Все новости
Нобелевская премия - 2018

Как устроен лазерный пинцет, за который дали Нобелевскую премию по физике

Артур Ашкин
© REUTERS/Brendan McDermid
Половина "Нобелевки" по физике досталась Артуру Ашкину, придумавшему лазерный пинцет для перемещения отдельных клеток, бактерий и даже вирусов. Как работает его изобретение — в материале ТАСС

Лазеры, или оптические квантовые генераторы света, были изобретены в 1960 году и стали основой для самых разных технологий. С их помощью считывают данные с компакт-дисков, режут материалы (и даже живые ткани), измеряют расстояния и передают информацию с невиданными ранее скоростями.

За лазеры и связанные с ними работы самую престижную научную премию присуждали неоднократно. Например, в 2000-м Жорес Алферов получил награду за структуры, ставшие основой полупроводниковых лазеров. И в этом году Нобелевский комитет решил отметить еще два направления: сверхкороткие импульсы и лазерный пинцет, две совершенно разные области лазерных технологий.

К 1970 году, когда американец Артур Ашкин представил свою разработку на страницах Physical Review Letters, физики давно знали про открытое Петром Лебедевым давление света. Идея Ашкина заключалась в том, что внутри лазерного пучка силы, действующие на микроскопический объект, будут подталкивать его к центру и таким образом удерживать на месте. Если направить два луча навстречу друг другу, то предмет вдобавок не будет "сдувать" давлением света. Эта конструкция называется оптической ловушкой, и в ней при определенных условиях можно подвесить даже отдельные атомы (но не слишком крупные объекты, до 10 микрометров в поперечнике).

Кстати, последним воспользовался ученик Ашкина Стивен Чу, которого в 1997 году наградили Нобелевской премией совместно с Клодом Коэном-Таннуджи и Уильямом Филлипсом: манипуляции отдельными атомами позволили создать особо точные атомные часы и вообще открыли экспериментаторам массу новых возможностей.

Ловушка для атомов, впрочем, существенно отличается от лазерного пинцета хотя бы тем, что работает в вакууме. Пинцет же может манипулировать объектами даже внутри жидкости, то есть им можно подцепить живую клетку. Поначалу последнее казалось не столь революционным, как управление отдельными атомами. Для переосмысления понадобилось два десятка лет.

Ашкин в своем первом эксперименте подвешивал простые латексные микросферы — объекты, годящиеся исключительно для демонстрации эффекта. Но биологи нашли куда более интересные применения пинцета: например, манипуляция отдельными клетками. В 1987 году Ашкин с коллегой успешно пересадили бактерии из одного образца в другой при помощи инфракрасного лазера, в тот же год схожий опыт был проделан с вирусами.

Лазерные пинцеты позволяют сделать еще много чего. Разные клетки отличаются оптическими свойствами, поэтому один и тот же пинцет будет по-разному с ними взаимодействовать — можно собрать автоматическую установку для сортировки и получения однородного образца из имеющейся в распоряжении смеси. А недавно из искусственных микроскопических пузырьков биологи при помощи лазерного пинцета собрали целую сеть, которая может стать основой для сложных биохимических систем: от искусственных клеток до диагностических устройств.

Можно смело сказать, что изобретение Ашкина позволило потрогать то, что до этого не получалось. Сдвинуть бактерию на несколько микрометров в сторону, ткнуть живую клетку для определения механических свойств, например упругости, и при этом не повредить ее. Прежними манипуляторами такие задачи решить было намного труднее, если вообще возможно.

Кроме того, лазерным пинцетом можно очень точно и бережно удерживать изучаемый объект на одном месте. В сочетании со светящимися метками это позволяет следить не только за конкретными биологическими молекулами, но и их отдельными частями. Для ученых, которые хотят исследовать какой-либо внутриклеточный процесс на молекулярном уровне, оптический пинцет оказывается в ряде случаев чем-то вроде тисков для мастера: не закрепив детали, работы не сделаешь. Это и другие применения пинцета существенно облегчили биомедицинские исследования. 

Прочитайте полную версию статьи на научно-популярном сайте "Чердак", чтобы узнать, за что Жерару Мору и Донне Стрикленд присудили вторую половину Нобелевской премии по физике

Алексей Тимошенко