ครั้งแรกที่แสดงให้เห็นเมื่อ 20 ปีที่แล้ว ปากคีบแบบออปติคัลได้กลายเป็นเครื่องมือที่เป็นที่ยอมรับในสาขาการวิจัยตั้งแต่ชีวฟิสิกส์ไปจนถึงชีววิทยาของเซลล์ ตามชื่อของมัน แหนบออปติคัลใช้ลำแสงเพื่อจับและจัดการกับวัตถุขนาดเล็กระดับจุลภาค เช่น โมเลกุลทางชีวภาพหรือแม้แต่เซลล์ที่มีชีวิต พวกมันเกิดขึ้นเมื่อลำแสงเลเซอร์จับโฟกัสอย่างแน่นหนาไปยังพื้นที่เล็กๆ ในอวกาศโดยใช้วัตถุประสงค์
ของกล้องจุลทรรศน์
เป็นเลนส์ พื้นที่นี้กลายเป็นกับดักแสงที่สามารถเก็บวัตถุขนาดเล็กในแบบ 3 มิติปากคีบแบบออปติคอลยังสามารถทำการวัดแรง ขนาดเล็กที่กระทำกับวัตถุที่ติดอยู่ได้อย่างแม่นยำ สิ่งนี้ทำให้นักวิจัยสามารถศึกษาไดนามิกการแพร่กระจาย (หรือการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน) ของวัตถุในตัวทำละลาย
ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่สามารถมีบทบาทสำคัญในการทำงานของโมเลกุลทางชีวภาพหลายชนิด นอกจากนี้ยังสามารถใช้แหนบแบบออปติคัลเพื่อจัดการวัตถุขนาดเล็กโดยใช้แรงที่มีการควบคุมอย่างดี ถูกดักจับโดยการหักเหแรงดักจับที่ยึดวัตถุไว้กับที่ในแหนบแบบใช้แสงสามารถเข้าใจได้โดยการพิจารณาว่า
วัตถุหักเหแสงอย่างไร เนื่องจากโฟกัสแน่น แสงเลเซอร์จึงเข้มที่สุดที่จุดศูนย์กลางของกับดัก ซึ่งหมายความว่าหากวัตถุเคลื่อนออกจากจุดศูนย์กลางเล็กน้อยในทิศทางขวาง ส่วนหนึ่งของวัตถุจะหักเหแสงน้อยกว่าอีกส่วน เป็นผลให้วัตถุหักเหแสงออกจากจุดศูนย์กลางของกับดักมากกว่าส่องเข้าหามัน
แสงมีโมเมนตัมและผลสุทธิของการหักเหนี้เป็นแรงที่เบี่ยงเบนโมเมนตัมบางส่วนออกจากจุดศูนย์กลางของกับดัก ตามกฎข้อที่สามของนิวตัน แรงที่เท่ากันและตรงกันข้ามจะต้องกระทำต่อวัตถุ โดยผลักวัตถุนั้นเข้าหาศูนย์กลางของกับดัก (ดูรูปที่ 1ก ) เอฟเฟกต์ที่เกี่ยวข้องกับการหักเหของแสงที่คล้ายกัน
ยังทำให้วัตถุถูกดันกลับไปในทิศทางตรงกันข้ามกับลำแสงเลเซอร์ (ดูรูปที่ 1b ) การดักจับจะเสถียรก็ต่อเมื่อแรงของแสงเลเซอร์ที่กระเจิงจากอนุภาคตามทิศทาง z ที่เป็นบวกได้รับการชดเชยด้วยแรงดักจับตามทิศทาง z ที่เป็นลบ เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ จำเป็นต้องมีการโฟกัสที่แน่นมาก
โดยมีแสง
ตกกระทบบางส่วนที่ส่องเข้ามาจากมุมกว้าง สามารถทำได้โดยใช้เลนส์ที่มีค่ารูรับแสงสูงปากคีบแบบออปติคอลตรวจจับแรงมีความสามารถเพิ่มเติมในการติดตามการเคลื่อนไหวของวัตถุภายในกับดัก ซึ่งเป็นข้อมูลที่สามารถนำไปใช้ในการคำนวณแรงภายนอกที่กระทำต่อวัตถุได้ แรงจากภายนอก
โดยเฉพาะอย่างยิ่งแรงแบบบราวเนียนที่เกิดจากวัตถุที่ถูกระดมยิงอย่างต่อเนื่องโดยโมเลกุลของตัวทำละลาย มีแนวโน้มที่จะเคลื่อนวัตถุออกจากจุดศูนย์กลางของกับดัก การใช้การวัดอินเตอร์เฟอโรเมตรีของแสงที่หักเหจากวัตถุ การกระจัดนี้สามารถกำหนดได้ด้วยความแม่นยำระดับนาโนเมตร
