của nó Hay nói cáchkhác,mộtLGBcóthểbẫyDMPcótỉsốchiếtsuất=/1 sovớichiếtsuấtmôitr ườngxungquanhtạitâmthắtchùm,trườnghợpngượclại,mộtLHGBcóthểgiữcácDMPc ótỉsốchiếtsuất= h /1tạitâm,nơicócườngđộ nhỏnhấtHình1.4[24].

Như vậy, một chùm laser có gradient cường độ trong không gian sẽ tácđộng lên DMP hai lực, lực tán xạ (Scattering Optical Force-SOF) hình thành dohiện tượng tán xạ tia sáng trên mặt DMP (trong trường hợp kích đường kínhDMPlớnhơn b ư ớ c sóngl a se r t h ì g ọ i l à l ự c p h ả n xạ) đẩyDMPch uy ển đ ộ n g theo chiều truyền lan của laser và GOF hình thànhdo biến đổi cường độ ánhsángtrongkhông giankéo DMP vàovùngcócườngđộ cao[97].

Hình1.4a:LHGBbẫyhạtvớim>1;b:LHGBbẫyhạtvớim1).

Một chùm laser mode TEM00được hội tụ mạnh bởi một ML (hay mộtMO)cóNAlớn(𝑁𝐴≥1)[7],

[8].NAcànglớnthìgradientcườngđộsẽcànglớn và cường độ mạnh nhất sẽ tập trung ở tiêu điểm và như vậy các GOF sẽ cànglớn Việc chọn NA lớn cũng cần tương thích với tiêu cự của ML sao cho tiêuđiểmnằmtrongkhônggian chấtlưu,trongđócó chứa DMPcầnbẫy.

Trong thực nghiệm nghiên cứu y học, sinh học, thông thường chất lưu làmột lớp mỏng, có độ dày tương đương đường kính DMP Từ công thức (1.5) và(1.6),chúngtathấy lựcSOFnhỏ hơnnhiều so vớiG O F T r o n g t r ư ờ n g h ợ p DMP nằm trên mặt mẫu thì SOF bằng không, do đó DMP luôn có xu thế đượckéo vào tâm thắt chùm của LGB (hay kéo vào tâm bẫy trên mặt phẳng 2D) Docác GOF đối xứng tâm qua tâm bẫy (Trap Center-TC), nên DMP sẽ bị giam tạiTC Tuy nhiên, khi DMP nhúng trong không gian chất lưu (3D) có chiều dàyđáng kể thì trong nhiều trường hợp GOF nhỏ do chùm tia hội tụ yếu khi sử dụngML có NA nhỏ và do đó DMP sẽ bị đẩy theo chiều truyền lan của chùm laser vàbị giam tại vị trí, tại đó quang lực gradient dọc (Longitudinal gradient opticalforce- LGOF) cân bằng với SOF Trong thực tế, để loại trừ hiện tượng này, cấuhình OT sử dụng hai chùm tia cùng thông số truyền lan ngược chiều đã được ápdụng [12],[40],[45],[46],khiđótổngcủaSOFsẽ bằng không. Để ứng dụng có hiệu quả trong nghiên cứu giam giữ các DMP, cấu hìnhOTt ố i t h i ể u t r o n g H ì n h 1 5 đ ư ợ c b ổ s u n g t h ê m c á c c h i t i ế t p h ụ : T h i ế t b ị d ò DMPbanđầu(gồmbànsa trượt,giáđỡmẫu,thịkính,đènLEDchiếusáng);Hệ mở rộng chùm laser tăng NA; Camera theo dõi quá trình dao động của DMP tạiTC; Nguồn ánh sáng phụ (LED) với ống chuẩn trực soi DMP hoặc kích thíchhuỳnh quang của DMP và các chi tiết lái tia Cấu hình chức năng đầy đủ của OTtrong thựcnghiệmđược thiết kếnhưtrongHình 1.6[46],[53],[57].

Với cấu hình như trong Hình 1.6, chúng ta thấy OT chỉ có một chức năngduy nhất là giam giữ DMP cố định tại TC, phục vụ cho mục đích khảo sát tĩnhcác đối tượng cần nghiên cứu Trong trường hợp khảo sát động như trong quátrình gom nhiều DMP vào một vị trí hay kéo căng phân tử DNA, khi đó cần dichuyểnDMPđếnnhiềuvịtríkhácnhautrongkhônggianchấtlưuthìcấuHình1.6 không thể sử dụng vì vết hội tụ của chùm laser cố định, do đó, cấu hình linhđộnghơnđượcthiếtkếvớicácchitiếtđiềukhiểnvếthộitụcủalaservàkh ái niệm LOTW ra đời Đến nay đã có một số mẫu LOTW khác nhau, được đặt têntheo phương pháp điều khiển vết hội tụ của chùm laser hay theo cơ cấu sử dụngđiềukhiển.

Mộtsốkìmquanghọcsửdụngđiềukhiểnvihạt

Vi hạt được LOTW điều khiển một chiều sử khi dụng hiệu ứng giao thoa(interference optical tweezers- IOTW) được McDonald và cộng sự đề xuất vàonăm2011[70].

G- g ư ơ n g p h ả n x ạ 1 0 0 % , L1,L2,L3- t h ấ u k í n h , B C - b ả n c h i a t i a , MZI - giao thoa kế Mach-Zehnder, GQ - gương lái tia, GD - gương tinh chỉnhhiệuquangtrình,VTK(ML) -vi thấu kính,BM -buồng chứamẫu.

Chùm tia laser TEM00trước khi đưa vào ML được chia thành hai chùmcon nhờ bộ chia kiểu giao thoa kế Mach-Zehnder (MZI) Hình 1.7 Hai chùm tianày sẽ giao thoa với nhau trên tiêu diện của VTK, tạo ra các vệt tối và sáng xenkẽ nhau trong buồng mẫu (BM) hoặc trên mặt mẫu trùng với tiêu diện chùmlaser. Các DMP ứng với m > 1 (Xanh lục) nằm trên tiêu diện sẽ được giam ở vịtrí có cường độ mạnh nhất của vệt sáng, còn các DMP ứng với m 1),cáctácgiảcònchỉrasựđổihướngcủaOFkhitỉsốchiếtsuấtnhỏhơnmột(m 1 hoặc m 1, tức là DMP sẽ được bẫy và điều khiểnbởi LGB Bộ góp (Condenstor) có nhiệm thu hồi ánh sáng khúc xạ từ vi hạt dẫnvào đầu dò vị trí của DMP Nhờ đầu dò này, mà dao động của DMP xung quanhtâmkìmđượcxácđịnh,nhờđócó thểxácđịnh độbền của NOTW.

