Optical Tweezer (Penjebak optikal), sebuah penggerak nano berbasis optik
Penjebak Optis (atau istilah populernya dalam dunia sains adalah Optical Tweezer) yang sebenarnya dinamakan dengan “single-beam gradient force trap”
atau “berkas gradien gaya penjebak tunggal” adalah instrumen ilmiah
yang menggunakan berkas laser yang difokuskan secara kuat untuk
mendapatkan gaya tarik atau gaya tolak (biasanya dalam orde piconewton, )
yang tergantung pada perbedaan indeks refraksi pada pegangan fisis dan
gerakan mikoskopik obyek dielektrik. Penjepit optis telah sukses di
dalam penyelidikan berbagai macam sistem biologi dalam beberapa tahun
ini.
Sejarah dan Perkembangan
Pendeteksian hamburan optis dan gradien
gaya pada partikel berskala mikrometer pertama kali dilaporkan pada 1970
oleh Arthur Ashkin, seorang ilmuwan yang bekerja di Bell Labs. Setahun
kemudian, Ashkin dan koleganya melaporkan observasi pertamanya pada apa
yang sekarang ini biasanya dikenal dengan penjebak optis: berkas cahaya
yang difokuskan dengan kuat yang mampu memegang partikel mikroskopis
dengan stabil dalam tiga dimensi.
Salah satu pemilik makalah seminar 1986,
Sekretariat energi Amerika Serikat, Steven Chu, akan menggunakan
penjebak optis dalam penelitiannya dalam mendinginkan dan menjebak atom
netral. Dari penelitian ini, Chu mendapatkan penghargaan Nobel dalam
bidang Fisika bersama dengan Claude Cohen-Tannoudji dan William D.
Philllips. Dalam interviewnya, Steven Chu menjelaskan bagaimana Ashkin
pertama kali memimpikan penjebak optis sebagai metode untuk menangkap
atom. Ashkin menyatakan mampu untuk menangkap partikel yang lebih besar
(diameter 10 hingga 10.000 nanometer) tetapi hal tersebut menginspirasi
Chu untuk memperluas teknik tersebut untuk menangkap atom netral
(diameter 0,1 nanaometer) dengan memanfaatkan cahaya laser resonan dan
perangkap gradien magnetik.
Pada akhir 1980-an, Arthur Ashkin dan
Joseph M. Dziedzic mendemonstrasikan teknologi aplikasi pertamanya pada
ilmu biologi, dengan mengunakannya untuk menangkap virus mosaik
tembakau tunggal dan bakteri Escherichia coli. Selama tahun 1990 dan
sesudahnya, peneliti seperti Carlos Bustamante, James Spudich, dan
Steven block mengawali penggunaan penjebak optis spektroskopi gaya untuk
mengkarakterisasi molekuler skala penggerak biologi. Penggerak motor
molekuler ini banyak dijumpai dalam biologi, dan yang bertanggungjawab
dalam daya gerak dan aksi mekanis dalam sel. Penjebak optis memudahkan
biofisikawan untuk mengobservasi gaya dan dinamika penggerak skala nano
pada level molekul tunggal, spektroskopi gaya penjebak optis telah
memimpin kepada pemahaman yang lebih besar dari asal-usul stokastik dari
gaya pembentuk molekul.
Penjebak optis telah terbukti sangat
berguna dalam daerah di luar biologi dengan baik. Untuk singkatnya, pada
tahun 2003 teknik penjebak optis telah diaplikasikan dalam penyortiran
sel: dengan pembentukan pola intensitas optis skala besar yang dikenakan
pada area sampel, sel dapat disortir ke dalam masing-masing
karakteristik optikal instrinsiknya. Penjebak optis juga telah digunakan
untuk menyelidiki sitoskeleton, pengukuran sifat visko-elastik dari
biopolimer, dan mempelajari kematian sel.
Aspek Fisika Penjebak Optis
Obyek dielektrikum ditarik menuju
pusat bekas, sedikit berada di atas pusat berkas, seperti yang
dijelaskan dalam teks. Gaya yang bekerja pada obyek bergantung pada
perpindahan liner dari pusat jebakan seperti pada sistem pegas sederhana
Penjelasan Umum
Penjepit optis mampu untuk memanipulasi
partikel dielektrik berukuran mikro bahkan dalam skala nanometer dengan
mengerahkan gaya yang secara ekstrim sangat kecil melalui berkas laser
yang difokuskan. Berkas ini biasanya difokuskan dengan cara
melewatkannya ke dalam mikroskop objektif. Titik tertipis berkas laser
dinamakan dengan beam waist (berkas pinggang, karena bentuknya
mirip pinggang, khususnya pinggang perempuan), yang terdiri dari gradien
medan listrik sangat besar. Hal ini menyebabkan partikel dielektrik
ditarik sepanjang gradien menuju daerah dengan medan listrik terbesar
yang terletak di pusat berkas. Cahaya laser juga cenderung untuk
mengenakan gaya pada partikel dalam berkas sepanjang arah perambatan
berkas. Pernyataan ini dapat dengan mudah dipahami apabila kita
menganggap bahwa cahaya berperilaku sebagai sekumpulan partikel, dimana
masing-masing partikel cahaya menyangkut partikel dielektrik kecil dalam
jalurnya. Ini dikenal dengan gaya hamburan dan hasilnya adalah partikel
dapat dipindahkan ke dalam pusat dari beam waist. Seperti yang ditunjukkan dalam gambar.
