Что такое пинцет в биологии

Значение слова «пинцет»

Источник (печатная версия): Словарь русского языка: В 4-х т. / РАН, Ин-т лингвистич. исследований; Под ред. А. П. Евгеньевой. — 4-е изд., стер. — М.: Рус. яз.; Полиграфресурсы, 1999; (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека

Пинцет состоит из двух рычагов 2 рода, соединённых вместе в одном закрепленном конце (точка опоры каждого рычага), с клещами на другой стороне.

Пинцет используется во многих областях, таких, как медицина, промывка золота, при ручной работе со многими вещами (например, модели, часы, печатные платы), в косметике (для выщипывания волос), в филателии и т. д.

ПИНЦЕ’Т, а, м. [фр. pincette — щипчики]. Небольшие пружинные щипцы для захватывания мелких, хрупких и т. п. предметов, употр. в медицине и технике. Захватить занозу пинцетом.

Источник: «Толковый словарь русского языка» под редакцией Д. Н. Ушакова (1935-1940); (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека

пинце́т

1. небольшой ручной захват для манипулирования мелкими предметами ◆ Борька бросил на Вовку быстрый взгляд, пододвинул к себе поближе пакет, вынул из ящика стола скальпель, блестящую лопаточку и пинцет. Сергей Таранов, «Мстители», 1999 г. (цитата из НКРЯ)

Делаем Карту слов лучше вместе

Привет! Меня зовут Лампобот, я компьютерная программа, которая помогает делать Карту слов. Я отлично умею считать, но пока плохо понимаю, как устроен ваш мир. Помоги мне разобраться!

Спасибо! Я стал чуточку лучше понимать мир эмоций.

Вопрос: обгрызать — это что-то нейтральное, положительное или отрицательное?

Источник

Оптический пинцет

Опти́ческий пинце́т (англ. Optical tweezers ), иногда «лазерный пинцет» или «оптическая ловушка» — оптический инструмент, который позволяет манипулировать микроскопическими объектами с помощью лазерного света (обычно испускаемого лазерным диодом). Он позволяет прикладывать к диэлектрическим объектам силы от фемтоньютонов до наноньютонов и измерять расстояния от нескольких нанометров до микронов. В последние годы оптические пинцеты начали использовать в биофизике для изучения структуры и принципа работы белков.

Содержание

История

Ещё в XVII веке немецкий астроном Иоганн Кеплер, исходя из наблюдений за хвостами комет при приближении к Солнцу, предположил, что свет может оказывать давление на вещество. Хотя позже оказалось, что это не единственный механизм этого отклонения, идея Кеплера оказалась плодотворной для развития астрономии. Например, было показано, что световое (радиационное давление) — один из самых главных механизмов, которые отвечают за динамику частиц в межзвёздном пространстве.

В 1980-х годах Стивен Блок (англ. Steven Block ) и Говард Берг (англ. Howard Berg ) впервые применили технологию оптического пинцета в биологии, используя её, чтобы удержать бактерию с целью изучения бактериальных жгутиков. Уже в 1990-х годах исследователи, такие как Карлос Бустаманте (англ. Carlos Bustamante ), Джеймс Спудич (англ. James Spudich ) и Стивен Блок применили принцип оптической силовой спектроскопии, чтобы характеризовать биологические двигатели молекулярного масштаба. Эти молекулярные моторы встречаются повсеместно в биологии, и отвечают за передвижение клеток, изменение их формы и за транспорт в пределах клетки. Оптические ловушки позволили этим биофизикам наблюдать силы и динамику молекулярных моторов на примере одной молекулы. Оптическая силовая спектроскопия позволила лучше понять стохастическую (случайную) природу этих вырабатывающих энергию молекул.

Физические принципы

Более детальный анализ основан на двух механизмах, предложенных Ашкином, в зависимости от размера частицы. В теории рассеяния света известно, что механизм рассеяния света частицей зависит от соотношения размеров частицы и длины световой волны. Если размер рассеивающих частиц намного меньше, чем длина волны света, то имеет место рэлеевское рассеяние. Когда свет рассеивается на частицах (пыль, дым, водные капельки), которые имеют размер больше, чем длина волны, это рассеяние Ми (по имени немецкого физика Густава Ми). Рассеяние Ми отвечает за белый и серый цвет облаков.