Nguyênlýhoạtđộng

NOTW này hoạt động dựa trên SFE Một LGB có công suất đủ lớn chiếuvào lớp màng mỏng OD phi tuyến thì KE sẽ xảy ra và kết quả lớp màng này trởthành một NML Chính NML này sẽ tái hội tụ LGB vào tiêu điểm của nó Do bịhội tụ nên chùm laser sẽ có phân bố lại trong không gian của buồng chất lưu sovới phân bố ban đầu Hình 2.3 Nói cách khác, mặt thắt của LGB lúc này trùngvới vết hội tụ Theo nguyên lý hoạt động của OTW, các DMP nhúng trong chấtlưu sẽ được gia tốc bởi OF của chùm laser và bị bẫy tại tâm vết chùm tia, tức làcácDMPbịgiamtạiTC.ĐốivớiLOTWsửdụngMLcótiêucựxácđịnhnên

𝖶 2 vịt r í c ủ a T C c ố đ ị n h , D M P đư ợc g i ữ ổnđ ị n h t ạ i v ị t r í đ ó v à c h ỉ c ó t h ể đ i ề u k hiển trong không gian khi tiêu điểm của ML thay đổi bằng các phương pháp đãnói ở mục 1.3, chương 1.Ở đây, NML có tiêu cự phụ thuộc vào các tham số củachùmlaservàmàngmỏngcủaODphituyến,nêntiêucựcủanólàđộngtrê ntrục chùm laser, có thể thay đổi khi thay đổi các tham số trên Do đó, DMP saukhiđượcbẫy, cóthểđiều khiểntrên trụcchùm tialaser, tức làt r ụ c z t r o n g không gian pha (,z) Hình 2.3.Như vậy, với các đặc trưng màng xác định, cấutrúc ban đầu của chùm laser cố định, tiêu cự của NML thay đổi được bằng cáchtinh chỉnh công suất chùm laser và do đó NOTW này có thể điều khiển vi hạtbằng aOM.

Hơnnữa, khi tiêu cự của NMLt h a y đ ổ i , p h â n b ố c ư ờ n g đ ộ l a s e r v à O F tác động lên DMP trong không gian pha (,z) cũng thay đổi theo Sự thay đổinày sẽ làm thay đổi một số đặc trưng của NOTW như: không gian bẫy (TrapRegion- TR), OTE, thời gian điều khiển DMP trong không gian pha (,z), …Khảo sát ảnh hưởng của các tham số thiết kế lên các đặc củaNOTW là nội dungnghiên cứutrìnhbàytrongcác mụctiếptheo.

Tiêucựcủathấukínhphituyến

KF là môi trường điện môi có chiết suất phụ thuộc vào cường độ laser.Theo Saleh [93], sau khi được chiếu bởi chùm laser có cường độ𝐼(W/𝑐𝑚 2 ),chiếtsuất củamôi trường phi tuyến Kerrđượcbiễudiễnbởi biểu thứcsau:

Khi được chiếu bởi chùm laser mode TEM00có phân bố Gauss trên tiếtdiệnngang được chobởibiểuthức:

𝖶 2 (𝑛 0 +𝑛𝐼 ) 20 i i bánkínhhướngtâm củachùmtiaH ì n h 2.3,khiđóchiếtsuất Kerrtrong(2.1)đượ cmôtả lạinhưsau:

Từ biểu thức (2.3) chúng ta nhận thấy, KF với độ dày nhất định sẽ là môitrườngGRIN(GradedIndex).Vớigiảthiết,nănglượnglasertậptrungchủyế uở trục chùm tia, do đó sử dụng gần đúng cận trục (Paraxial approximation) phânbố cường độ laser trong biểu thức (2.2) có thểbiến đổi sang dạng sau [5],[47],[78]:

Phươngtrình(2 5) biễudiễnđúngch ochiếtsuấtcủa kh ối GRINphẳng [93]vớihaitham sốđặctrưngN0và,dođókhốinàysẽtrởthànhNMLmỏngcó tiêucựđượcxácđịnhnhưsau: ƒ 𝑛𝑙

Với điều kiện𝛼𝑑 10𝑝𝑁và có thể điều khiển dọc theo trục lasertrong một khoảng3800𝜇𝑚bằng cách thay đổi APoLB từ1𝑚Wlên4 𝑚W.Khảnăng sử dụng các OD phi tuyến khác cũng được bình luận và đề xuất thiết kếNOTW.Kếtquảnghiêncứuđượccôngbốtrêncôngtrình[CT1].

Rõ ràng, đối với các DMP tự do (không có lực tác động ngoài), NOTWcó thể bẫy và điều khiển, tuy nhiên, tính đa năng trong ứng dụng còn phụ thuộcvàon hi ều y ế u t ố , như OTE ảnhhư ởn g đếnđ ộ ổnđịnhcủ aD MP ,đ ộ bề nc ủa kìm,kích thước khônggianđiều khiển,đặc biệt đốivớiứngdụng kéocăng phân tử ADN trong lĩnh vực sinh học và hiệu suất bẫy Những vấn đề này sẽ đượctrình bày trong các chương sau với mục đích khẳng định tính khả dụng củaNOTWđã đề xuất. i𝑛

Chương3 HIỆUSUẤTBẪYCỦAKÌMQUANG HỌCPHITUYẾNSỬDỤNGMÀNGCHẤTMÀUHỮUCƠ

Chương này trình bày về hiệu suất bẫy (OTE), một số phương pháp tăngOTE, khảo sát OTE của kìm quang học phi tuyến (NOTW) và bình luận về nângcao OTEtrong quá trình điềukhiểnvihạtđiệnmôi (DMP).

Hiệusuấtbẫyquang

Độ chính xác trong quá trình điều khiển các DMP là rất quan trọng, phụthuộc vào độ ổn định của nó trong bẫy Mặt khác, độ ổn định của DMP lại phụthuộc vào OTE [15], [51], [55], một đại lượng mô tả hiệu suất biến đổi từ cườngđộlasersangOFtácđộnglênDMP,đượcxácđịnhnhưsau[7]:

𝑄= 𝐹 𝑐 𝑛 𝑚 𝑃 (3.1) trong đó,Qlà OTE,clà vận tốc ánh sáng,Flà quang lực,n m là chiết suất chấtlưu và

P là công suất trung bình của laser Sử dụng biểu thức tính LGOF trong(1.5),biểuthứctínhOTEđượccụthểnhưsau:

❑ 𝑧 𝐼Ξ (𝑧,ƒ W0)𝑃 (3.3) trong đóhàmƒ(𝑧, W0)mô tả dạng phân bố của cường độ laser trên trục z

Từ( 3 4 ) t a n h ậ n t h ấ y r ằ n g , O T E c ó t h ể t ă n g l ê n k h i t ă n g g i á t r ị h à mƒ(𝑧, W0), tỉ số chiết suấtmvà kích thướcacủa DMP.Xuất phát từ đây,nhiềuphương phápnângcao OTEchoLOTWnhưchọn chấtlưu[65]sao chophùhợp

ML có NA cao [7], [16], [39], [60] để tăng giá trị củaƒ(𝑧, W0). ĐiềuđángtiếclàLOTWthôngthườngđãđượcthiếtkếvớicácthôngsốxácđịnhthìOT

E chỉ có thể cải thiện bằng cách sử dụng chất lưu chiết suất thấp hoặc bọcmàngchiếtsuấtcaochoDMP.Vớimụcđíchnày,cấuhìnhLOTWsửdụngKMPhoặc KF đã được đề xuất[28], [43], [103] Tuy nhiên, với những cấu hình đã đềxuấtđóthìOTEtăngkhôngđángkểvìkhôngcảithiệnđượcgradientcườngđộlaser,tức là không tăngđược giá trị của hàmƒ(𝑧, W0), yếu tố chính đóng góp vàoOTE, ngoại trừ NOTW sử dụng KF có độ dày đủ lớn có thể tái biến đổi cấu trúcLGBnhờSFE[44].P h ầ n sauđâycủaluậnánsẽkhảosátOTEchoNOTW.

