Оптомеханічний резонатор виміряв частоту коливань однієї бактерії
Біомеханіки виміряли низькочастотні коливання бактерії за допомогою оптикомеханічного резонатора. Також вчені побудували теоретичну модель пов'язаних загасаючих гармонійних осциляторів і визначили, яким чином коливається бактерія на поверхні резонатора. Стаття опублікована в журналі.
Вчені вимірюють коливальні властивості молекул методами оптичного неупругого розсіювання і оптичного поглинання для визначення їх хімічної будови, що особливо цікаво для біологічних молекул і структур. Давно існують теоретичні передбачення існування низькочастотних коливальних мод в нуклеїнових кислотах, білках, вірусах і бактеріях. За допомогою цих мод фізики можуть отримувати інформацію про гнучкість біологічних об'єктів, яка чутлива до конформаційних змін, комплексоутворення та зміни умов навколишнього середовища. Відомо, наприклад, що багато хвороб безпосередньо пов'язані з гнучкістю молекул і біологічних структур.
Біофізики вже проводили чисельний розрахунок основної резонансної частоти для сферичної частинки на поверхні залежно від радіусу методом кінцевих елементів. Власна частота коливань сферичних частинок падає зі збільшенням радіусу. Для наноструктур вірусів і білків така частота за теоретичними оцінками - сотні і десятки гігагерц відповідно. Однак поки що вченим не вдалося виміряти власну частоту коливань вірусів поширеними методами оптичного неупругого розсіювання і поглинання.
Біомеханіки використовували нано і мікрорезонатори для того, щоб визначити масу біочастинок, а за допомогою мікрокантильовера - голки атомно-силового мікроскопа - у них вийшло виміряти жорсткість. За рахунок своєї маси частинка зменшує резонансну частоту резонатора в меншу сторону, в той час як жорсткість частинки навпаки незначно підвищує. У цьому наближенні біочастинка статична і ігнорує термічний рух, пов'язаний з низькочастотними коливаннями
Едуард Хіль-Сантос (Eduardo Gil-Santos) зі своїми колегами запропонував використовувати для визначення низькочастотних коливань однієї бактерії ультрависокочастотний механічний резонатор, який в змозі досягти частоту коливань біочастинок розміром в десятки і сотні нанометрів. Зокрема, вони виміряли частоту коливань епідермального стафілокока () на оптомеханічних дисках. Вчені вибрали ці диски через те, що вони мають ультрависоку резонансну частоту, велику площу чутливої поверхні, підвищену чутливість до зрушення за рахунок мод шепочучої галереї і малі механічні втрати за рахунок радіальних дихаючих мод.
Оптикомеханічний резонатор - система, в якій коливання речовини пов'язуються з електромагнітним полем. Біомеханіки сконструювали такі резонатори з багатошарової структури напівпровідника арсеніда галію з прошарком Al0,8Ga0,2As, яку видаляли витримуванням у плавиковій кислоті для утворення характерної ніжки. Вони підключили до цього резонатора хвилевод і з'єднали систему з інфрачервоним лазером. Вчені створили два резонатори товщиною в 320 нанометрів з радіусами в п'ять і два з половиною мікрометри, основна коливальна радіальна мода яких склала 272 і 546 мегагерц відповідно.
Одну бактерію епідермального стафілокока нанесли на поверхню електронапиленням з подальшою відгонкою розчинника. Для широкого диска з високою частотою коливань додавання бактерії призвело до масового зміщення резонансної частоти. Однак для вузького диска в низькій частотою ситуація докорінно змінюється: початковий вузький пік резонансного коливання розщепився на два широких піку. Цей ефект схожий на розщеплення частоти, коли зв'язуються практично ідентичні механічні резонатори, а уширення піків пов'язане зі збільшенням механічних втрат через наявність бактерії на поверхні.
Для опису цього ефекту вчені розробили теоретичну модель одномірного загасного гармонійного осцилятора пов'язаного з N гармонійними осциляторами, які можуть коливатися в напрямках N-мірного простору, утвореного власними векторами коливань доданої частинки. Складність рішення експоненційно зростає зі зростанням кількості доданих осциляторів, а тому був розглянутий випадок, в якому N дорівнює двом. Біомеханіки змінювали співвідношення резонансної частоти детектора та аналіту і отримали спектр коливання цієї системи. Щоб підтвердити його правильність, вони провели моделювання методом кінцевих елементів системи диска і бактерії, відносне положення між ними перенесено з електронної мікрофотографії. Щільність бактерії була отримана з вимірювання частоти за допомогою мікрокантильовера - 920 міліграм на кубічний сантиметр. Використавши щільність і зафіксувавши коефіцієнт Пуассона в значенні 0,35, дослідники отримали чотири можливих типи коливання: вигин, два типи сфероїдальних коливань і коливання перпендикулярні площині диска. Експериментальні дані відповідають коливанням системи при модулі Юнга бактерії в 5,5 гігапаскалів, резонансні коливання розщеплюються на два широких піку через коливання у фазу і протифазу з радіальними коливаннями диска, а рухи молекули поєднують коливання вигину і квадрупольного сфероїдального коливання.
Щоб перевірити застосовність нового методу для вивчення процесів з бактеріями, вчені виміряли спектр коливань за різних умов вологості атмосфери. Маса і в'язкоупругі властивості біополімерів сильно залежать від рівня вологості, проте дуже мало відомо про вплив води на мікробні частинки: при зміні рівня вологості з практично нуля до 80 відсотків маса бактерії збільшується на 20 відсотків, а жорсткість бактерії в першу чергу залежить від клітинної стінки, що складається частково з полімеру пептидоглікану. Зі спектру стало зрозуміло, що при збільшенні вологості, положення резонансних піків зміщуються за рахунок збільшення маси частинки, а самі піки стають ширшими. Автори пояснили це наростаючими механічними втратами через зменшення жорсткості бактерії.
Нове використання оптикомеханічних резонаторів дозволить краще розібратися з процесами в біологічних структурах. Три роки тому японські фізики навчили розфарбовувати зображення голку атомно-силового мікроскопа залежно від її частоти коливань, частоти зовнішнього джерела коливань і зрушення частоти при контакті з поверхнею.