ซึ่งทำให้สามารถวัดแรงภายนอกที่ระดับพิโกนิวตันย่อยได้แรงภายนอกดังกล่าวขึ้นอยู่กับความหนืดของตัวทำละลายและคุณสมบัติของวัตถุที่ติดอยู่ นอกจากนี้ วัตถุที่ติดอยู่สามารถผลักหรือดึงวัตถุอื่นๆ และสามารถวัดแรงที่เกี่ยวข้องได้ นับตั้งแต่มีการประดิษฐ์ ปากคีบแบบออปติคัลได้ถูกนำมาใช้
อย่างประสบความสำเร็จในด้านชีวฟิสิกส์โมเลกุลเดี่ยว ตัวอย่างเช่น พวกเขาได้ช่วยนักวิจัยไขปริศนาความยืดหยุ่นที่ซับซ้อนและการพับไดนามิก โปรตีน และ “โพลิเมอร์ชีวภาพ” สายโซ่ยาวอื่นๆ ในการทดลองเหล่านี้ โดยทั่วไปแล้วโพลิเมอร์ชีวภาพจะถูกควบคุมจากปลายทั้งสองโดยการแขวนไว้
ระหว่างกับดักแสงกับพื้นผิว หรือระหว่างกับดักหลายอัน ข้อมูลที่ได้รับโดยใช้แหนบออปติคอลช่วยเสริมการวัดที่ทำขึ้นโดยใช้เทคนิคอื่นๆ สำหรับการวัดแรงบนโมเลกุลเดี่ยว รวมถึงกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม ปากคีบแบบออปติคอลยังช่วยให้เราเข้าใจมากขึ้นว่า “มอเตอร์โปรตีน”
แท้จริงแล้วมีการศึกษาเอ็นไซม์เชิงกลจำนวนมากด้วยวิธีนี้ รวมถึงหลายตัวที่เกี่ยวข้องกับเมแทบอลิซึมของดีเอ็นเอ กระบวนการทางชีวเคมีที่เกี่ยวข้องกับดีเอ็นเอ แม้ว่าจำนวนการศึกษาในสาขานี้จะเพิ่มขึ้น แต่ก็ยังมีคำถามทางชีววิทยาและชีวฟิสิกส์มากมายที่สามารถแก้ไขได้โดยใช้แหนบแบบใช้แสง
รวมถึงกลไก
ที่ซับซ้อนของการจำลองแบบ การถอดความ และการซ่อมแซมดีเอ็นเอ ในขณะที่นักวิจัยกำลังเริ่มให้ความสนใจกับการทำงานของเอนไซม์แต่ละตัวในระหว่างกระบวนการเหล่านี้ การกระทำที่ประสานกันของโปรตีนหลายสิบชนิดที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาในชีวิตจริงในบางครั้งยังคงเป็นปริศนาอยู่มาก
นอกจากนี้ยังใช้แหนบแบบออพติคัลเพื่อศึกษาเซลล์ชีวภาพที่มีชีวิต ในขั้นต้น พวกมันถูกใช้เพื่อจัดเรียง จัดการ ผลัก และดึงเซลล์ในลักษณะเชิงคุณภาพเป็นหลัก อย่างไรก็ตาม ในปีที่แล้วมีการใช้แหนบแบบออพติคัลเพื่อทำการวัดเชิงปริมาณในหรือรอบๆ เซลล์ที่มีชีวิต ตัวอย่างเช่น พวกมันถูกใช้เพื่อศึกษากลไก
ของฟาโกไซโทซิส ซึ่งเป็นกระบวนการที่เซลล์กลืนและกินสิ่งแปลกปลอมเข้าไประบบสำเร็จรูปการวัดดังกล่าวครั้งหนึ่งเคยเป็นขอบเขตเดียวของเครื่องมือวิจัยที่กำหนดเอง แต่เมื่อเร็ว ๆ นี้ได้เปิดตัวแพลตฟอร์มการทดลอง แพลตฟอร์มนี้เป็นระบบแหนบเชิงปริมาณเชิงปริมาณระบบแรกที่ได้รับการออกแบบมา
สำหรับการทดลองด้านวิทยาศาสตร์เพื่อชีวิต และสามารถดักจับและวัดการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีขนาดตั้งแต่ไมโครเมตรไปจนถึงไม่กี่สิบนาโนเมตรเช่น ไคเนซินและไมโอซินเปลี่ยนพลังงานเคมีให้เป็นงานได้อย่างไร มอเตอร์ทางชีวภาพดังกล่าวทำงานในระยะทางนาโนเมตรและด้วยแรงพิโกนิวตัน
กับดักออปติคัลสองอันถูกสร้างขึ้นโดยใช้ชุดบังคับทิศทางด้วยเลเซอร์ซึ่งประกอบด้วยเส้นทางลำแสงแยกกันสองเส้นทางซึ่งแยกจากกันโดยโพลาไรเซชันและปรับให้เหมาะสมเพื่อความเสถียร ตัวกล้องไมโครสโคปที่ปรับแต่งได้มีทั้งสเตจการแปล XY แบบใช้มอเตอร์ทางไกลและสเตจ3เพียโซแบบ ลูปปิด 100x100x100 µm