OTEc ủ a NOTW

Sử dụng kết quả đã trình bày trong chương 2, chúng ta dẫn biểu thức phânbốcủaLGOF𝐹 g𝑟,𝑧 (𝜌,𝑧),vàTGOF𝐹 g𝑟,𝜌 (𝜌,𝑧)ngangtrongkhônggianpha(𝜌,𝑧)nh ưsau:

) trongđó,cácthamsốđãđượcgiảithíchtrongchương2.Sửdụng(3.5)và(3.6)vào(3.2),tanhận đượccácbiểuthứcmôtảphânbốcủaOTEcủaLGOF:

Từ (3.7) và(3.8) ta nhận thấy, ngoài các thông số màOTE củaL O T W phụ thuộc thì OTE của NOTW còn phụ thuộc vào công suất laser trung bình.Chính APoLB tác động chính vào việc thay đổi phân bố quang lực trong khônggian, thông qua việc thay đổi bán kính thắt chùm laser,𝜆W 3 /2𝑑𝑛 𝑛𝑙 𝑃và tấtnhiên thay đổi độ dài Rayleigh4(𝑑𝑛 𝑛𝑙 𝑃) 2/𝜋𝜆W 6 R õ r à n g đ ố i v ớ i N O T W , y ế u tố tác động làm thay đổi OTE được tăng lên và ở đây APoLB có vai trò quantrọng.

Cũng từ các biểu thức (3.7) và (3.8), chúng ta cũng thấy rằng, đối với mộtNOTW đãthiết kế vàchế tạo, tất cảcác thông số như:NA củaM L , b á n k í n h thắt chùm của LGB, chiết suất của KF, chiết suất và kích thước của DMP vàchiếtsuấtvàđộdàycủamàngODđãđượcxác định,dođó,OTEchỉcóthể thay

𝑜 đổi phụ thuộc duy nhất vào APoLB Trong mục sau đây, chúng ta sẽ khảo sát cụthể sự phụ thuộc của OTE vào APoLB, cũng như phân bố của nó trong khônggian.

KhảosátsốảnhhưởngcủacôngsuấtlasertrungbìnhlênOTE

[56] xem tương tác giữa chùm laser với các DMP như là sự tương tác giữa điệntrườngv à l ư ỡ n g c ự c đ i ể m v à h ì n h t h à n h g i ế n g t h ế n ă n g g i a m g i ữ l ư ỡ n g c ự c điểm đó Để giam giữ được DMP, tức lưỡng cực điểm đó một cách ổn định thìđộ sâu của giếng thế ít nhất phải gấp 10 lần động năng của DMP trong chất lưu[98] Điều này suy ra DMP bị bẫy càng ổn định, tức là OTE càng lớn khi mà giátrị cực đại của OF càng lớn và trong không gian khoảng cách giữa hai điểm cựcđại đó càng ngắn. Không gian giới hạn bởi các điểm ở đó quang lực đạt cực đạiđược định nghĩa như là TR [40, 60] Trước tiên chúng ta thảo luận về OTE dọcvàngangcũngnhưT R của NOTW.

Sửdụng cácthống sốđãcho củamẫu NOTWnhưsau:

MàngAcidblue:độdày𝑑= 0,05cm,NCoRI,𝑛 2= 10 −6 cm 2 /W;LGB : bán kính thắt chùmWi𝑛= 0,002 cm, bước sóng𝜆= 632 𝑛mvàcôngsuất trungbìnhcóthểthayđ ổ i𝑃 = 1.0; 1.5; 2.0; 2.5 mW.DMP:pholystyrenebánkính𝑎P×10 −7 cm,chiếtsuất𝑛 h =1,55Ch ấtlưu:nước cóchiếtsuất𝑛 𝑚= 1,34[96],[100].

PhânbốcủaLGOFtrongkhônggian(𝜌,𝑧) ượcđ thểhiệntrongHình3.1.Ta nhậnthấy,LGOFtậptrungmạnhhơnvàgầnmặtđầuracủamàngnhiềuhơn(ứngvới tọa độ dọc𝑧

= 0) khi công suất laser trung bình tăng.Điều này có thể giảithích là do tiêu cựcủa NML giảm khi công suất laser trung bình tăng (xem biểuthức2.7mục2.4vàHình2.8,2.9mục2.6).Từbiểuthức3.5và3.6r õ ràngDMPbẫychu yểnđộngtheohướngngượcvớiLGOF,nhưvậy,chúngsẽbịquanglựcgiữ lạitạiđáy(𝐹 g𝑟,𝑧= 0)của“chuông”lậtngượccóchiềucaolàquanglựccựcđại

𝐹 𝑝,𝑧và đườngkínhmiệngbằngkhoảngcáchgiữahaiđiểmquanglựccựcđạitrongkhôngg i a n 𝑧 𝑠𝑡 ,đ ư ợ c đ ị n h n g h ĩ a n h ư l à T R H ì n h 3 2 C h u ô n g c ủ a LGOF,𝐹 g𝑟,𝑧 (𝑧,0)sẽthayđổidạngbằngcáchthayđổiAPoLB,chiềucaosẽtăngvàđ ườngkínhmiệnggiảmkhităngAPoLBHình3.3.Nóicáchkhác,cựcđạicủaLGOF,𝐹 𝑝,𝑧tăng, đồngthờiTRcó đườngkính𝑧 𝑠𝑡giảm Đâychỉlàđặc trưngduy nhất cho NOTW và do đó, nó có thể đưa vào ứng dụng cho quá trình tái phân bốnồngđộcácvihạt[63],

[90].Cụthể,tạithờiđiểmbanđầu,khicôngsuấtlaserchotrước,cácDMP(sốlượnglớnDMP)đ ượcbẫytrongkhônggiannhấtđịnhcủachấtlưu, sau khi nồng độ và phân bố các DMP trong vùng bẫy đã ổn định có thể xácđịnhđược,chúngtasẽthayđổicôngsuấtlaserđểthayđổinồngđộđó.

Khi tăng công suất lên thì TR sẽ giảm và do đó nồng độ DMP trong chấtlưusẽtănglênvàchúngđượcgiamgiữvớiquanglựclớnhơn.Khảnăngtăng vàổnđịnhnồng độDMPc h ỉ cóthểđạtđược khităngOTE.

PhânbốOTEdọctrongkhônggianpha(𝜌,𝑧)choNOTWsửdụnglaservớiAPoLB𝑃 1𝑚W ượcđ thểhiệntrênHình3.4a.TươngtựnhưcủaLGOF,OTEdọccóhaicựcđạicáchnhau mộtkhoảngkhônggian𝑧 𝑠𝑡 Khităngcôngsuấtlasertrungbình,cựcđạicủaOTEtănglênvàkho ảngcáchgiữahai cựcđạigiảmHình3.4b,c,d.Điềunày cónghĩalàbằngcáchtăngcôngsuấtlaser,

3.3.2 OTEngang ĐặctrưngphânbốcủaTGOFtươngtựnhưLGOF.TrongHình3.5làphânbốcủaTGO Ftrongkhônggianpha(𝜌,𝑧)vớicôngsuấtlaserkhácnhau,

Mộtđiểm khác biệtvớiLGOF làTGOF khôngnhữngcóthể kéoc á c DMPc à n g g ầ n v ề m ặ t r a c ủ a N M L ( ứ n g v ớ i𝑧 = 0)m à c ò n k é o

D M P g ầ n hơnv à o t r ụ c c h ù m t i a l a s e r ( ứ n g v ớ i𝜌 = 0)k h i A P o L B t ă n g H i ệ n t ư ợ n g này được giải thích sự giảm bán kính thắt chùm của LGB biến dạng khi tăngAPoLBcôngthức 2.8,mục 2.5.

