Анализ динамики захвата клеток в оптической ловушке в приближении геометрической оптики
Клыков С.С., Федосов И.В., Тучин В.В.

ФГБОУ ВПО Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, Саратов, Россия,
ФГБУ науки Институт проблем точной механики и управления РАН, Саратов, Россия,
ФГБОУ ВПО Томский государственный университет, Томск, Россия

Аннотация:
В данной работе рассмотрены силы, действующие в оптической ловушке на простейшую модель клетки – диэлектрическую микросферу, при её движении в потоке жидкости. Анализ динамики микросферы позволил выявить определяющие возможность захвата параметры: вязкость жидкости и мощность излучения.

Ключевые слова :
оптический захват, манипуляция клетками, лазерный пинцет, приближение геометрической оптики.

Цитирование:
Клыков, С.С. Анализ динамики захвата клеток в оптической ловушке в приближении геометрической оптики / С.С. Клыков, И.В. Федосов, В.В. Тучин // Компьютерная оптика. – 2015. – Т. 39, № 5. – С. 694-701. – DOI: 10.18287/0134-2452-2015-39-5-694-701.

Литература:

  1. Zhong, M.-C. Trapping red blood cells in living animals using optical tweezers / M.-C. Zhong, X.-B. Wei, J.-H. Zhou, Z.-Q. Wang, Y.-M. Li // Nature Communications. – 2013. – Vol. 4(1768). – P. 1-7. – DOI: 10.1038/ncomms2786.
  2. Zhong, M.-C. Optical trapping of red blood cells in living animals with a water immersion objective / M.-C. Zhong, L. Gong, J.-H. Zhou, Z.-Q. Wang, Y.-M. Li // Optics Letters. – 2013. – Vol. 38(23). – P. 5134-5137. – DOI: 10.1364/OL.38.005134.
  3. Sarshar, M. Comparative study of methods to calibrate the stiffness of a single-beam gradient-force optical tweezers over various laser trapping powers / M. Sarshar, W.T. Wong, B. Anvari // Journal of  Biomedical Optics. – 2014. – Vol. 19(11). – P. 115001-1-115001-13. – DOI: 10.1117/1.JBO.19.11.115001.
  4. McAlinden, N. Accurate position tracking of optically trapped live cells / N. McAlinden, D.G. Glass, O.R. Millington, A.J. Wright // Biomedical Optics Express. – 2014. – Vol. 5(4). – P. 1026-1037. – DOI: 10.1364/BOE.5.001026.
  5. Wu, Y. Dynamics analysis and motion planning for automated cell transportation with optical tweezers / Y. Wu, D. Sun, W. Huang, N. Xi // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. – 2013. – Vol. 18(2). – P. 706-713. – DOI: 10.1109/TMECH.2011.2181856.
  6. Nieminen, T.A. Optical tweezers: Theory and modeling / T.A. Nieminen, N. Preez-Wilkinson, A.B. Stilgoe, V.L.Y. Loke, A.A.M. Bui, H. Rubinsztein-Dunlop // Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer. – 2014. – Vol. 146. – P. 59-80. – DOI: 10.1016/j.jqsrt.2014.04.003.
  7. Sraj, I. Dynamic ray tracing for modeling optical cell manipulation / I. Sraj, A.C. Szatmary, D.W.M. Marr, C.D. Eggleton // Optics Express. – 2010. – Vol. 18(16). – P. 16702-16714.  – DOI: 10.1364/OE.18.016702.
  8. Hu, Z. Experimental measurement and analysis of the optical trapping force acting on a yeast cell with a lensed optical fiber probe / Z. Hu, J. Wang, J. Liang // Optics & Laser Technology. – 2007. – Vol. 39(3). – P. 475-480.
  9. Liao, G.-B. Radiation pressure on a biconcave human Red Blood Cell and the resulting deformation in a pair of parallel optical traps / G.-B. Liao, Y.-Q. Chen, P.B. Bareil, Y. Sheng, A. Chiou, M.-S. Chang // Journal of Biophotonics. – 2014. – Vol. 7(10). – P. 782-787. – DOI: 10.1002/jbio.201300017.
