Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Lézercsipesz Optika szeminárium Butykai Ádám, Orbán Ágnes 2012. április 5.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Lézercsipesz Optika szeminárium Butykai Ádám, Orbán Ágnes 2012. április 5."— Előadás másolata:

1 Lézercsipesz Optika szeminárium Butykai Ádám, Orbán Ágnes április 5.

2 A működés alapjai Sugároptika Maxwell-egyenetek Gyakorlati megvalósítás Alkalmazási területek Legmodernebb berendezések alapelvei Lézeres rácsok Felületi plazmonok Kitekintés Tartalom

3 Optikai csipesz (lézercsipesz) 1970 Arthur Ashkin 1 : nm (baktériumok, vírusok) csapdázása 1986 Steven Chu 2 : atomok magneto-optikai csapdázása és hűtése, Nobel- díj pN nagyságrendű erők alkalmazása és mérése Elmozdulás mérése nm pontossággal Legújabb technológiák: optikai alapú sejtszétválasztás, plazmon erősítés, stb. Bevezető

4 Optikai csapda: nagy NA lencsével lézernyaláb erősen lefókuszálva Dielektromos részecskére a fókusz közelében erő hat a beeső fotonok impulzusátadása révén n>n m eset, szórás és visszaverődés Csapdázás feltétele: max F refraction >F reflection Az optikai csapdázás elméleti alapjai: sugároptika (a>>λ)

5 Rayleigh- szórás pontszerű dipólusra (a<<λ) A bejövő Gauss nyalábból enyhén levágják a peremet a lencse apertúrával a jobb hatékonyság érdekében. 1/e 2 intenzitás (kb. 87% teljesítmény)

6 A mérőberendezés felépítése Mikroszkóp Pozíció detektor CCD kamera Dikroikus tükrök Lézerfényt visszaverik, a megvilágítást áteresztik Piezoelektromos mozgató Mintatartó mozgatása a fix csapdához képest Csapdázó lézer Nyalábtágító A Gauss-nyaláb dereka kitölti a mikroszkóp objektívet Irányító optika Fókusz helye és rugalmassága Pozíció- és erőmérés Manuális fókuszálás

7 Csapdázó lézer Általában Gauss TEM 00 módus Jó pontstabilitás, kis teljesítményingadozás Teljesítmény: kb. ~1pN/10mW csapdázásnál (mikronos beadekre) Hullámhossz Minta átlátszósága (pl. biológiai minták NIR) Abszorpció -> melegedés -> minta roncsolódása

8 Objektív NA és a transzmisszió számít Immerziós olajba merítik általában ->kicsi munkatávolság (~0.1mm) Szférikus aberrációk arányosak a törésmutató eltéréssel az olaj és a vizes csapdázó közeg között Nagy NA -> nagy intenzitásgradiens, de kisebb munkatávolság Kettős objektív elrendezés: 1:1 teleszkóp T 2 transzmisszió

9 Pozíció detektálás Pozíció- és erőmérés kalibrációja gömb alakú mintával Többféle eljárás Videó alapú detektálás Kvadráns fotodióda Lézeres detektálás Egy vagy két lézerrel Polarizációs mérés, QPD detektoros mérés Axiális pozíció detektálása Mintán szórt lézerfény detektálása egy túltöltött fotodiódával Előreszórt és nem szóródó fotonok interferenciájával – intenzitásmérés a kondenzorlencse hátsó fókuszsíkján

10 Dinamikus pozícióváltoztatás I. Dinamikus fókuszváltoztatás Brown mozgás relaxációjánál gyorsabb vezérlés kell Pásztázó tükrök 1-2kHz, 100µs válaszidő Nagy szögeltérítés lehetséges Akkusztooptikai eltérítők TeO 2 kristály Akkusztikus „optikai rács” Gyors válasz (foltméret/hangsebesség) 1D eltérítés, 2 AOD: 2D Intenzitásvesztés Elektrooptikai eltérítők Feszültség -> törésmutató változás Drága

11 Dinamikus pozícióváltoztatás II. Holografikus optikai csapda Több csapda egyidejű létrehozása Piezzoelektromos mozgató Mintatér mozgatása Gyors 3D pozícionálás Erő-visszacsatoló kör: konstans erő →pozícionálás

12 Videó detektálás CCD kamerával ismert méretű minta vizsgálata Pixelméret kalibrálása távolságra ~5nm pontosság Valós idejű képfeldolgozás Mintavételezés ~ Hz CMOS kamera nagy frekvencián is működik (40kHz), de a számítógép sebessége korlátozó tényező Nem megfelelő eljárás a fókuszhoz képesti relatív pozíció (erőmérés) meghatározására

13 Kvadráns fotodióda A csapdázott objektumot egy kvadráns fotodiódára képezik Az egyes szegmensek közti különbségi jelet mérve (teljes intenzitással normálva) a pozíció meghatározható Kis látótér, a csapda jó leképezése szükséges Nagy nagyítást igényel