TươngtựnhưLGOF,phânbốTGOFcũnghìnhthành“Chuông”ngược,xácđịnhTRngang.Hình3.6chothấykhităng APoLBthìTGOFcựcđạităngvàvùngTRgiảm.

Hình3.6 a-TGOF,|Fgr,p(0,p)|vàđườngkínhTRổnđịnhst;b-

Nhưvậy,NOTWcóthểkéoc á c D M P v à o t r o n g v ò n g t r ò n đ ư ờ n g kính𝜌 𝑠𝑡 Đồng thời, khi vòng tròn giam giữ vi hạt càng nhỏ thìOTE càng lớnnhưthểhiệntrênHình3.6.

OTE của NOTW và của LOTW đã được khảo sát với mục đích so sánhgiữa chúng Trong Hình 3.7 là phân bố OTE dọc của NOTW sử dụng công suấtlaser 2,5 mW và 1,0 mW, của LOTW sử dụng ML có tiêu cự 220m và côngsuất laser 1mW.LOTW được thiết kế tương đương với NOTW sử dụng côngsuất laser 2,15mW.

TrongHình3.8là phân bốOTEngangcủaNOTWđượcsosánhvớiOTE cuả LOTW.C h ú n g t a t h ấ y r ằ n g , c ù n g v ớ i c ấ u t r ú c x á c đ ị n h , n h ư n g v ớ i c ô n g suất laser phù hợp OTE của NOTW sẽ tăng khi tăng công suất laser Ví dụ trongtrường hợp thể hiện trong Hình 3.8 và Hình 3.9, khi công suất laser lớn hơn 2,15mW,OTEcủa NOTWsẽlớnhơnOTEcủaLOTWvà ngượclại.

Hình3.8OTEdọcvớiAPoLB:2,5mW(đỏ),1mW(xanhdương)củaNOTWvàLOTWvới

APoLB:1mW(đen). Đặc trưng này thể hiện rõ hơn khi khảo sát sự phụ thuộc của OTE dọcHình 3.10 và ngang Hình 3.11 cực đại vào công suất laser Đối với LOTW, vìcócấu hình xác định, nên OTE (đường màuđ ỏ ) k h ô n g t h a y đ ổ i k h i t h a y đ ổ i công suất laser Trong khi đó, OTE của NOTW tăng tỉ lệ thuận với công suấtlaser Trong trường hợp đã khảo sát, thì OTE của NOTW sẽ lớn hơn của LOTWkhi công suất laser vượt ngưỡng 2,15mW.Điều này xảy ra là do SFE sau màngmỏngAcidblueyếu,thậmchíkhôngxảyrakhicôngsuấtlaserthấpvàdođ ó,

NA của NOTW nhỏ hơn NA của LOTW đã xác định Nhưng khi công suất tăngthì SFE cũng mạnh hơn và NA cũng tăng kéo theo bán kính thắt chùm và độ dàyRayleigh của chùm laser giảm và gradient cường độ tăng Trong khi đó, cườngđộ laser tăng, OF của LOTW tăng tuyến tính với cường độ mà không làm thayđổi OTE,nhưtrongbiểuthức 3.1.

Hình3.9OTEngangcủaNOTWvớiAPoLB:4mW(đỏ),2,15(đen),1mW(xanh)vàcủaLO

TWvớiA P o L B : 1mW(dacam). Điểmcầnchúýởđâylàkhităngcôngsuấtlaser,bánkínhthắtchùmsẽgiảmtuyếntín hxemmục2.8chương2,trongkhiđóđộdàiRayleightăngphituyếnxemmục2.11chương2, dođó,OTEngangcủaNOTWtăngtuyếntính,OTEdọctăngphituyến Trong trườnghợp𝑃

= 5,5 mWHình 3.11 OTE dọc NOTW tăng hơn 6 lần sovớiOTEcủaOTplasmonicmàGrigorenkovàcộngsựđãchếtạovàonăm2008[14].Nhưv ậy,cóthểkhẳngđịnhrằng,nếudụngNOTWthìchùmtialasercóthểbiếnđổidạng,dẫnđếngra dientcườngđộtăngbằngcáchtăngcôngsuấtlaser,khiđóOTEsẽtănglên,điềumàkhôngthể xảyrađốivớiLOTW.

Hình3.10PhụthuộccủaOTEngangcựcđại|Qp,max| củaNOTW(đỏ)vàLOTW(xanh)v à o APoLB.

Hình3.11PhụthuộccủaOTEd ọ c cựcđại|Qz,max| củaNOTW(đỏ)vàLOTW(xanh)vàoAPoLB.

Trong chương này, các biểu thức tường minh cho OTE dọc và ngang củaNOTWsửdụngmàngmỏngODđãđượcdẫnra.MẫumàngAcidBlue29với

𝑑 = 0,05 cmvà𝑛 2= 10 −6 cm 2 /Wnhư một NML đã được sử dụng để khảo sátảnh hưởng của công suất laser bước sóng𝜆 = 6 3 2 𝑛 m đến OF tác động lênDMPpolystyrenebánkính𝑎 = 0,5 × 10 −4 cm,chiếtsuất𝑛 𝑏= 1 , 5 5nhúngtrong nước Ảnh hưởng của công suất laser lên OTE ngang và dọc của NOTWcũng được khảo sát Kết quả khảo sát mẫu NOTWtrên đã cho thấy OTW có thểtăng khi tăng công suất laser và cải thiện hơn OTE của LOTW với cùng côngsuất laser lớnhơn2,15mW.

Với những đặc trưng đã khảo sát thì NOTW không chỉ có thể sử dụng điềukhiểnDMP trong không gianchất lưu kết luậnchương 2 bằngc á c h t h a y đ ổ i công suất laser mà còn bảo đảm rằng, trong quá trình điều khiển OTE vàkhảnăng giam giữ DMP sẽ cải thiện đáng kể Hơn nữa, OTE cao sẽ tăng thêm khảnăngổnđịnhcủavihạttựdo,đồngthờitănghiệulựcổnđịnhtrạngtháicăn gcủap h â n t ử A D N K ế t q u ả n g h i ê n c ứ u đ ư ợ c c ô n g b ố t r ê n c ô n g t r ì n h [

C T 2 ] Nhậnđịnh nàysẽđượcnghiêncứu cụ thểtrong chương tiếptheo. i 𝑛

Kìm quang học là một công cụ hữu hiệu cho nghiên cứu các cơ chế phântử như cơ chế xoắn [22], [48], [112], bó [91] hay cơ chế vận động [35], [92].Công dụng của OTW là bẫy và điều khiển DMP trong không gian, nếu DMPđược gắn với phân tử ADN thì nósẽ chuyển động xa vị trí ban đầu và làm chophân tử ADN được duỗi thẳng Có nhiều phương pháp để điều khiển DMP trongkhông gian 1D, 2D hoặc 3D như quét chùm tia [34], [54] sử dụng hệ cơ-điện,cơ-quang [50], [72] và toàn quang [94], hoạt động dựa trên nguyên lý khống chếTGOFvà SFEcủa chùmlaser theotrục dọc.