Придерживаясь той же идеи, Ашкин предложил, что для математического анализа оптического микроманипулирования можно использовать два разных метода, а именно, подходом волновой оптики для миевских частиц (когда диаметр частицы больше длины волны света d > λ) и в приближении электрического диполя для релеевских частиц (d Волновая оптика

При анализе с использованием волновой оптики, рассмотрение процессов преломления и отражения света от микросферы достаточно, чтобы проанализировать втягивание в оптическую ловушку (см. рисунок справа).

Самый простой расчёт действующих сил в пределах подхода волновой оптики основывается на геометрической оптике. Рассмотрение луча указывает на изменение импульса света при отражении и преломлении. Таким образом, это изменение импульса (фотона как частицы), согласно второму закону Ньютона, будет приводить к возникновению силы.

Используя простую диаграмму лучей и вектора силы, можно показать, что на микросферу действуют две разных оптических силы благодаря инерции падающего и преломлённого света. Как это видно из диаграммы, результирующая сила толкает сферу в направлении области наивысшей интенсивности луча. Такая сила называется градиентной силой.

Ашкин в своём первом эксперименте [1] использовал милливатный гауссовский пучок одномодового (TEM₀₀) аргонового лазера с длиной волны 514,5 нм сфокусированного в пятно диаметром w₀=6,2 микрона. Он двигал с помощью этого пучка латексные сферы диаметром 0,51; 1,31 и 2,68 микрона в воде и воздухе. Для сфер радиуса r=1,31 микрона помещённых в воду и мощности лазера P=19 мВт скорость сфер достигала 26 мкм/с. А из оценки по формуле

где q — доля света эффективно отражённого от сферы (0,062), c — скорость света, η — динамическая вязкость жидкости (1 мПа·с для воды) получилось 29 μм/с. А соответствующая сила действующая на частицу получается из закона Стокса

и составляет 730 фН.

Чтобы исследуемый объект был неподвижен, необходимо скомпенсировать силу вызванную давлением света. Это можно сделать за счёт двух встречных пучков света, которые толкают сферу в противоположных направлениях, или с помощью сильно сфокусированного гауссового пучка (с высокой числовой апертурой, NA>1,0), чтобы компенсировать давление света высокой градиентной силой.

С другой стороны, в релеевском режиме, частицы не ограничены по форме. Вообще, для наименьших частиц нужна наименьшая сила притягивания. В большинстве случаев, для объяснения рабочего механизма лазерного пинцета для любой формы частиц используют модель приведённого диполя. Электромагнитное излучение будет индуцировать дипольный момент, или поляризацию, в диалектической частице. Сила взаимодействия этого диполя со светом приводит к градиентной силе притягивания.

Приближение электрического диполя

В случаях, когда диаметр пойманной в ловушку частицы значительно меньше, чем длина волны света, условия удовлетворяют условию рассеивания Рэлея, и частицу можно рассмотреть как точечный диполь в неоднородном электромагнитном поле. Сила, действующая на заряжённую частицу в электромагнитной области, известна как сила Лоренца,

Сила действующая на диполь вычисляется по сумме сил действующих на отдельные заряды .

Из-за малости расстояния между зарядами в диполе можно разложить электрическое поле вблизи первого заряда.

Заметьте, что сокращается. Раскрываем скобки и заменяем произведение заряда, на расстояние , поляризацией диполя получим

где во втором равенстве предположено, что поляризация частицы является линейной функцией электрического поля (то есть ).

Теперь если использовать два дополнительных уравнения: уравнение из векторного анализа и одно из уравнений Максвелла:

Второе слагаемое в последнем равенстве — производная по времени величины, которая связана через постоянный множитель с вектором Пойнтинга, который описывает мощность излучения проходящего через единичную площадку. Предполагая, что мощность лазера не зависит от времени, производная этого слагаемого — ноль, и сила запишется в виде [9]

Квадрат величины электрического поля равен интенсивности луча как функция координат. Поэтому, результат указывает, что сила действующая на диэлектрическую частицу, при приближении точечного диполя, является пропорциональной градиенту интенсивности пучка. Другими словами, описанная здесь сила приводит к притяжению частицы в область с самой высокой интенсивностью. В действительности, сила, возникающая при рассеянии света зависит линейно от интенсивности луча, поперечного сечения частицы и показателя преломления среды, в которой находится ловушка (например, вода), работает против градиентной силы в осевом направлении ловушки, приводя к тому, что равновесное положение смещается немного вниз от положения максимума интенсивности.

