Ứng dụng của bẫy quang học

Bẫy quang học được dùng để bẫy những hạt điện môi, virus, vi khuẩn, tế bào sống, phân tử sinh học, hạt kim loại nhỏ và những sợi DNA... Ứng dụng để giam cầm, để quản lí (chọn lọc tế bào), để theo dõi sự dịch chuyển (vi khuẩn, virus), để áp dụng và đo đạc các lực rất nhỏ, v.v..

Trong khoa học sinh học, hệ thống này có thể được ứng dụng để nghiên cứu đặc tính cơ học tĩnh và động học của tế bào và các đại phân tử. Nó có thể cho chúng ta thực hiện thao tác trên những phân tử sinh học, nhận biết đặc trưng khác nhau và điều chỉnh đường đi tại các lớp phân tử. Hơn nữa, nó còn cho phép chúng ta thao tác trên tập hợp tế bào sinh học hữu cơ.

Trong chất keo vật lí, bẫy quang học được dùng để nghiên cứu tương tác giữa các hạt nhỏ.

Trong nghiên cứu công nghệ nano, bẫy quang học được dùng để diều khiển thành phần cơ học vi mô và đo đạc thông số cơ học của hệ vi mô.

Hệ thống này có thể được dùng không chỉ một bẫy quang học trừ khi làm nền cho nghiên cứu tương tác giữa laser và những hạt nhỏ, bởi việc mở rộng chức năng của nó có thể dùng để nghiên cứu quá trình biến đổi hạt vật chất với những bước sóng khác nhau và thời gian xung khác nhau của laser.

Một trong những ứng dụng nổi bật của bẫy quang học là dùng để bẫy những phân tử DNA, từ đó các nhà nghiên cứu sẽ quan sát chuyển động và tìm hiểu tính chất vật lí, các thuộc tính quang. Bẫy quang học cũng được mở rộng để ứng dụng trong các nghiên cứu về hạt điện môi trong các môi trường khác

nhau. Ví dụ : hạt thủy tinh trong nước, hồng cầu trong huyết tương, các loại virus trong huyết tương....

Ngày nay, bẫy quang học được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Chúng được dùng để bẫy những virut, vi khuẩn, những tế bào sống, và cả những sợi DNA. Chẳng hạn, từ một mẫu nhỏ có hàng triệu số vi khuẩn, một vi khuẩn đơn có thể được nhặt lên và được dịch tới vị trí nơi mà những sự nghiên cứu có thể được thực hiện. Trong lĩnh vực sinh học, bằng việc kết hợp bẫy quang học với những chùm Laser, chúng ta có thể thực hiện được việc "phẫu thuật " trên nhiều vi hạt. Ví dụ bẫy quang học có thể được dùng để bẫy những nhiễm sắc thể và cắt chúng thành những phần nhỏ dùng một IR (1064nm) màu xanh (532nm) như cái kéo quang học ( kéo Laser).

Bẫy quang học được dùng trong sinh lý học trong sự nghiên cứu những phân tử chuyển động. Những phân tử chuyển động như là “máy protein" có chức năng chuyển năng lượng hóa học thành cơ năng. Loại phân tử này có mặt trong nhiều vùng như sự phân chia tế bào, nhập nội bào, và sự làm giảm bớt cơ bắp. Protein, một trong số hóa chất quan trọng nhất trong cơ thể con người, có thể được nghiên cứu thông qua bẫy quang học. Chẳng hạn năm 1993, bẫy quang học được dùng để theo dõi bước dịch chuyển riêng của phân tử chuyển động kinesin. Chuyển động được tạo ra bởi protein được xác định với sự chính xác lớn hơn khi dùng bẫy quang học. Những nguyên lí tương tự cũng được dùng để khám phá những protein khổng lồ. Ngoài việc bẫy các đối tượng chuyển động, bẫy quang học còn được dùng để tạo ra chuyển động quay. Ví dụ, năm 1991 lực gradient được tạo ra để kiểm soát chuyển động quay của hồng cầu. Bẫy quang học cũng được dùng trong việc thụ tinh trứng. Một tia Laser cực tím được dùng để cắt một lỗ ở vỏ ngoài của trứng và dời tinh trùng đến đầu của trứng. Rồi trực tiếp trong bẫy quang học dùng để đặt tinh trùng vào trong trứng, do đó tăng cơ hội thụ tinh. Một khả năng khác nữa của bẫy quang học là giúp đỡ các nơtron lớn lên. Một nơtron lớn lên tiến tới một chất laminine, và