Perangkap optis adalah sebuah instrumen
yang sangat sensitif dan mampu untuk memanipulasi dan mendeteksi
perpindahan pada skala sub-nanometer untuk partikel dielektrik berskala
sub-mikrometer. Untuk alasan ini, penjebak optis sering digunakan untuk
memanipulasi dan mempelajari molekul tunggal dengan menginteraksikan
butiran partikel yang didempetkan pada molekul yang ingin dipelajari.
DNA, protein, dan enzim yang berinteraksi dengannya biasanya dipelajari
dengan cara seperti ini.
Untuk pengukuran ilmiah kuantitatif,
kebanyakan perangkap optis dioperasikan dalam suatu cara di mana
partikel dielektrik yang jarang berpindah jauh dari pusat perangkap.
Alasannya adalah bahwa gaya yang diaplikasikan kepada partikelnya adalah
linier terhadap perpindahannya dari pusat perangkap sepanjang
perpindahannya adalah cukup kecil. Dengan cara ini, perangkap optis
dapat di misalkan sebagai sistem pegas sederhana yang mengikuti hukum
Hooke.
Penjelasan lebih mendetail dari Penjebak optis
Penjelasan yang lebih tepat mengenai
perilaku perangkap optis bergantung pada ukuran partikel yang
terperangkap relatif terhadap panjang gelombang cahaya laser yang
digunakan untuk menjebak partikel tersebut. Pada kasus di mana dimensi
partikel lebih besar dari pada panjan gelombang, perlakuan optika sinar
sederhana cukup memenuhi. Apabila panjang gelombang cahaya cukup besar
dibandingkan dengan dimensi partikel, maka partikel dapat dianggap
sebagai dipol elektrik dalam sebuah medan listrik. Untuk perangkap
optis, dimensi partikel dielektrik dengan besar orde panjang gelombang
berkas perangkapnya, model yang akurat untuk kondisi ini adalah
persamaan Maxwell bergantung waktu dan Persamaan Maxwell harmonik dengan
menggunakan syarat batas yang sesuai.
Pendekatan Optika Cahaya
Dalam kasus di mana diameter partikel
yang terperangkap cukup besar dibandingkan dengan panjang gelombang
cahaya, fenomena perangkapan dapan dijelaskan menggunakan optika cahaya.
Seperti yang ditunjukkan dalam gambar, berkas cahaya tunggal yang
diemisikan dari laser akan terefraksi setelah melewati butiran partikel
dielektrik. Sebagai hasilnya, sinar akan keluar dengan arah yang berbeda
dari arah sebelum melalui butiran. Karena cahaya memiliki momentum,
perubahan arah cahaya mengindikasikan adanya perubahan momentum.
Berdaraskan Hukum Newton ketiga, seharusnya terdapat perubahan momentum
yang sama besar dengan arah yang berlawanan pada partikel.
Kebanyakan perangkap optis bekerja dengan berkas gaussian (mode TEM00).
Pada kasus ini, jika partikel berpindah dari pusat berkas, seperti yang
ditunjukkan dalam gambar, maka partikel memiliki gaya neto yang
mengembalikan partikel kembali ke pusat perangkap karena kebanyakan
berkas memberikan perubahan momentum yang lebih besar menuju pusat
perangkap dari pada sebagian kecil berkas yang memberikan perubahan
momentum yang mengarah keluar pusat perangkap.
Jika partikel berada di dalam pusat
berkas, maka berkas cahaya tunggal akan terefraksi melewati partikel
secara simetris, dan ini menghasilkan gaya neto kesamping nol. Gaya neto
dalam kasus ini adalah sepanjang arah aksial perangkap, yang saling
menghilangkan gaya hamburan cahaya laser. Penghilangan gaya gradien
aksial dengan gaya hamburan adalah apa yang menyebabkan butiran partikel
tersebut dengan stabil terperangkap di dalam beam waist.
Single-beam gradient force trap” atau “berkas gradien gaya penjebak tunggal” yang merupakan instrumen ilmiah yang menggunakan berkas laser yang difokuskan secara kuat untuk mendapatkan gaya tarik atau gaya tolak (biasanya dalam orde piconewton merupakan suatu konsep baru dari penerapan fisika yang berkaitan dengan alat optik. Mungkin yang perlu ditambahkan setelah partikel terjebak dalam alat tersebut apa manfaatnya buat kita?
BalasHapusPerangkap optis adalah sebuah instrumen yang sangat sensitif dan mampu untuk memanipulasi dan mendeteksi perpindahan pada skala sub-nanometer untuk partikel dielektrik berskala sub-mikrometer. Untuk alasan ini, penjebak optis sering digunakan untuk memanipulasi dan mempelajari molekul tunggal dengan menginteraksikan butiran partikel yang didempetkan pada molekul yang ingin dipelajari
BalasHapus