Trong chương này, sẽ khảo sát động học của DMP tự do và DMP có liênkết ngoài trong không gian 3D của chất lưu trên cơ sở aOCM, thay đổi công suấtlaser Bằng phương pháp vi phân hữu hạn (Finite difference method- FDM),phươngt r ì n h L a n g e v i n t ổ n g q u á t ( G e n e r a l L a n g e v i n E q u a t i o n - G L E ) m ô t ả động học của vi hạt nhúng trong chất lưu được giải bằng số, các đặc trưng độnghọc củaDMP được khảo sát và bình luận về cấu hình NOTW áp dụng cho cácphântửADNchiềudàitổng (Contour length-CL)khác nhau.

Động học vihạttựdo

NOTWs ử d ụ n g đ i ề u k h i ể n D M P t ự d o t r o n g c h ấ t l ư u đ ư ợ c t r ì n h b à y trong Hình 4.1 Một DMP polystyrene có bán kính𝑎, chiết suất𝑛 𝑝 được nhúngtrong nước có chiết suất𝑛 ƒ Tại điểm ban đầu, nhờ thiết bị dò chúng ta xác địnhvịtrícủaDMPđượcxácđịnhbởitọađộ(𝜌0,𝑧0)trongTR.LGBcóthắtchùmt ại tọa độ tâm(𝜌 𝑡𝑐 , 𝑧 𝑡𝑐 )cách mặt đầu ra của màng Acid Blue một khoảng bằngtiêu cựNMLƒ 2 = W 2 /𝑑𝑛 2 𝐼 0 Phân bố cường độ trong không gianpha(𝜌,𝑧)được tínhnhưsau[78]:

Chùmtia lasernàysẽt á c đ ộ n g lên DMPmộtTGOFđược tínhnhưsau:

Luận án chỉ giới hạn nghiên cứu các DMP có kích thước vùng micro vànano, nên khối lượng của nó sẽ rất nhỏ và bỏ qua lực trọng trường Do đó, ngoàiOF, DMP còn chịu lực Brown [100] khi nhúng trong chất lưu Như đã chỉ ratrongcác côngtrình trước đây [6],[78],[96],[100], chuyển độngcủaD M P trong khônggian chấtlưuđược mô tả bởihệ củahai GLEsau:

(4.4)2trongđó,𝑚 ℎlà khốilượngvihạt,= 6𝜋 𝑎l àhệsốmasátnhớt,hlàđộnhớt,

W(𝑡)l àh à m môt ả n hi ễu trắng,𝑘 𝐵l à h ằ n g sốB o l t z m a n n ,𝑇làn hi ệt độtuyệt đối,𝜌(𝑡)v à 𝑧(𝑡)l à c á c b i ế n m ô t ả v ị t r í t ứ c t h ờ i c ủ a

D M P t r o n g q u á t r ì n h b ẫ y và điều khiển Số hạng thứ nhất bên trái của GLEs 4.4 mô tả lực quán tính Vếphải của GLEs 4.4gồm lực ma sát, quang lực và Brown mô tả lực ma sát.Phương trình(4.4)1mô tả chuyển động của DMP dọc theo bán kính hướng tâmvàphươngtrình(4.4)2dọc theo trụclaser.

Hệp h ư ơ n g tr ìn h ( 4 4 ) đượcgiải bằ ng F D M L ờ i g iả i l i ê n t ục𝜌 (𝑡) v à

𝑧(𝑡)của hệ phương trình 4.4 được thế bằng lời giải gần đúng theo thời điểm rờirạc𝜌 i và𝑧icủa hệ phương trình vi phân hữu hạn tại bước thời gian𝑡 i= iΔ𝑡.VớigiảthiếtΔ𝑡 ủđ nhỏ,thì𝜌 i≈ 𝜌 (𝑡 i )v à 𝑧 i≈ 𝑧 (𝑡 i ).HệphươngtrìnhF D E s đ ư ợ c z z dẫntừGLEscódạngsau [94],[96]:

Do chùm laser có phân bố đối xứng qua trục, do đó lực gradient nganghướng tâm và quỹ đạo của của DMP trong không gian 3D(𝑥, , 𝑧)[78] trongTR có thể phản ánh trongkhông gian pha(𝜌, 𝑧)[ 4 0 ] K h ả o s á t q u ỹ đạ o c ủ aDMP polystyrene nhúng trong nước được điều khiển bởi NOTW có các thôngsốsau:

Màng Acid Blue:𝑛 2 = 1.10 −7 cm 2 /W,𝑑 = 0,01 cm[2];LGB:𝜆= 632𝑛m,W i𝑛= 1,10 −2 𝑐𝑚và𝐼 0= 1.10 5 W/𝑐𝑚 2 ;

LGBsaukhibiếnđổi:𝑧 0≈ 26,6.10 −4 cm,W 0≈ 3.10 −4 𝑐𝑚tại𝑧=ƒ 𝑛𝑙= 1.10 −2 cm; DMPpolystyrene:𝑎=0,5𝜇𝑚,𝑛 𝑝= 1,57;

𝛾 = 6𝜋 𝑎 ≈ 4,3.10 −10 / Đầu tiên khảo sát quỹ đạo của DMP có vị trớ(𝜌0, 𝑧0) Ξ (−2,5 àm, 1000 àm)m, 1000 àm, 1000 àm)m)tại thời điểm ban đầu𝑡= 0, tức là DMP nằmtrongm ặ t t h ắ t c h ù m l a s e r c á c h m ặ t r a c ủ a m à n g A c i d B l u e m ộ t k h o ả n g1000μm,vớicácmvà cách trụclaser mộtkhoảng2,5𝜇𝑚.H ì n h 4 2 l à c á c đ ư ờ n g đ ặ c trưngvịtrícủaDMP-thờigianbẫy.Từhình

TGOF, DMP chuyển động thẳng vào TC tại vị trí(𝜌 𝑡𝑐 , 𝑧 𝑡𝑐 ) Ξ (0𝜇𝑚,1000𝜇𝑚).Càng gần tâm kìm, vận tốc của DMP càng lớn Vận tốc trung bình có thể tínhđược≈ 41,6𝑚/𝑠 Trong khi đó, từ Hình 4.2b, DMP chỉ dao động dọc một cỏchngẫu nhiờn xung quanh vị trớ𝑧0= 𝑧𝑡𝑐= 1 000 àm, 1000 àm)m, bởi vỡ trong mặt thắt chùm,LGOFđ ư ợ c x e m l à b ằ n g k h ô n g v à k h i đ ó l ự c B r o w n đ ó n g v a i t r ò c h í n h t á c động lên DMP [100].Như vậy, quỹ đạo của DMP trong trường hợp này là zíczắcdọc theobánkínhhướngtâmcó độdài2,5μm.

Hình4.2Vịtrín g a n g (a)vàdọc(b)củaDMPtựdo trongthờigianbẫyTuynhiên,trongtrườnghợpvịtrítạithờiđiểmbanđầ unằmngoàimặt thắt thì DMP cũng được kéo thẳng tới TC tại(𝜌 𝑡𝑐 , 𝑧 𝑐𝑡 ) Ξ (0 𝜇𝑚, 1000μm,vớicácm)nhưtrongHình4.3avàHình4.4b.RõràngtấtcảcácDMPđềuđượckéothẳngtớ iTC Kết quả này cũng đã được khẳng định trong công trình trước đây khi sửdụnghaixunglasertruyềnngượcchiềunhau[40].Hiệntượngnàyđượckhảo sát rõ hơn, khi khảo sát quỹ đạo của DMP khi thay đổi công suất laser Hình 4.3bvàHình4.4b.TrongHình4.3bchothấykhităng(giảm)côngsuấtlaserthìTC sẽgần(xa)hơnmặtđầu racủa màngAcid Blue.