bẫy quang học có thể dùng để đặt laminine gần một nơtron, việc này dùng để cấy tủy sống. Bẫy quang học cũng được dùng để cô lập và di chuyển những tế bào phá hủy tế bào ung thư lại gần tế bào ung thư, tạo thành những tế bào giết để phá hủy những tế bào gây ung thư. Những nghiên cứu tự nhiên này rất quan trọng đối với sự hiểu biết của chúng ta về hệ gen của con người. Trong tương lai nó có thể dùng để điều chỉnh sự đóng mở của nhiều chuỗi hợp chất hữu cơ có trong protein và khám phá thông số năng lượng của những quá trình chưa thấy được trong cơ thể người. Bẫy quang học ngày càng trở thành thịnh hành trong các phòng thí nghiệm hiện đại. Thông qua bẫy quang học sẽ bẫy và cô lập để tìm hiểu những hạt cỡ nano trong thân thể chúng ta, từ đó dẫn tới khám phá những bệnh quan trọng như ung thư hay AIDS. Mặc dù bẫy quang học là thiết bị lớn và an toàn khi làm việc, nhưng lại rất đắt để xây dựng. Nhưng đóng góp vai trò to lớn trong nghiên cứu khoa học ngày nay.

1.8. Kết luận :

Trong chương này chúng tôi đã tìm hiểu về quang lực của photon khi chiếu lên hạt mẫu, đặc biệt là quang lực của xung Gauss. Quang lực của chùm laser dạng xung đã được ứng dụng để bẫy các hạt, tùy theo mục đích sử dụng hoặc nghiên cứu các cấu hình bẫy sẽ được xây dựng khác nhau, có nhiều dạng bẫy như: bẫy một chùm Gauss, bẫy hai chùm Gauss, bẫy hai xung Gauss ngược chiều.... Từ các ứng dụng của bẫy quang học, ta thấy rằng để thao tác trên các hạt trong bẫy thì một yêu cầu đặt ra là ổn định của bẫy. Do đó, để bẫy ổn định cần phải đưa ra những điều kiện về mối quan hệ giữa các yếu tố tác động lên đối tượng nghiên cứu. Những vấn đề này sẽ được xem xét trong chương II.

Chương II

SỰ ỔN ĐỊNH CỦA BẪY QUANG HỌC

Ưu điểm của bẫy quang học được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khác nhau để khảo sát các hạt mẫu như hồng cầu nằm trong huyết tương, virus, vi khuẩn trong môi trường của chúng các sợi DNA …Tuy nhiên trong phạm vi của luận văn chúng tôi chỉ khảo sát hạt thuỷ tinh ở trong nước.

Môi trường chứa hạt điện môi này đồng tính và có độ nhớt không thay đổi, nhiệt độ không thay đổi.

2. 2. Các lực tác động lên hạt mẫu

Hạt mẫu trong bẫy quang học chịu tác dụng của nhiều lực: quang lực, lực Brown, lực hấp dẫn, lực ma sát nhớt, lực hydrate...và các lực do chấn động, rung động ngẫu nhiên khi thao tác hay khi đang khảo sát thực nghiệm tác động.

2.2.1. Quang lực

Quang lực: được chia thành 2 thành phần: Lực Gradient (Gradient force) tác động lên mẫu làm cho nó chuyển động theo phương vuông góc với chùm tia; Lực tán xạ (Scattering force) làm cho mẫu chuyển động dọc theo chùm tia.