14 Pozíció kalibráció I. Piezzo mozgatóval, rögzített beaddel Előny: teljes 3D kalibráció Hátrány: Felesleges és hosszadalmas, ha csak 1 laterális irányban alkalmazunk erőt. Nem lehet teljes rögzítést megvalósítani: sokaságátlag kell Ha csak laterális elmozdulás kell, akkor is érdemes axiális irányban is kalibrálni, mert a fókusz pontossága <~100nm Bead kalibrált mozgatása -> detektor jelének kalibrálása

15 Fókusz kalibráció: CCD kamerával felvett csapdázott beaddel Képalkotó pozíció detektorral, vagy 2 lézerrel mérünk pozíciót Előny: Tetszőleges alakú objektumra kalibrálható és a kalibráció és a pozíciódetektálás egyazon pontban érvényes (fókusz) Detektáló lézer előnye: külön fókuszálható a csapda helyére (fókusz mögött) -érzékenyebb a pozícióváltozásra, mint a csapdázó lézer fókusza Pozíció kalibráció II. Hátrány: csak laterális irányú kalibráció (axiális merevség kisebb) Csapdázott beaddel, a fókusz kalibrált változtatásával

16 Axiális pozíciómérés és fókuszsík eltolódás Biológiai alkalmazásoknál fontos: egyik molekula a felszínhez tapadva, a másik a fókuszban -> távolság Fókusz axiális eltolódása a határfelületen való törés miatt : Snellius-Descartes és a kísérlet sem jó nagy NA lencséknél. Régen: fluoreszcencia méréssel (evaneszcens hullámmal indukált), vagy hidrodinamikai súrlódásméréssel (fal- effektus) Pozíciódetektor teljes összegjele (PSD, vagy QPD) arányos a teljes átjutó intenzitással Amikor a bead áthalad a fókuszon: 180°-os fázistolás A maximumok között elméleti illesztés A maximum jó kalibrációs pont. Innen elmozdítva a piezo mintatartót, az abszolút távolság kalibrálható. Fókuszsík eltolódás mérése: Hidrosztatikus közegellenállás Interferencia mérés

17 Erő kalibráció, merevség meghatározás

18 Erő kalibráció direkt fényintenzitás méréssel

19 Alkalmazások: Transzkripció vizsgálata RNS polimeráz a DNS láncon halad végig Transzkripció: DNS szekvencia másolása, messenger RNS (mRNS) szintetizálása A DNS egyik vége a felszínhez kötve, az enzim a beadhez Polarizációs interferometrikus pozíciódetektálás A beadet a csapda fix pontján tartják → az erővektor a mérés során konst. → DNS lánc feszítése A transzkripció sebessége 25pN erőig független a feszítettségtől RNS polimeráz erős molekuláris motor A piezo mozgatásával → a transzkripció időbeli lefutása ~1 sec-os szünetek és állandó sebességű periódusok

20 DNS replikációnál a bázispárok olvasása → kettős spirál felbontása (dsDNS → ssDNS = helix- coil átmenet) Motiváció: DNS-fehérje kölcsönhatás vizsgálata Sok fehérje a DNS-hez kötődik és megváltoztatja annak stabilitását Helix-coil átmenet energiája változik (mérhető) DNS-hez kötődő gyógyszerek nyomon követése, gyógyszerfejlesztés Pl. rák elleni gyógyszerek Különböző gyógyszerek megkülönböztethetők az átmenet mérésével. Egymolekulás nyújtás nukleinsavakon

21 Nyújtási kísérlet: dsDNS nehezen nyújtható Túlnyújtás: DNS egyik vége szabadon foroghat átalakulás kb. konstans erő mellett „Erő-indukált olvadás” –modell (egyensúlyi fázisátalakulás) Nagyobb erőknél nemegyensúlyi, irreverzibilis átalakulás (függ az erő teljesítményétől is) Bezárt terület: fázisátalakulás szabadenergiájának mérése (ΔG(T))

22 Átalakulás közben konstans erő Az oldószer tulajdonságai erősen befolyásolják az átalakuláshoz tartozó erő nagyságát Hőmérséklet pH Extrém pH értékeknél lecsökken az olvadáspont Bázispárok olvadáspontja Poly(dG*dC)Poly(dG*dC) 30pN-al magasabb átalakulási erő, mint a Poly(dA*dT)Poly(dA*dT) Összhangban az olvadáspontokkal Bizonyítékok az olvadás-modellre

23 RNS hajtű kibontása

24 Források 1 Ashkin, A. (1970). "Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure". Phys. Rev. Lett. 24 (4): 156–159.


Letölteni ppt "Lézercsipesz Optika szeminárium Butykai Ádám, Orbán Ágnes 2012. április 5."

Hasonló előadás


Google Hirdetések