Các đặc trưng vị trí dọc - thời gian kéo với vị trí ban đầu của DMP (a) vàcông suất laser (b) khác nhau Hình 4.3a: Các vị trí ban đầu (từ dưới lên):(- 2,5μm,vớicácm,980μm,vớicácm),(-2,5μm,vớicácm,990μm,vớicácm),(-2,5μm,vớicácm,1010μm,vớicácm),(-2,5μm,vớicácm,1020μm,vớicácm).

Hình4.3b:Cácgiátrịcủacườngđộlaser(từdướil ê n ) : Io=0,98.10 5 W/cm 2 , Io0,99.10 5 W/cm 2 , Io=1.10 5 W/cm 2 , Io=1,01.10 5 W/cm 2 ,Io=1,02.10 5 W/cm 2

Hình 4.3 Các đặc trưng vị trí dọc - thời gian kéo với vị trí ban đầu củaDMP(a)vàcôngsuấtlaser(b) khác nhau

Hình4.4Cácđặctrưngvịtríngang- thờigiankéovớivịtríbanđầucủavihạt(a)vàcườngđộlaser(b)khác nhau.

X a n h d a t r ờ i ; (-2,5μm,vớicácm,1010μm,vớicácm)-Xanhlácây;(-2,5μm,vớicácm,1005μm,vớicácm)-Xanhlơ;(-

TrênhìnhHình4.4b:Cácgiátrịcườngđộlaser: Đen-Io=0,98.10 5 W/cm 2 ;Xanhlácây-Io=0,99.10 5 W/cm 2 ;Đỏ-Io=1.10 5 W/cm 2 Xanhlơ -

Io=1,01.10 5 W/cm 2 ;Xanhda trời-Io=1,02.10 5 W/cm 2

Cụ thể, DMP đặt tại vị trí ban đầu(𝜌0, 𝑧0) Ξ (−2,5 𝜇𝑚, 1 000 𝜇𝑚)c óthể kéo tớicácTC khác nhau tạic á c v ị t r í : (0 𝜇𝑚, 980 𝜇𝑚),(0

𝑐𝑚 2 Đây chính là đặc trưng riêng của NOTW và nổi trội so với LOTW [6] Hơn nữa,chúng ta cũng nhận thấy rằng, thời gian kéo DMP vào tâm theo trục hướng tâmsẽ ngắn hơn so với thời gian kéo theo trục dọc.Điều này hoàn toàn có thể giảithích vì rằng khoảng cách từ vị trí ban đầu của DMP đến trục laser ngắn hơnnhiều so với khoảng cách từ vị trí của DMP đến các TC, đồng thời vì gradientngangcườngđộlaserbaogiờcũnglớnhơngradientdọc.TừHình4.3vàHì nh

4.4 ta thấy rõ ràng, thời gian kéo DMP trong cả hai chiều đều tăng khi khoảngcáchgiữa DMPvà TC tăng.

(−2.5àm, 1000 àm)m,980àm, 1000 àm)m)-Xanhdatrời,(−2.5μm,vớicỏcm,990μm,vớicỏcm)-Xanhlỏcõy,

(−2.5àm, 1000 àm)m,1000àm, 1000 àm)m)-Đỏ,(−2.5àm, 1000 àm)m,1010àm, 1000 àm)m)-Xanhlơ,

(−2.5àm, 1000 àm)m,1020àm, 1000 àm)m)-Đen,Tõmkỡm(−0μm,vớicỏcm,1000μm,vớicỏcm)

TrờnHỡnh4.5b:Từvịtrớ(−2.5àm, 1000 àm)m,1040àm, 1000 àm)m) ếnđ cỏctõmkhỏcnhauvớicườngđộ:

I0= 0,98.10 5 W/cm 2 -xanhlácây,I0= 0,99.10 5 W/cm 2 -xanhl ơ ,I 0= 1.10 5 W/cm 2 - đỏ,I 0= 1,01.10 5 W/cm 2 -x a n h d a t r ờ i ,I0= 1 , 0 2 1 0 5 W/cm 2 -đen.

KếthợpcácđặctrưngtrênHình4.3vàHình4.4,quỹđạotrongmặtphẳngpha(𝜌,𝑧 )trongquátrìnhkéoDMPđặttạicácvịtríkhácnhauđếnTC(0𝜇𝑚, 1000𝜇𝑚)bằng laser có cường độ đỉnh𝐼 0= 1.10 5 W/𝑐𝑚 2 Hình

5avàDMPđặttạivịtríxácđịnh(−2,5𝜇𝑚,1040 𝜇𝑚) ếnđ cácTCkhácnhau bằng cách thay đổi cường độ laser Hình 4.5b Từ Hình 4.5, thấy rằng,bất kỳDMPnằmtrongvùngbẫy,đềuđượckéovềTC,tuynhiênphụthuộcvịtrítươngđốigiữ aDMPvàTCmàquỹđạo,thờigiankéovàtốcđộkéolàkhácnhau.Mộtđiểm cần chú ý là DMP kéo về trục chùm tia laser sẽ rất nhanh và sau đó đượckéovềTCdọctheotrụclaser.Nhưvậy,thờigiankéoDMPtheotrụchướngtâmrất nhỏ,khoảng0.03𝜇𝑠Hình 4.2a có thể bỏ qua khi so sánh với thời gian kéotheo trục dọc, khoảng5𝜇𝑠Hình 4.3a.Đặc trưng này cho phép chúng ta có thểcóthờigiandàitheodõivàđiềukhiểnDMPtựdotheotrụcchùmtia.Nhưvậy,sửdụngNOTWđểđiềukhiểnvihạttựdobằngaOMlàmộtlựachọnphùhợp.

KéocăngphântửADN

MẫuNOTWsửdụngkéocăngphântửADNđượctrìnhbàytrongHình4.6.Một phân tử ADN dạng chuỗi con sâu (Worm like Chain-WLC) có độ dài bền(Persistence Length- PL)𝑏và CL𝑐 ược gắn đ vớihai DMP ở hai đầu, một DMP gọineo, DMP kia gọi là bẫy DMP neo có định tại vị trí có tọa độ(𝜌0, 𝑧0), DMP bẫyđượcđặttrongTR.DướitácđộngcủaOF,DMPbẫycóxuhướngđượckéovàoTC. Trongquátrìnhkéo,vịtrícủaDMPbẫythayđổivàxácđịnhbằngtọađộ(𝜌 i ,𝑧 i ).

DMPbẫyvàtoànbộphântửADNđượcnhúngtrongchấtlưu,dođóDMPbẫychịutác độngcủaOFvàlựcBrown.Tuynhiên,khácvớivihạttựdo,DMPbẫygắnvớiphântửADNc ònchịutácđộngcủa EF[31].EFtácđộnglênDMPbẫytheo

𝑐 hướng ngược vớiOF.Từ Hình4.6, chúngtadẫn ra biểu thứccủaEFdọcvà

|𝑧 i − 𝑧 0 |và𝜌 𝑒𝑥𝑡= |𝜌 i − 𝜌 0 |là độ căng thành phần theo trục hướng tâm và trụclaser,𝑘 𝐵 là hằng số Boltzmann,𝑇là nhiệt độ tuyệt đối,𝜃là góc nghiêng giữađoạnthẳngnốihaiDMP sovớimặtcắt chùmlaser.