Лазерный пинцет, основанный на альтернативных режимах работы лазера

Мультиплексные лазерные пинцеты

Лазерные пинцеты, основанные на оптических волокнах

В этом типе устройств лазерное излучение подаётся через оптическое волокно. Если один конец оптического волокна формирует поверхность, похожую по свойствам на линзу, это позволит сфокусировать свет в оптической ловушке с большой числовой апертурой. [18]

Оптические пинцеты в сортировке клеток

Одна из наиболее распространённых систем сортировки клеток использует метод флуоресцентной проточной цитометрии. В этом методе суспензия биологических клеток сортируется в несколько контейнеров согласно флюоресцентным характеристиках каждой клетки в потоке. Процесс сортировки контролируется электростатической системой отклонения, которая направляет клетку к определённому контейнеру изменением напряжения приложенного электрического поля.

Главный механизм сортировки — расположение узлов оптической решётки. Когда поток клеток проходит через оптические решётки, силы трения частиц непосредственно конкурируют с оптической градиентной силой от соседнего узла оптической решётки. Изменяя расположение узлов, возможно создать оптическую дорожку, по который будут двигаться клетки. Но такая дорожка будет эффективной только для клеток с определённым коэффициентом преломления, которые и будут эффективно отклоняться. Регулируя скорость потока клеток и мощность света возможно получить хорошую оптическую сортировку клеток.

Лазерные пинцеты, основанные на затухающих полях

Непрямой подход к оптическим пинцетам

Мин Ву, профессор факультета Радиотехники и информатики в Калифорнийском университете создал новый оптоэлектронный пинцет. Ву превратил оптическую энергию от маломощных светоизлучающих диодов в электрическую энергию через фотопроводящую поверхность. Идея — позволить диоду включать фотопроводящий материал в его проекции. Поскольку оптический шаблон легко поддаётся превращению через оптическое проектирование, этот метод имеет высокую гибкость включения разных оптических ландшафтов.

Процесс манипуляции выполняется изменением электрического поля, которое включается световым шаблоном. Частицы будут или притягиваться или отталкиваться от возбуждённого узла в зависимости от своего электрического заряда. Частицы, зависшие в жидкости, будут чувствительны к электрическому заряду благодаря ионам в жидкости, процесс, известный как диэлектрофорез.

Одно из применений этого метода — сортировка живых и мёртвых клеток. Сортировка основывается на том, что живые клетки наполнены электролитом, а мёртвые — нет, и они могут быть легко разделены. Эта система позволяет манипулировать 10000 клетками или частицами одновременно. [30]

Оптическое связывание

Измерение оптических сил

Источник

СОДЕРЖАНИЕ

История

Есть свидетельства того, что римские кораблестроители вытаскивали гвозди из конструкции клещами-клещами.

Пинцет может быть изготовлен в двух формах: два слитых под углом куски металла или один согнутый пополам кусок металла. Изогнутый пинцет дешевле в производстве, но дает более слабый захват. Пинцет с плавленым корпусом дороже, но обеспечивает более надежный захват. Ширина между кончиками пинцета без приложения силы также влияет на силу захвата.

Пинцет с перекрестной фиксацией (он же пинцет обратного действия или самозакрывающийся пинцет) работает противоположно обычному пинцету. Пинцет с перекрестной фиксацией открывается при сжатии и закрывается при отпускании, захватывая предмет без какого-либо напряжения пальцев пользователя.

Классификация по использованию

Первоначальные пинцеты для механического захвата привели к появлению ряда инструментов с аналогичным действием или назначением, но не зависящих от механического давления, в том числе

Другие варианты использования того же принципа называются пинцетом; хотя такие термины не обязательно широко используются, их значение понятно людям в соответствующей области. Например, пинцет комбинационного рассеяния света, который объединяет спектроскопию комбинационного рассеяния света с оптическим пинцетом.

Источник

Лазерные пинцеты

Опти́ческий пинце́т (англ. Optical tweezers ), иногда «лазерный пинцет» или «оптическая ловушка» — научный прибор, который позволяет манипулировать микроскопическими объектами с помощью лазерного света (обычно испускаемого лазерным диодом). Он позволяет прикладывать к диэлектрическим объектам силы от фемтоньютонов до наноньютонов и измерять расстояния от нескольких нанометров до микронов. В последние годы оптические пинцеты начали использовать в биофизике для изучения структуры и принципа работы белков.

Содержание

История

Ещё в XVII веке немецкий астроном Иоганн Кеплер, исходя из наблюдений за хвостами комет при приближении к Солнцу, предположил, что свет может оказывать давление на вещество. Хотя позже оказалось, что это не единственный механизм этого отклонения, идея Кеплера оказалась плодотворной для развития астрономии. Например, было показано, что световое (радиационное давление) — один из самых главных механизмов, которые отвечают за динамику частиц в межзвёздном пространстве.

