Физика

Физики заставили бактерии фокусировать свет

Бактерии втягиваются внутрь под воздействием лазерного луча, создавая волновод, который помогает уменьшить рассеивание света

Бактерии втягиваются внутрь под воздействием лазерного луча, создавая волновод, который помогает уменьшить рассеивание света

A. Bezryadina/SFSU

Пропуская через воду с бактериями луч мощного лазера, ученые вынудили микроорганизмы сформировать подобие волновода, увеличивающего пропускание света. Коллектив исследователей показал феномен самофокусировки для нескольких типов микробов, в том числе морских, которые в естественной среде рассеивают свет, а также для клеток крови. Научившись лучше контролировать этот эффект, можно разработать новые методы визуализации биологических образцов. Статья с результатами опубликована в Physical Review Letters.

Если показатель преломления частиц больше, чем у среды, в которой они находятся, то часто возникает нелинейный оптический эффект самофокусировки излучения. Он заключается в том, что по мере движения луча сквозь среду частицы увлекаются к его центру оптической градиентной силой. Результирующая высокая концентрация частиц вдоль луча выступает в качестве линзы, что может привести к «схлопыванию» луча, после которого свет рассеивается по различным направлениям. Однако биофизики уже научились предотвращать подобное явление и формировать при помощи взвешенных частиц узкий пучок, также называемый «световой иглой».

Считалось, что самофокусировка не будет работать с биологическими клетками, так как их оптические свойства близки к воде, и, следовательно, градиентная сила будет мала. Для ее увеличения можно применять лазеры большей мощности, но это грозит повреждением самих клеток. В новой работе авторы использовали микроорганизмы из рода Synechococcus, не способные на самостоятельное движение. Они пускали зеленый лазер через трубку длиной четыре сантиметра, заполненную либо просто морской водой, либо с добавкой бактерий. Без микробов луч расширялся с 50 микрометров до 650 вследствие дифракции. В среде с бактериями наблюдалось два случая: при мощности луча в 0,1 ватта он расширялся еще сильнее — до 1,25 миллиметра, но трехваттный лазер формировал пятно диаметром 200 микрометров.

Моделирование показало, что в случае бактерий необходимо учитывать не только градиентную силу, но и давление излучения, так как внутренняя структура микробов рассеивает больше света, чем неживые наночастицы. Смертность бактерий оказалась всего на 0,1% больше, чем в контрольной группе, что удивило авторов. Они повторили опыты с клетками E. Coli и красными кровяными тельцами человека и получили похожие результаты. Установленные закономерности также наводят на мысль, что клетки взаимодействуют, влияя на оптические свойства друг друга. В частности, этому явлению будут посвящены будущие исследования.