2.2.2. Lực Brown

Năm 1827, trong khi quan sát hạt phấn hoa và bảo tử Brown đã thấy các hạt nhỏ chuyển động hỗn loạn trong hốc của các hạt phấn. Sau đó ông đã quan sát thấy dạng chuyển động này của các hạt bụi. Điều đó đã cho ông lòng tin

đưa ra giả thuyết rằng dạng chuyển động như hạt phấn hoa là có thật. Tuy nhiên, ông không tự mình đưa ra được lý thuyết giải thích về dạng chuyển động kiểu này. Ngày nay, để vinh danh tên ông hiện tượng này đã được biết như là chuyển động mang tên ông: chuyển động Brown. Khi một hạt nhỏ được nhúng trong chất lưu (fluid) nó sẽ va chạm với các phân tử của môi trường chứa mẫu. Đối với các hạt cực nhỏ (các hạt keo) momen tức thời của các hạt trong môi trường truyền cho hạt mẫu thay đổi ngẫu nhiên làm cho hạt chuy ển động theo một đường đa dạng .

Lực Brown được hiểu là một lực ngẫu nhiên được gây ra do va chạm ngẫu nhiên giữa hạt với các hạt khác của môi trường. Đối với những hạt nhỏ thì lực này làm cho chuyển động của hạt bị thay đổi ngẫu nhiên về hướng và cả độ lớn (hình 2.2).

H×nh 2.1. Sơ đồ mô tả chuyển động Brown

H×nh 2.2.Mô phỏng lực Brown

U∆t ∆t n_i

2.2.3. Lực trọng trường.

Lực trọng trường hay được gọi là lực hấp dẫn của trái đất. Lực này được tính thông qua định luật hấp dẫn của Newton, là lực hút giữa các vật có khối lượng:

F^r= mg^r

trong đó, m là khối lượng của hạt, g là gia tốc trọng trường.

Đối với các hạt có khối lượng nhỏ thì lực trọng trường có thể bỏ qua

2.2.4. Lực ma sát nhớt

Lực ma sát xuất hiện do hạt chuyển động trong môi trường có độ nhớt, lực này tỉ lệ với vận tốc của hạt.

2.2.5. Lực hydrate

Lực do tương tác giữa hạt với các phân tử chất lưu.

Ngoài các lực trên thì hạt còn chịu tác dụng của các lực ngẫu nhiên bên ngoài tác động .Trên cơ đó chúng ta sẽ đi tìm quy luật chuyển động của hạt mẫu

2.2.6. Lực đẩy Acsimet

Là lực đẩy của môi trường tác động lên hạt điện môi theo phương thẳng đứng từ dưới lên

2.3. Quá trình động học của hạt trong chất lưu,phương trình Lagenvin:

Phương trình Langevin là định luật hai Newton đối với các hạt “Brown”, trong đó các lực bao gồm cả lực dính nhớt do chất lưu xung quanh (surrounding fluid) và lực dao động (fluctuation) do va chạm giữa hạt với các phân tử của chất lưu.

F^r

= F^r

+ F^r

+ F^r

Nếu một biến đổi ∆P là tổng của các số giá độc lập δpi giống như ta bước đi ngẫu nhiên (random walk), tức là:

1 , N i i P δp = ∆ =

∑

δ =σ thì biến đổi ngẫu nhiên

∆P

P Nσ

∆ = _{khi N lớn.}

Nội dung của định luật 2 Newton khi đồng thời tính đến sự dao động nhiễu loạn được biểu diễn bằng phương trình Langevin

dv ₀ m v F dt = −

γ

fr

.

gravity

F^r =m g^r

lực Brown : F^r_Brown= 2. . .D h tγ ^r

( )

T k D B.

= , và T là nhiệt độ tuyệt đối.

Thay (2.4), (2.5) vào phương trình (2.3) ta được:

.

d v

m v F F F f

dt = −γ + + + +

r _{r r r r}

r

( )

Phương trình này mô tả quá trình động học của hạt trong chất lưu.Trên cơ sở đó chúng ta sẽ xét đến quá trình động học của hạt khi hạt ở trong bẫy quang học.