Через два столетия после исследований Кеплера Джеймс Максвелл рассчитал значение светового давления с помощью своей теории электромагнитных явлений. Этот эффект был экспериментально измерен в 1910 году российским физиком Петром Лебедевым, который продемонстрировал, что свет оказывает давление на тела.

В 1980-х годах Стивен Блок (англ. Steven Block ) и Говард Берг (англ. Howard Berg ) впервые применили технологию оптического пинцета в биологии, используя её, чтобы удержать бактерию с целью изучения бактериальных жгутиков. Уже в 1990-х годах исследователи, такие как Карлос Бустаманте (англ. Carlos Bustamante ), Джеймс Спудич (англ. James Spudich ) и Стивен Блок применили принцип оптической силовой спектроскопии, чтобы характеризовать биологические двигатели молекулярного масштаба. Эти молекулярные моторы встречаются повсеместно в биологии, и отвечают за передвижение клеток, изменение их формы и за транспорт в пределах клетки. Оптические ловушки позволили этим биофизикам наблюдать силы и динамику молекулярных моторов на примере одной молекулы. Оптическая силовая спектроскопия позволила лучше понять стохастическую (случайную) природу этих вырабатывающих энергию молекул.

Физические принципы

Более детальный анализ основан на двух механизмах, предложенных Ашкином, в зависимости от размера частицы. В теории рассеяния света известно, что механизм рассеяния света частицей зависит от соотношения размеров частицы и длины световой волны. Если размер рассеивающих частиц намного меньше, чем длина волны света, то имеет место рэлеевское рассеяние. Когда свет рассеивается на частицах (пыль, дым, водные капельки), которые имеют размер больше, чем длина волны, это рассеяние Ми (по имени немецкого физика Густава Ми). Рассеяние Ми отвечает за белый и серый цвет облаков.

Придерживаясь той же идеи, Ашкин предложил, что для математического анализа оптического микроманипулирования можно использовать два разных метода, а именно, подходом волновой оптики для миевских частиц (когда диаметр частицы больше длины волны света d > λ) и в приближении электрического диполя для релеевских частиц (d Волновая оптика

При анализе с использованием волновой оптики, рассмотрение процессов преломления и отражения света от микросферы достаточно, чтобы проанализировать втягивание в оптическую ловушку (см. рисунок справа).

Самый простой расчёт действующих сил в пределах подхода волновой оптики основывается на геометрической оптике. Рассмотрение луча указывает на изменение импульса света при отражении и преломлении. Таким образом, это изменение импульса (фотона как частицы), согласно второму закону Ньютона, будет приводить к возникновению силы.

Используя простую диаграмму лучей и вектора силы, можно показать, что на микросферу действуют две разных оптических силы благодаря инерции падающего и преломлённого света. Как это видно из диаграммы, результирующая сила толкает сферу в направлении области наивысшей интенсивности луча. Такая сила называется градиентной силой.

Ашкин в своём первом эксперименте [1] использовал милливатный гауссовский пучок одномодового (TEM₀₀) аргонового лазера с длиной волны 514,5 нм сфокусированного в пятно диаметром w₀=6,2 микрона. Он двигал с помощью этого пучка латексные сферы диаметром 0,51; 1,31 и 2,68 микрона в воде и воздухе. Для сфер радиуса r=1,31 микрона помещённых в воду и мощности лазера P=19 мВт скорость сфер достигала 26 мкм/с. А из оценки по формуле

где q — доля света эффективно отражённого от сферы (0,062), c — скорость света, η — динамическая вязкость жидкости (1 мПа·с для воды) получилось 29 μм/с. А соответствующая сила действующая на частицу получается из закона Стокса

и составляет 730 фН.

Чтобы исследуемый объект был неподвижен, необходимо скомпенсировать силу вызванную давлением света. Это можно сделать за счёт двух встречных пучков света, которые толкают сферу в противоположных направлениях, или с помощью сильно сфокусированного гауссового пучка (с высокой числовой апертурой, NA>1,0), чтобы компенсировать давление света высокой градиентной силой.

С другой стороны, в релеевском режиме, частицы не ограничены по форме. Вообще, для наименьших частиц нужна наименьшая сила притягивания. В большинстве случаев, для объяснения рабочего механизма лазерного пинцета для любой формы частиц используют модель приведённого диполя. Электромагнитное излучение будет индуцировать дипольный момент, или поляризацию, в диалектической частице. Сила взаимодействия этого диполя со светом приводит к градиентной силе притягивания.