[ 9 6 ] , c h u y ể n đ ộ n g c ủ a D M P b ẫ y t r o n g khônggianpha(𝜌,𝑧) ượcđ mô tảbằngGLEs sau:

𝑚𝜌̈(𝑡) = −𝛾𝜌̇(𝑡) + 𝐹g𝑟,𝜌(𝜌(𝑡), 𝑧(𝑡)) + 𝐹𝑒𝑙,𝜌(𝜃(𝑡), Ç(𝑡)) + √2𝑘𝐵𝑇𝛾W(𝑡) (4.7)2khác với hệ phương trình (4.4) duy nhất thành phầnmô tả lực đàn hồi (4.6).Sử dụngLDM,GLEs(4.7)đượcchuyểnsanghệFDEssau:

+ −𝐹 𝑔r,𝜌 (𝑧 i−1 ,𝜌 i−1 )+𝐹 𝑒𝑙,𝜌 ( 𝜃 i−1 i−1 ,£ ) Δ𝑡+√2𝑘 𝑇/ 𝛾(√WW −√WW )Δ𝑡(4.8) i i−1 𝛾 𝐵 1 2 3 4 2 trongđó,Çi−1=√|𝜌i−1−𝜌0|2+|𝑧i−1−𝑧0|2làđộcăngtứcthời;

Chúngt a k h ả o s á t đ ộ n g h ọ c c ủ a D M P p o l y s t y r e n e b á n k í n h 𝑎 = 500 𝑛𝑚và chiết suất𝑛 𝑏= 1,57 gắn với phân tử ADN chủng lambda (- phage)có𝐿 𝑏= 89𝑛𝑚 và𝐿 𝑐= 16,24𝜇𝑚[23].

DMPP o l y s t y r e n e v à p h â n t ử A D N đ ư ợ c n h ú n g t r o n g n ư ớ c S ử d ụ n g chùm tia laser đầu vào có cường độ đỉnh𝐼 0= 1.10 5 W/𝑐𝑚 2 và bán kính thắtchùmW0= 0,05𝑐𝑚,màngmỏngAcidBlue29cóđộdày𝑑 = 0,01

Vớicá c thamsốtr ên , tiêuc ự củaN M L sẽlàƒ 𝑛𝑙= 2,5𝑐𝑚,cónghĩa là thắt chùm cách mặt ra của màng Acid Blue một khoảng2,5 𝑐𝑚, hay TC có vị trítạitọađộ(𝜌 𝑡𝑐= 0𝜇𝑚, 𝑧 𝑡𝑐= 25000𝜇𝑚 )trongmặtphẳngpha(𝜌,𝑧).

Hình4.7OF(xanhdương)vàEF(đỏ)tạicácvịtríkhácnhaucủaDMP. Để có thể khảo sát được động học của DMP bẫy trong quá trình kéo bằngNOTW, tức là trong quá trình phân tử ADN bị kéo căng, chúng ta neo DMP neotại vị trí có tọa độ(𝜌0= −12,7 𝜇𝑚, 𝑧0= 24 990 𝜇𝑚) Với vị trí này thì khoảngcách giữa từ vị trí của DMP neo đến TC nhỏ hơn CL của phân tử ADN, nghĩa làđộcăngcựcđạicóthể𝐿 𝑠𝑡𝑟g ầ n bằngchiềudàitổng, Ç𝑚𝑎𝑥= √(𝜌𝑡𝑐− 𝜌0)2+(𝑧𝑡𝑐− 𝑧0)2≈ 𝐿𝑠𝑡𝑟≤ 16.25𝜇𝑚 ≈ 𝐿,đểbảo đảm phântửADNkhôngbịđứttrongquátrìnhkéocăng.Hình4.7làkếtquảkhảosátsựthay đổi của các lực tác động lên DMP bẫy trong quá trình kéo căng phân tửADN.Lựcdọccógiátrị≈17,5.10 −13 𝑁khiDMPbẫynằmtạivịtrí

𝑧 0= 24990𝜇𝑚 và giảm xuống 5.10 −13 𝑁khi nó chuyển đến vị trí

𝑧 i= 24997𝜇𝑚hailựctácđộnglênDMP bẫy bằngnhau,tứclà chúngtriệttiêunhau Hình4.7a.T ạ i đó,DMPbẫychỉ daođộngdướitácđộngcủa lựcBrown. Đặctrưngnày cũngxảy ratươngtựđốivớicáclựcngangHình4.7b,cânbằngl ự c n g a n g d ẫ n đ ế n D M P b ẫ y d a o đ ộ n g B r o w n x u n g q u a n h v ị t r í𝜌 0 −3,1.10 −4 𝜇𝑚 Như vậy, trong trường hợp này DMP bẫy được kéo đến vị tríbẫy(𝜌𝑡𝑟𝑎𝑝= −3,1.10 −4 𝜇𝑚,𝑧𝑡𝑟𝑎𝑝= 24997𝜇𝑚) màkhông ké ovàoTC tạivịtrí(

Hình4.8Đặctrưngvịtrí-thờigiana:hướngtâm,b:dọctrục.

Hơn thế nữa, TGOF lớn hơn nhiều so với LGOF, trong khi đó EF dọc nhỏhơnEFngang,dođó,DMPbẫycóxuthếchuyểnđộngtrêntrụchướngtâmvớitốcđộlớnh ơn.

Khảosátđặctrưngvịtrí- thờigiancủacácDMPbẫycóvịtríbanđầukhácnhau:Hình4.9a:trêntrụchướngtâmvớizo 24990àm;

Hỡnh4.9c:trờntrụclaservớipo=-12,7àm(đỏ),po=-9àm(xanhlơ),po=-

7àm(xanhlỏcõy),po=-5àm(xanhdương)vàpo=-3àm(đen).

Hình4.9Đặ c trưngvịtrí- thờigiancủacácDMPbẫycóvịtríbanđầukhác nhau Điều này được thấy rõ hơn trên Hình 4.8, mô tả vị trí của DMP bẫy theothời gian Từ Hình 4.8a, nhận thấy về mặt bản chất, đường đặc trưng thời giankéo-vịtríDMP bẫy phù hợpvới kết quả khảo sát đặc trưng thờigiank é o - đ ộ căng của phân tử ADN bằng thực nghiệm của Fu và cộng sự [102] hình nhỏ phíatrên Hình 4.9d Sau thời gian khoảng 80sDMP bẫy di chuyển một quãngđường gần 13m theo phương hướng tâm, nhưng phải cần đến khoảng 15s để dichuyển một khoảng 7m trên trục dọc Hình 4.8b Đây là một đặc tính chuyểnđộng của DMP bẫy trên trục dọc mà đến nay vẫn chưa được quan tâm Như đãchỉratrongcáccôngtrình[86],

[88]khiD M P bẫycànggầntrụclaserthìthời gian di chuyển vào TC càng ngắn Điều này có thể khẳng định lại khi khảo sátthời gian kéo DMP bẫy vào TC khi vị trí ban đầu thay đổi Hình 4.9a Thời giantăng từ40 às (đường màu đen) lờn đến 80às (đường màu đỏ) khi chuyển vị trớbanđầucủa DMPbẫyt ừ 0= −4àm, 1000 àm)m ếnđ p 0= −12,7μm,vớicỏcm.

