Единый портал инновационной деятельности Самарской области
АНКЕТА ИССЛЕДОВАНИЯ

Развитие методов лазерного манипулирования

оптический пинцет; лазерное манипулирование; вихревые поля; динамическая манипуляция

Рубрикатор ВИНИТИ

291, Физика

Наименование базовой организации

Самарский филиал федерального государственного бюджетного учреждения науки Физического института им. П. Н. Лебедева Российской академии наук
Количество организаций: 1

Научный руководитель

Котова Светлана Павловна
кандидат физико-математических наук
старший научный сотрудник
Число монографий: 0
Число учебно-методических изданий: 10
Число научных работ в зарубежных издательствах: 95
Число статей в журналах ВАК: 57
Число патентов: 1

Развитие методов лазерного манипулирования

Критические технологии

  • Нано-, био-, информационные, когнитивные технологии.

Длительность проведения исследования

более 5 лет

Аннотационное описание сущности

Оптическое манипулирование микро- и нанообъектами - одно из бурно развивающихся направлений современной оптики и лазерной физики. Актуальной задачей в этой области исследования является расширение функциональных возможностей оптических манипуляторов с возможностью управления процессом манипулирования в реальном времени. Эта задача может быть решена путем использования в схеме манипулятора многоэлементного ЖК пространственного модулятора света, который позволяет не только генерировать световые пучки сложной конфигурации, в том числе с вихревой компонентой, но и управлять процессом манипулирования в реальном времени. Особенность наших подходов состоит в следующем. Во-первых, для формирования в плоскости манипуляции разнообразных ловушек и их массивов (в виде точек, колец, отрезков с задаваемыми индивидуально положением и характеристиками), а также ловушек сложной пространственной конфигурации используется принцип пространственного разделения рабочей области модулятора. Преимуществами этого метода по сравнению с наиболее часто используемыми, так называемыми, голографическими оптическими пинцетами являются высокая дифракционная эффективность, а также полная независимость в управлении каждым элементом. Во-вторых, особенностью и преимуществом наших экспериментов является возможность реализовать самые разнообразные траектории, по которым можно перемещать объекты (меняя при этом направление движения и вид траектории), за счет использования оптики спиральных пучков.
Для формирования управляемых одиночных ловушек в качестве недорогой альтернативы многоэлементному ЖК модулятору предлагается использовать предложенный и разработанный в СФ ФИАН модальный перестраиваемый ЖК фокусатор [С.П. Котова, В.В. Патлань, С.А. Самагин. Перестраиваемый жидкокристаллический фокусатор. Квантовая электроника, т.41, №1] Это достаточно простое устройство, позволяющее формировать переменный фазовый профиль по апертуре на основе S-эффекта в нематических жидких кристаллах при малом числе управляющих контактов. ЖК фокусатор может реализовывать различные распределения фазового пропускания, включая вращающуюся цилиндрическую линзу, клин, усеченный аксикон.
Задача исследования поведения микрообъектов в оптических ловушках, прежде всего, сводится к задаче описания световых полей, в том числе сложной структуры, при острой фокусировке. Проблема теоретического и экспериментального исследования световых полей при острой фокусировке уже многие годы является актуальной для современной электродинамики. Для решения этой задачи чаще всего используются методы теории возмущений для нахождения поправок к решению параболического уравнения или методы численного интегрирования уравнений Максвелла. Необходим поиск способов расчета сил, действующих на микроскопические объекты со стороны вихревых полей сложной пространственной конфигурации.
Преимущества использования оптического манипулирования в биологических и медицинских задачах очевидны. Это возможность бесконтактного воздействия на изучаемый объект, что обеспечивает непревзойденную стерильность, а также управления положения объектом с субмикронным масштабом и силами порядка пиконьютонов. Работы по использованию оптических пинцетов в медицине и биологии ведутся во всем мире [Zhang H., Liu K.-K. Review. Optical tweezers for single cells // J. R. Soc. Interface, 2008. V. 5. pp.671-691]. Очень часто объектом этих исследований являются эритроциты Имея определенный опыт в использовании оптических пинцетов для изучения механических свойств эритроцитов, мы планируем продолжить исследования особенностей поведения микроскопических объектов биологического происхождения в ловушках, в том числе, имеющих сложную структуру, а также исследование влияния различных факторов на деформируемость эритроцитов.

