Optical Tweezers

Lo studio dei fenomeni luminosi risale all’antichità e da sempre è stato uno dei principali motori nella ricerca scientifica. In particolare, la creazione e lo sviluppo delle sorgenti laser ha permesso non solo di studiare il mondo a scala microscopica, ma anche di manipolarlo a proprio piacere.
Nel 1970 Arthur Ashkin dimostrò per la prima volta che la pressione di radiazione di una sorgente laser nel visibile poteva essere usata per muovere particelle di dimensioni micrometriche in un fluido, aprendo così la strada per la futura creazione delle pinzette ottiche. Le pinzette ottiche sfruttano il momento della quantità di moto trasportato da un fascio luminoso per creare una buca di potenziale dove oggetti microscopici possano essere intrappolati. Questa tecnica richiede un appropriato equilibrio tra due tipi di forze: da un lato la forza di scattering, che spinge gli oggetti nella direzione di propagazione del fascio di luce, e dall’altra la forza di gradiente, che muove gli oggetti lungo la direzione del gradiente di intensità luminosa. Quando le forze di gradiente sono più intense di quelle di scattering, un oggetto viene attratto verso le zone nella quali si ha massimo di intensità luminosa di un fascio laser focalizzato, dove esso risulta quindi intrappolato tridimensionalmente.
Le pinzette ottiche in dotazione nel laboratorio del gruppo di ricerca LaFSI usano due fasci laser contro-propaganti con lunghezza d’onda nel vicino infrarosso, i quali sono focalizzati grazie a due obiettivi da microscopio con grande apertura numerica. In tal modo le forze di scattering sono minimizzate e una sfera micrometrica può essere stabilmente intrappolata nel fuoco dei due fasci laser: in questa posizione la trappola ottica si comporta come una molla di Hook e forze definite possono essere applicate alla sfera spostando quest’ultima dal centro della trappola. Con tale strumento è possibile esercitare muovere gli oggetti intrappolati con una risoluzione spaziale di 0.5 nm, applicando su di essi forze comprese tra 0.5 e 100pN.

 

 

Oltre a svariati studi nel campo della microfluidica e dei fluidi complessi, le pinzette ottiche possono essere utilizzate anche per ricerche in ambito biologico, dal momento che alla sfera intrappolata nella trappola ottica può essere ancorata la molecola biologica di interesse mediante opportuni processi bio-chimici. L’altra estremità della molecola è inoltre ancorata ad una seconda sfera, mantenuta fissa per suzione sulla punta di una micro-pipetta. Tutti gli esperimenti vengono realizzati all’interno di un dispositivo micro-fluidico, il cui design che può essere modificato di volta in volta a seconda dei diversi esperimenti scientifici che si vogliono realizzare. Infine, un sistema di sei rivelatori (photo-sensitive detectors) viene utilizzato per registrare le deviazioni dei fasci luminosi indotte dal movimento degli oggetti presenti nella trappola ottica, permettendo così di risalire alle forze ad essi applicate e alla loro distribuzione tri-dimensionale.

 

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