2.4. Quá trình động học của hạt dưới tác động của bẫy quang học

Một chùm lazer phát xung có dạng Gauss được giả thiết bẫy được các hạt điện môi có kích thước cỡ nano (bán kính hạt cỡ nano met). Khi được hội tụ mạnh vào mặt phẳng mẫu chứa nước trộn lẫn các hạt thuỷ tinh, chùm lazer se tạo ra quang lực ngang tác động lên hạt thuỷ tinh làm cho nó thay đổi vị trí. Sự phân bố quang lực có quy luật trên mặt phẳng mẫu sẽ giam giữ hạt thuỷ tinh . Giả sử điện trường của lazer phân cực theo trục x, khi đó biên độ điện trường có dạng sau ( )

(

)

( ) ₍ ⁽ ₎ ⁾

exp exp exp / ,

2 ₄ above ikw E z t xE i k z t ikw z kw kz i t zc kw z _{kw z} ρ ω ρ ρ _τ   = _− − _ +           × − × − _− − _   +   ₊   _{ } r (2.11) trong đó, w0 là bán kính mặt thắt của chùm lazer tại mặt phẳng mẫu z=0, là véc tơ vị trí của hạt , x^r là véc tơ đơn vị của phân cực theo trục x , k =2π/λ là số sóng của lazer, ω0 là tần số mang của lazer và τ là độ rộng bán xung của lazer. Đối với một xung lazer có năng lượng xác định U thì hằng số E0 được tính như

sau: _{2 2}

( )

0 4 2 / 2 0 0

E = U ^_n

ε

π τ

H^r( ρ, ,z t) ≅ y n cE

ε ^r( ρ, ,z t)

Từ định nghĩa véc tơ Poyting ta có thể tính phân bố cường độ như sau :

( ) ( )

( )

Để đơn giản ta giả thiết bán kính a của hạt rất nhỏ so với bước sóng a<< λ, khi đó ta có thể bỏ qua quang lực tán xạ ngược. Trong trường hợp này hạt được xem là lưỡng cực điểm. Giả thiết tiếp chiết xuất của hạt n1 lớn hơn chiết suất của môi trường n1>>n2. Sau khi sử dụng các biến đổi của Zhao[16] cho một đơn xung Gauss ta thu được quang lực ngang tác động lên một hạt như sau:

( ) ( ) ( ) ( ( )

)

,

, , ˆ2 , , , , /

1 4

grad above below

F

ρ z t = −ρ β _I ρ z t I+ ρ z t   ρ ^cn wε + z ^

r

% %

(

) ([

) (

)]

( ) ( )

[

]

γρ^r& ( )t +F^r

ρ^r( )t = 2D h tγ ^r( )

6 a

γ = π η _{là hệ số ma sát nhớt,}

η

( ) ( ) ( )

/

B

D k T= γ là hệ số khuyếch tán , T là nhiệt độ tuyệt đối và kB là hằng số Boltzmann

2.5. Các nhân tố ảnh hưởng đến sự ổn định của hạt mẫu

Chúng ta nhận thấy sự ổn định của bẫy quang học là rất cần thiết.Và ta biết rằng để thao tác, đo đạc, khảo sát ... các mẫu trong bẫy quang học nhất thiết chúng ta phải nắm bắt được sự ổn định của mẫu vật trong bẫy. Để làm được điều này chúng ta phải để ý đến các yếu tố ảnh hưởng đến độ phẩm chất của bẫy như: độ rộng mặt thắt chùm Gauss w0 năng lượng đỉnh xung U, độ bán rộng xung τ, ,hệ số ma sát nhớt γ, độ nhớt của môi trường η, chiết suất của các môi trường, nhiệt độ của môi trường T, bán kính hạt mẫu a, bước sóng laser λ...

2.6. Phương pháp mô phỏng.

Như đã nói ở trên, có nhiều lực tác động lên hạt mẫu, có nghĩa là có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định của hạt. Tuy nhiên, trong điều kiện nhất định một số yếu tố có thể bỏ qua.

Trước tiên, chúng ta thấy rằng khi hạt mẫu được pha trộn trong chất lưu có độ nhớt nhất định thì lực đẩy Acsimet làm giảm bớt đi lực hấp dẫn của trái đất tác dụng lên hạt nên chúng ta có thể bỏ qua tác dụng của trọng lực và lực đẩy Acsimet lên hạt .

Thứ hai, có thể bỏ qua lực Hydrate vì tổng hợp các lực do các phần tử môi trường tác động lên hạt cân bằng nhau ,với giả thiết rằng chất lưu là đơn