Научная новизна исследования

Особенностью и преимуществом наших экспериментов по расширению функциональных возможностей лазерных манипуляторов является использование подхода, основанного оптики спиральных пучков. Для задач манипуляций принципиальными являются следующие свойства спиральных пучков. В отличие от световых полей с заданным распределением интенсивности, формируемых ранее известными методами, спиральные пучки сохраняют свою структуру в любой плоскости наблюдения и фокусировки. Таким образом, данное свойство спиральных пучков позволяет весьма гибко менять их форму при сохранении структурной устойчивости, что представляет существенный интерес для лазерной медицины и технологии. Во-вторых, вихревой характер распространения световой энергии в пучках обуславливает то, что пучки обладают существенно ненулевым угловым моментом количества движения. Это проявляется в том, что микроскопические объекты размерами в десятки микрон (например, живые клетки), помещенные в область фокусировки такого пучка, могут приводиться во вращение вокруг своего центра инерции, удерживаться в заданной области пространства, подвергаться неоднородным заданным деформациям и т.п.
Для формирования ловушек различной пространственной конфигурации и их массивов предлагается использовать жидкокристаллические модуляторы света, как многоэлементного HOLOEYE HEO-1080P, так и разработанных в СФ ФИАН модальных линз и фокусаторов. Использование последних для формирования управляемых одиночных ловушек в качестве недорогой альтернативы многоэлементному ЖК модулятору является технологически новым решением.
Теоретическое описание экспериментов по манипулированию микрочастицами посредством ловушек сложной пространственной конфигурации является нетривиальной задачей. Сформированные световые поля являются непараксиальными и не имеют радиальной симметрии, которая позволяет упростить нахождение решения в некоторых случаях. В условиях эксперимента теория Ричардса-Вольфа и теория возмущений, которые используются в большинстве современных работ, не применимы. Необходим поиск способов расчета сил, действующих на микроскопические объекты со стороны вихревых полей сложной пространственной конфигурации.
Вопросы манипулирования биологическими объектами световыми полями, в том числе, имеющими вихревой характер являются малоизученными. Важное место в этой сфере занимают задачи по исследованию механических свойств клеток крови. Разработка методик для изучения влияния на деформируемость клеток крови различных физиологических процессов и патологических состояний организма методом лазерного пинцета является новым и востребованным направлением.

Опубликованные результаты научного исследования

1.	A. Korobtsov, S. Kotova, N. Losevsky, A. Mayorova, V. Patlan, E. Timchenko, N. Lysov and E. Zarubina Optical Tweezers Technique for the Study of Red Blood Cells Deformation Ability// Laser Physics, 2012, Vol.22, No 7, pp.1265-1270.
2.	Abramochkin E.G., Kotova S.P., Korobtsov A.V., Losevsky N.N., Mayorova A.M., Rakhmatulin M.A. and Volostnikov V.G. Microobject Manipulation Using Laser Beams with Nonzero Orbital Angular Momentum // Laser Physics, 2006, Vol. 16, No. 5, pp. 1-7
3.	S.P. Котова, V.V. Patlan, S.A. Samagin. Wavefront Formation Using Modal Liquid-Crystal Correctors// Physics of Wave Phenomena, 2010, Vol. 18, No.2, pp. 96-104
4.	Kotova S.P., Patlan V.V., Samagin S.A. Journal of Optics, 15(3), 035706 (2013). doi:10.1088/2040-8978/15/3/035706
5.	K Afanasiev, A Korobtsov, S Kotova, N Losevsky, A Mayorova, V Patlan, V Volostnikov Further Development of the Laser Tweezers Technique for Biomedical Applications Journal of Physics: Conference Series 414 (2013) 012017 (http://iopscience.iop.org/1742-6596/414/1/012017)
6.	Котова С.П., Патлань В.В., Самагин С.А. Перестраиваемый жидкокристаллический фокусатор. 1. Теория // Квантовая электроника. - 2011. - Т.41., №1. - С.58-64. 2. Эксперимент // Квантовая электроника. - 2011. - №1. - С.65-70.
7.	Абрамочкин Е.Г., Афанасьев К.Н., Волостников В.Г., Коробцов А.В., Котова С.П., Лосевский Н.Н., Майорова А.М., Разуева Е.В. Формирование вихревых световых полей с заданной формой интенсивности для задач лазерной манипуляции микрообъектами // Известия РАН, серия физическая, 2008, № 1. - С. 76-79