Trường hợp khi mà DMP bẫy đặt chính trên mặt thắt chùm tia thì không cóLGOFt á c đ ộ n g n ê n D M P b ẫ y t h ự c h i ệ n d a o đ ộ n g n g ẫ u n h i ê n t ư ơ n g t ự n h ư trong Hình 4.2b Trừ trường hợp này ra, thời gian kéo DMP bẫyvào TC sẽ tăngkhi vị trí ban đầu của DMP bẫy gần mặt thắt chùm, tức là khimà độc ă n g c ự c đạicóthểmaxg i ả m Hiệntượngnàycóthểgiảithíchnhư sau:khi DMPb ẫy tiếng ẫ n đ ế n T C t h ì L G O F g i ả m dẫnđ ế n v ậ n t ố c c h u y ể n đ ộ n g c ủ a D M P b ẫ y giảm Hình 4.7a, hơn thế nữa khi DMP bẫy đặt gần TC hơn Hình 4.9b,c thì vị tríbẫy cũng dịch gần hơn về phía TC, tức là quãng đường di chuyển của DMP bẫytrong quá trình kéo dài hơn Chính hai lý do này là nguyên nhân làm tăng thờigianbẫy.

Mộtđiểmquantrọngcóthểthấyởđâylàthời giankéocũngnhưvịtríbẫ y phụ thuộc vào tương quan giữa CL (- c )c ủ a p h â n t ử A D N v à c h i ề u d à i căng nhất có thể (maximum stretchable length-MSL, tr ) của nó Như chỉ ratrongB ả n g 4 1 , k h i v ị t r í b ẫ y c à n g g ầ n t â m b ẫ y (p tc= 0 μm,vớicácm, ztc% 000μm,vớicácm)thì chiều dài căng nhất có thể sẽ ngắn hơn, nhưng thời gian kéo vihạt vào vị trí bẫy dài hơn Nhận định trên được khẳng định lại khi khảo sát đặctrưng vị trí-thời gian của các DMP bẫy có vị trí ban đầu trên trục chùm laser vàkhoảngcácht ớ i t â m k ì m k h á c n h a u : ( 𝜌 0= 0𝜇𝑚, 𝑧 0= 10𝜇𝑚 )-(blue),(𝜌 0=

Xanh dương (-12.7,24996) (0,24999.5) 13.17 250000 Xanh lácây (-12.7,24994) (0,24999.0) 13.65 225000 Xanh lơ (-12.7,24992) (0,24998.2) 14.13 185000 Đỏ (-12.7,24990) (0,24997.0) 14.50 155000

Xanh lơ (-09.0,24990) (0,24999.0) 12.72 260000 Xanh lácây (-07.0,24990) (0,24999.3) 11.64 275000 Xanh dương (-05.0,24990) (0,24999.5) 10.73 280000 Đen (-

Trong tấtcảc á c t r ư ờ n g h ợ p , D M P b ẫ y l u ô n l u ô n c ó x u h ư ớ n g d ị c h chuyển về phía TC, nhưng chỉ tới vị trí bẫy lân cận TC mà không bao giờ tớiđúngT C R õ r à n g m ặ c d ù v ị t r í b a n đ ầ u c ủ a D M P b ẫ y g ầ n T C h ơ n d ẫ n đ ế n chiều dài căng cực đạicó thể sẽ ngắn hơn, nhưng thời gian kéo vào vịt r í b ẫ y vẫn tăng lên mặc dù không đáng kể, vì khi đó tỉ số giữa LGOF và EF dọc giảm,cùng với tính đối nhau của chúng làm cho vận tốc trung bình của DMP bẫy giảmxemHình4.11.

ThờigiankéoDMPbẫytrêntrụcchùmtiađónggópchínhvàothờigiankéotổnghayt hờigiankéoduỗiphântửADN.Dođó,đâylàđiểmđángđượcquantâmtrong quá trình khảo sát động học của DMP bẫy gắn với phân tử ADN trên trụcchùmtiavàthayvìkhảosátquátrìnhkéoduỗiphântửtrongkhônggian3Dbằng

2D Với mục đích này, chúng ta xét một phân tửADN trong NOTW sử dụng

LGBbanđầuvớiW i𝑛= 0,01𝑐𝑚 ,thayđổitừ𝐼 0 1,002.10 5 W/𝑐𝑚 2 xuống𝐼 0 =0,998.10 5 W/𝑐𝑚 2 được gắn với DMP polystyrene ặt tại hai vị trí ban ầu khác đ đ nhautrêntrụclaser.Hình4.12thểhiệncácđặctrưngvịtrí- thờigiancủaDMPbẫytạihaivịtríbanđầukhácnhauvàcườngđộlaserđỉnhkhácnhau.Bằngc ỏchtinhchỉnhtăngcườngđộlaserđỉnh,tọađộcủaTCthayđổi(po=0àm,zo8,04àm), (po=0àm,zo1,1àm),(po=0àm,zo00àm),

(po=0àm,zo01àm)và(po=0àm,zo02àm),cànggầnvịtrớbanđầucủaDMPbẫy. Doquanhệ

𝐿 𝑠𝑡𝑟≈ Ç 𝑚𝑎𝑥< 12𝜇𝑚≤ 𝐿 𝑐= 16,24𝜇𝑚luônluônthỏamãn,nênDMPbẫyđặttạivị trí(𝜌0 0 𝜇𝑚, 𝑧0= 990 𝜇𝑚)sẽ được kéo tới tất cả cácTC, trong khi đó, DMPbẫy đặt tại vị trí(𝜌0= 0𝜇𝑚,𝑧0= 994 𝜇𝑚)chỉ được kéo tới ba TC và không baogiờtớicácTCxahơnvìkhiđóÇ 𝑚𝑎𝑥≥ 17𝜇𝑚>16,24𝜇𝑚=𝐿 𝑐

Trong trường hợp điều khiển trên trục laser nhờ NOTW, DMP bẫy khôngnhững di chuyển thẳng đến vị trí bẫy mà còn thực hiện dao động ngẫu nhiên trênmặt phẳngthắtchùmHình4.12.

Hình4.12Cácđườngđặctrưngvịtrí- thờigiancủaDMPbẫytạihaivịtríbanđầukhácnhautrêntrụclasertrongNOTWsửdụn gcườngđộđỉnhlaserkhácnhau.Io=1,002.10 5 W/cm 2 (xanhlơ),Io=1,001.10 5 W/ cm 2 (xanhlácây),Io=1.10 5 W/cm 2 (đỏ),Io

=0,999.10 5 W/cm 2 (xanhdương),Io=0,998.10 5 W/cm 2 (đen),vớiW in =0,05cm.

Hình 4.13Quỹđạo của DMP bẫytrêntrụclasercườngđộđỉnh laserkhác nhau. TrongHình4.13,cườngđộđỉnhlaserđươcxácđịnhI 0= 1,002.10 5 W/𝑐𝑚 2 (xanhlơ),I 0= 1,00.10 5 W/𝑐𝑚 2 (đỏ),Io=0,998.10 5 W/𝑐𝑚 2 ( en).đ

Hình4.14ChuyểnđộngBrowncủaDMPttạivịtríbẫy,khảo sátchotrườnghợpI 0= 1,000.10 5 W/cm 2

Daođộngngẫunhiênnàycũngxảyratrêntrụclaser,khiDMPbẫynằmtại vị trí bẫy Hình 4.14 Tuy nhiên, biên độ dao động lớn nhất chỉ vào khoảng10 −6 𝜇𝑚