Приближение электрического диполя

В случаях, когда диаметр пойманной в ловушку частицы значительно меньше, чем длина волны света, условия удовлетворяют условию рассеивания Рэлея, и частицу можно рассмотреть как точечный диполь в неоднородном электромагнитном поле. Сила, действующая на заряжённую частицу в электромагнитной области, известна как сила Лоренца,

Сила действующая на диполь вычисляется по сумме сил действующих на отдельные заряды .

Из-за малости расстояния между зарядами в диполе можно разложить электрическое поле вблизи первого заряда.

Заметьте, что сокращается. Расрываем скобки и заменяем произведение заряда, q на расстояние , поляризацией диполя получим

где во втором равенстве предположено, что поляризация частицы является линейной функцией электрического поля (то есть ).

Теперь если использовать два дополнительных уравнения: уравнение из векторного анализа и одно из уравнений Максвелла:

Второе слагаемое в последнем равенстве — производная по времени величины, которая связана через постоянный множитель с вектором Пойнтинга, который описывает мощность излучения проходящего через единичную площадку. Предполагая, что мощность лазера не зависит от времени, производная этого слагаемого — ноль, и сила запишется в виде [9]

Квадрат величины электрического поля равен интенсивности луча как функция координат. Поэтому, результат указывает, что сила действующая на диэлектрическую частицу, при приближении точечного диполя, является пропорциональной градиенту интенсивности пучка. Другими словами, описанная здесь сила приводит к притяжению частицы в область с самой высокой интенсивностью. В действительности, сила, возникающая при рассеянии света зависит линейно от интенсивности луча, поперечного сечения частицы и показателя преломления среды, в которой находится ловушка (например, вода), работает против градиентной силы в осевом направлении ловушки, приводя к тому, что равновесное положение смещается немного вниз от положения максимума интенсивности.

Лазерный пинцет, основанный на альтернативных режимах работы лазера

Мультиплексные лазерные пинцеты

Лазерные пинцеты, основанные на оптических волокнах

В этом типе устройств лазерное излучение подаётся через оптическое волокно. Если один конец оптического волокна формирует поверхность, похожую по свойствам на линзу, это позволит сфокусировать свет в оптической ловушке с большой числовой апертурой. [18]

Оптические пинцеты в сортировке клеток

Одна из наиболее распространённых систем сортировки клеток использует метод флуоресцентной проточной цитометрии. В этом методе суспензия биологических клеток сортируется в несколько контейнеров согласно флюоресцентным характеристиках каждой клетки в потоке. Процесс сортировки контролируется электростатической системой отклонения, которая направляет клетку к определённому контейнеру изменением напряжения приложенного электрического поля.

Главный механизм сортировки — расположение узлов оптической решётки. Когда поток клеток проходит через оптические решётки, силы трения частиц непосредственно конкурируют с оптической градиентной силой от соседнего узла оптической решётки. Изменяя расположение узлов, возможно создать оптическую дорожку, по который будут двигаться клетки. Но такая дорожка будет эффективной только для клеток с определённым коэффициентом преломления, которые и будут эффективно отклоняться. Регулируя скорость потока клеток и мощность света возможно получить хорошую оптическую сортировку клеток.

Лазерные пинцеты, основанные на затухающих полях

Непрямой подход к оптическим пинцетам

Мин Ву, профессор факультета Радиотехники и информатики в Калифорнийском университете создал новый оптоэлектронный пинцет. Ву превратил оптическую энергию от маломощных светоизлучающих диодов в электрическую энергию через фотопроводящую поверхность. Идея — позволить диоду включать фотопроводящий материал в его проекции. Поскольку оптический шаблон легко поддаётся превращению через оптическое проектирование, этот метод имеет высокую гибкость включения разных оптических ландшафтов.

Процесс манипуляции выполняется изменением электрического поля, которое включается световым шаблоном. Частицы будут или притягиваться или отталкиваться от возбуждённого узла в зависимости от своего электрического заряда. Частицы, зависшие в жидкости, будут чувствительны к электрическому заряду благодаря ионам в жидкости, процесс, известный как диэлектрофорез.

Одно из применений этого метода — сортировка живых и мёртвых клеток. Сортировка основывается на том, что живые клетки наполнены электролитом, а мёртвые — нет, и они могут быть легко разделены. Эта система позволяет манипулировать 10000 клетками или частицами одновременно. [30]

Оптическое связывание

Измерение оптических сил

Источник