Сведения о наиболее близких исследованиях

Существует большое количество работ по использованию для манипуляции микрообъектами пучков Бесселя высших порядков [J. Arlt, V. Garces-Chavez, W. Sibbett, and K. Dholakia, Optical micromanipulation using a Bessel light beam //Opt. Commun. 197, 239–245 (2001); В.А. Сойфер, В.В. Котляр, С.Н. Хонина, Р.В. Скиданов Вращение микрочастиц в световых полях. Компьютерная оптика 2005, с.5-17; S. Zwick, Ch. Schaub, T. Haist, and W. Osten, Light fields with an axially expanded intensity distribution for stable three-dimensional optical trapping// Opt. Express, 19 , 19941 (2010)].
Наибольшую популярность для формирования массивов ловушек в настоящее время приобрел метод на основе применения синтезированных компьютером голограмм (голографические оптические пинцеты). Комбинация голографических оптических пинцетов с программируемыми жидкокристаллическими пространственными модуляторами света (SLM, ПМС) [Melville H., Milne G. F., Spalding G. C., Sibbett W., Dholakia K., and McGloin D., Optical trapping of threedimensional structures using dynamic holograms//, Opt. Express 11, 3562–3567 (2003); Jesacher A., F¨urhapter S., Bernet S., Ritsch-Marte M. Diffractive optical tweezers in the Fresnel regime// Optics Express, Vol.12, No.10, 2004, pp.2243-2250; Jesacher A., Maurer С., Bernet S., Schwaighofer А. and Ritsch-Marte M. Optic Express 16, 4479 (2008).позволяет за счет проецирования последовательности голограмм формировать динамические массивы оптических ловушек, что дает возможность в режиме реального времени осуществлять различные перемещения микрообъектов.
Работы по использованию оптических пинцетов в медицине и биологии ведутся во всем мире [Zhang H., Liu K.-K. Review. Optical tweezers for single cells // J. R. Soc. Interface, 2008. V. 5. pp.671-691]. Очень часто объектом этих исследований являются эритроциты [M. Gu, S Kuriakose et al. A single-beam near-field laser trap for optical stretching, folding and rotation of erythrocytes// Opt. Express, 2007, Vol.15, No. 3, 1369-13754; B. Ahluwalia, P. McCourt, et al. Optical trapping and propulsion of red blood cells on waveguide surfaces// Opt. Express, 2010, Vol.18, No. 20, 21053-21061].

Планируемые результаты и практическая значимость

Будут исследованы особенности формирования оптических ловушек различного типа, включая ловушки с вихревой компонентой, и их массивов с помощью многоэлементного жидкокристаллического модулятора света и перестраиваемого жидкокристаллического фокусатора, а также особенности поведения микроскопических объектов в ловушках, имеющих сложную структуру. Будут использованы различные типы лазерных источников и усовершенствована метрологическая система манипулятора.
Планируется разработать метод расчета напряженности электрического поля остро сфокусированных световых пучков и сил их взаимодействия с микрочастицами в заданных условиях. На основе полученных результатов предполагается разработать программное обеспечение для расчета сил, действующих на частицы в световом пучке.
Планируется развитие методики определения деформируемости эритроцитов при помощи оптического пинцета. В частности, будут усовершенствованы программы автоматизации обработки видеороликов с растягиваемыми эритроцитами, что позволит набирать адекватную статистику. Будут продолжены эксперименты по определению деформируемости эритроцитов человека при моделировании воздействия различных физических и химических факторов (в частности, влияния на деформируемость концентрации лактата, глюкозы, лекарственных препаратов и т.д.). Будет исследована динамика изменения сил, действующих на эритроцит со стороны оптической ловушки, с учетом изменения формы эритроцита в процессе растяжения.
Практическая значимость планируемых исследований состоит в следующем. На основе вихревых полей может быть создан принципиально новый инструментарий для задач микро- и нанотехнологий. Лазерный манипулятор с использованием вихревых световых полей позволит перемещать объекты по заданным траекториям (окружность, треугольник, квадрат, спираль Архимеда); осуществлять ручную или автоматическую сортировку объектов по заданным признакам; реализовать оптический миксер для перемешивания частиц и жидкостей в микрообъемах. Планируемые результаты позволят разработать описание взаимодействия лазерных полей с микрочастицами, и могут быть использованы в задачах лазерных микроманипуляций. Разрабатываемые методики по изучению деформируемости клеток крови при различных условиях и воздействиях с использованием оптического пинцета будут востребованы в медицине как для диагностики организма человек в целом, так и для определения влияния на организм новых лекарственных препаратов.

Форма передачи и организация внедрения результатов исследования


										

Финансирование работ со стороны федеральных целевых программ

ФЦП: Научные и научно-педагогические кадры инновационной России

Наименование заключенного государственного контракта: Управление пространственной структурой оптических полей и их взаимодействие с микрообъектами, наночастицами и атомными системами (ГК № 14.740.11.0063)

Год начала исполнения государственного контракта: 2010

Год окончания исполнения государственного контракта: 2012

Объем финансирования по государственному контракту: 5200000

Степень участия: соисполнитель

ФЦП: Научные и научно-педагогические кадры инновационной России

Наименование заключенного государственного контракта: Разработка новых методов синтеза и анализа световых полей на основе современной оптики гауссовых пучков (ГК № П1135 от 27.08.2009)

