Pinzetta ottica
Una pinzetta ottica (in inglese optical tweezer o optical trap) è uno strumento scientifico che utilizza un fascio laser fortemente focalizzato per intrappolare e manipolare particelle microscopiche senza contatto meccanico. Le forze esercitate sono generalmente dell'ordine dei piconewton e consentono di spostare particelle dielettriche, cellule, organelli cellulari e molecole legate a microsfere.
La tecnica è impiegata in fisica, biofisica, biologia cellulare e nanotecnologia, sia per manipolare oggetti microscopici sia per misurare forze e spostamenti estremamente piccoli.
Principio di funzionamento
La luce trasporta quantità di moto e può quindi esercitare una forza sugli oggetti con cui interagisce. In una pinzetta ottica un fascio laser viene focalizzato mediante un obiettivo ad alta apertura numerica.
Su una particella dielettrica agiscono principalmente due componenti della forza ottica: la forza di gradiente, diretta verso la regione di maggiore intensità del fascio, e la forza di diffusione o di scattering, orientata prevalentemente nella direzione di propagazione della luce. Quando la forza di gradiente prevale, la particella rimane confinata vicino al fuoco del laser.[1]
La posizione della particella può essere controllata spostando il fascio laser, il campione o gli elementi ottici del sistema. Misurando lo spostamento della particella rispetto al centro della trappola è inoltre possibile determinare forze molto piccole.
Storia
I primi esperimenti sulla manipolazione di particelle mediante la pressione della radiazione furono condotti da Arthur Ashkin negli anni 1970. Nel 1986 Ashkin e collaboratori dimostrarono una trappola ottica a singolo fascio basata sulla forza di gradiente, configurazione divenuta il modello più comune delle moderne pinzette ottiche.[1]
Nel 1987 la tecnica fu applicata alla cattura e alla manipolazione di cellule e batteri mediante laser nell'infrarosso, riducendo il danneggiamento dei campioni biologici.
Nel 2018 Arthur Ashkin ricevette metà del Premio Nobel per la fisica «per le pinzette ottiche e la loro applicazione ai sistemi biologici».[2]
Componenti
Un sistema di pinzette ottiche comprende generalmente:
- una sorgente laser;
- un sistema di espansione e direzionamento del fascio;
- un obiettivo da microscopio ad alta apertura numerica;
- un portacampione;
- un sistema di osservazione mediante microscopio e telecamera;
- un rivelatore per misurare la posizione della particella;
- un sistema di controllo e acquisizione dei dati.
La trappola può essere singola o multipla. Mediante modulatori spaziali della luce, specchi mobili o tecniche olografiche è possibile generare più trappole contemporaneamente e manipolare numerose particelle.
Applicazioni
Le pinzette ottiche sono largamente utilizzate nello studio dei sistemi biologici. Possono essere impiegate per manipolare cellule, misurare le proprietà meccaniche del DNA, studiare il ripiegamento delle proteine e analizzare l'attività di motori molecolari e interazioni tra proteine e acidi nucleici.[3]
In fisica vengono utilizzate per lo studio di colloidi, fluidi complessi, fenomeni termodinamici su piccola scala e proprietà di micro- e nanoparticelle. Le varianti basate su vortici ottici permettono inoltre di trasferire momento angolare e far ruotare le particelle intrappolate.
Limiti
L'uso del laser può riscaldare il campione o provocare effetti fototossici, soprattutto nei sistemi biologici. La scelta della lunghezza d'onda, della potenza e del tempo di esposizione deve quindi essere adattata al campione.
Le proprietà della trappola dipendono inoltre dalle dimensioni, dalla forma e dall'indice di rifrazione della particella, dalla viscosità del mezzo e dalla configurazione ottica. Per ottenere misure quantitative è necessaria una calibrazione accurata della rigidità della trappola e del sistema di rilevamento.
Voci correlate
- Vortice ottico
- Pressione di radiazione
- Fotonica
- Microscopia
- Spettroscopia di forza
Note
- 1 2 (EN) A. Ashkin, J. M. Dziedzic, J. E. Bjorkholm e S. Chu, Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles, in Optics Letters, vol. 11, n. 5, 1986, pp. 288–290, DOI:10.1364/OL.11.000288.
- ↑ (EN) Arthur Ashkin – Facts, su NobelPrize.org. URL consultato il 26 luglio 2026.
- ↑ (EN) Carlos J. Bustamante, Yann R. Chemla e Shixin Liu, Optical tweezers in single-molecule biophysics, in Nature Reviews Methods Primers, vol. 1, n. 25, 2021, DOI:10.1038/s43586-021-00021-6.
Bibliografia
- (EN) K. C. Neuman e S. M. Block, Optical trapping, in Review of Scientific Instruments, vol. 75, 2004, pp. 2787–2809.
- (EN) K. C. Neuman e A. Nagy, Single-molecule force spectroscopy: optical tweezers, magnetic tweezers and atomic force microscopy, in Nature Methods, vol. 5, 2008, pp. 491–505, DOI:10.1038/nmeth.1218.
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