  10. Roosen, G. Optical levitation by means of two horizontal laser beams: a theoretical and experimental study / G. Roosen, C. Imbert // Physics Letters A. – 1976. – Vol. 59 (1). – P. 6-8. – DOI: 10.1016/0375-9601(76)90333-9.
  11. Ashkin, A. Forces of a single-beam gradient laser trap on a dielectric sphere in the ray optics regime // Biophysical Journal. – 1992. – Vol. 61. – P. 569-582. – DOI: 10.1016/S0006-3495(92)81860-X.
  12. Gu, M. Tweezing and manipulating micro- and nanoparticles by optical nonlinear endoscopy / M. Gu, H. Bao, X. Gan, N. Stokes, J. Wu // Light: Science & Applications. – 2014. – Vol. 3. – P. 1-6. – DOI: 10.1038/lsa.2014.7.
  13. Park, B.J. Effects of coating on the optical trapping efficiency of microspheres via geometrical optics approximation / B.J. Park, E.M. Furst // Langmuir. – 2014. – Vol. 30(37). – P. 11055-11061. – DOI: 10.1021/la502632h.
  14. Haghshenas-Jaryani, M. Dynamics of microscopic objects in optical tweezers: experimental determination of underdamped regime and numerical simulation using multiscale analysis / M. Haghshenas-Jaryani, B. Black,  S. Ghaffari, J. Drake, A. Bowling, S. Mohanty // Nonlinear Dynamics. – 2013. – Vol. 76(2). – P. 1013-1030. – DOI: 10.1007/s11071-013-1185-0.
  15. Thalhammer, G. Direct measurement of axial optical forces / G. Thalhammer, L. Obmascher, M. Ritsch-Marte // Optics Express. – 2015. – Vol. 23(5). – P. 6112-6129. – DOI: 10.1364/OE.23.006112.
  16. Lee, K.S. Radiation forces on a microsphere in an arbitrary refractive index profile / K.S. Lee, S.Y. Yoon, K.H. Lee, S.B. Kim, H.J. Sung, S.S. Kim // Journal of the Optical Society of America B. – 2012. – Vol. 29(3). – P. 407-414. – DOI: 10.1364/JOSAB.29.000407.
  17. Callegari, A. Computational toolbox for optical tweezers in geometrical optics / A. Callegari, M. Mijalkov, A.B. Gokoz, G. Volpe // Journal of the Optical Society of America B. – 2015. – Vol. 32(5). – P. B11-B19. – DOI: 10.1364/JOSAB.32.000B11.
  18. Kim, S.B. Radiation forces on spheres in loosely focused Gaussian beam: ray-optics regime / S.B. Kim, S.S. Kim // Journal of the Optical Society of America B. – 2006. – Vol. 23(5). – P. 897-903. – DOI: 10.1364/JOSAB.23.000897.
  19. Dutra, R.S. Absolute calibration of forces in optical tweezers / R.S. Dutra, N.B. Viana, P.A. Maia Neto, H.M. Nussenzveig  // Physical Review A. – 2014. – Vol. 90, Issue 1. – P. 013825-1-013825-13. – DOI: 10.1103/PhysRevA.90.013825.
  20. Башкатов, А.Н. Иммерсионное просветление крови человека в видимом и ближнем ИК спектральных диапазонах / А.Н. Башкатов, Д.М. Жестков, Э.А. Генина, В.В. Тучин // Оптика и спектроскопия. – 2005. – Т. 98, №4. – С. 695-703. – DOI: 10.1134/1.1914906.
  21. Im, K.-B. Calculation of optical trapping forces on microspheres in the ray optics regime / K.-B. Im, D.-Y. Lee, H.-I. Kim, C.-H. Oh, S.-H. Song, P.-S. Kim // Journal of the Korean Physical Society. – 2002. – Vol. 40(5). – P. 930-933.
  22. Volpe, G. Simulation of a Brownian particle in an optical trap / Gior. Volpe, Giov. Volpe // American Journal of Physics. – 2013. – Vol. 81(3). – P. 224-230. – DOI: 10.1119/1.4772632.
  23. Happel, J. Low Reynolds number hydrodynamics / J. Happel, H. Brenner. – The Hague, The Netherlands: Martinus Nijhoff Publishers, 1983. – 553 p. – DOI: 10.1007/978-94-009-8352-6.
© 2009, IPSI RAS
Institution of Russian Academy of Sciences, Image Processing Systems Institute of RAS, Russia, 443001, Samara, Molodogvardeyskaya Street 151; E-mail: ko@smr.ru; Phones: +7 (846) 332-56-22, Fax: +7 (846) 332-56-20