Год начала исполнения государственного контракта: 2009

Год окончания исполнения государственного контракта: 2011

Объем финансирования по государственному контракту: 4200000

Степень участия: головной исполнитель

Финансирование работ в рамках Постановление Правительства России от 9 апреля 2010 г. N 218

Нет

Финансирование работ в рамках грантов Российского фонда фундаментальных исследований

Наименование гранта: Манипуляция микрообъектами лазерными пучками с ненулевым угловым моментом (04-02-96508-р2004поволжье_а)

Год начала исполнения: 2004

Год окончания исполнения: 2006

Объем финансирования: 290000

Степень участия: головной исполнитель

Наименование гранта: Спиральные пучки для исследования механических свойств биологических объектов (№07-02-01280-а)

Год начала исполнения: 2007

Год окончания исполнения: 2008

Объем финансирования: 900000

Степень участия: головной исполнитель

Наименование гранта: Синтез когерентных световых полей на основе оптики спиральных пучков для лазерного манипулирования (№07-02-12221-офи)

Год начала исполнения: 2007

Год окончания исполнения: 2008

Объем финансирования: 1600000

Степень участия: головной исполнитель

Наименование гранта: Использование оптического пинцета для ранней диагностики функционального состояния организма (№ 09-02-13596-офи-ц)

Год начала исполнения: 2009

Год окончания исполнения: 2010

Объем финансирования: 1200000

Степень участия: головной исполнитель

Наименование гранта: Формирование оптических ловушек с помощью перестраиваемого жидкокристаллического фокусатора (№13-02-97006-р_поволжье_а)

Год начала исполнения: 2013

Год окончания исполнения: 2013

Объем финансирования: 200000

Степень участия: головной исполнитель

Финансирование работ по контрактам, договорам, грантам, не указанных (ФЦП, 218, РФФИ)

Нет

Связи по совместному развитию

МГУ; ИСОИ РАН; Институт физики НАН (Украина)

Потребности по привлечению компетенций

Нет

Общее кол-во научных работников

9

Количество научных работников имеющих степень доктора наук

2

Количество научных работников имеющих степень кандидата наук

5

Общее количество вспомогательного и обслуживающего персонала

2

Наименование темы и номер гранта ведущей научной школы РФ

3 сотрудника: специалист в области когерентной оптики, электронщик, программист

Потребность в научных работниках в ближайшие 3 года и их специализация

3 сотрудника: специалист в области когерентной оптики, электронщик, программист

Потребность во вспомогательном и обслуживающем персонале в ближайшие 3 года

0

Общее количество единиц научного и лабораторного оборудования, используемого в исследовании

0

Наиболее значимое научное и лабораторное оборудование

Экспериментальный комплекс для изготовления масок на основе бихромированной желатины, включающий:
- аргоновый лазер ILM-120;
- набор реактивов и голографических фотопластинок для изготовления ДОЭ
- установку голографическую УИГ-12М;
- компьютер на базе Intel Core2Duo 3000 с монитором Apple Cinema 23”.
Экспериментальный комплекс для программного управления фазовой модуляцией излучения, включающий:
- компьютер на базе AMD Atlon 2600 с монитором LG Flatron 19”;
- компьютер на базе Intel Core2Duo 3000 с монитором Apple Cinema 23”;
- пространственный жидкокристаллический лазерный модулятор света HEO 1080P;
- установку голографическую УИГ-12М.

Набор лазерных источников:
- лазер ILM-120 (аргоновый);
- лазер ЛГН 223-1 (гелий-неоновый);
- волоконный лазер (ИТЛАРЬ 1100);
- излучатель ИЛТН-4001 и источник питания ИП - 39-6,0 № 890;
- лазер ЛГН 502 (аргоновый);
- лазер HPR350-EC (гелий-неоновый);
- лазер LCS-DTL-318.
Лабораторный образец оптического пинцета на базе микроскопа XSP-108

Количество средств вычислительной техники

10

Потребность в научном и лабораторном оборудовании с учетом прогноза развития исследования в ближайшие 3 года и плановой замены имеющегося оборудования

- ПЗС камера высокого разрешения с системой оцифровки изображения для анализа структуры светового поля;
- Оптические элементы: четвертьволновые пластинки (0,488 мкм, 0,8 мкм), поляризаторы, микрообъективы для сборки оптических схем

Текущая потребность в средствах вычислительной техники

2 современных компьютера, проекционная система, принтер

Используемое специализированное лицензионное программное обеспечение

Текущая потребность в специализированном лицензионном программном обеспечении

Математические пакеты, антивирусные пакеты программ, Corel Draw

Оценочная стоимость необходимого научного и лабораторного оборудования, средств вычислительной техники и программного обеспечения

Не указана