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, 10^{-12} ) 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.

About Dedy Kurniawan Setyoko

saya adalah lulusan fisika universitas airlangga, karena saya adalah seorang fisikawan, tentunya saya sangat menyukai dunia fisika. Dalam blog ini saya akan mengutarakan semua ide-ide saya. View all posts by Dedy Kurniawan Setyoko

2 responses to “Optical Tweezer (Penjebak optikal), sebuah penggerak nano berbasis optik

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: