1、光鑷原理及其應(yīng)用,自1986年單光束光鑷概念被提出以來，至今光鑷已經(jīng)發(fā)展30多年，光鑷的可操控尺寸從最初的微米級發(fā)展到現(xiàn)在的納米級，操控方法從最初的單光束光鑷到雙光束光鑷，再到全息光鑷以及新型光束捕獲，極大地促進了定量生物學(xué)的發(fā)展，光鑷技術(shù)已經(jīng)成為眾多學(xué)科科學(xué)家所渴望的工具。,光鑷的基本原理,光鑷的基本原理和新型光鑷,新型光鑷光場,全息光鑷,光鑷的應(yīng)用,光鑷與細胞生物學(xué),光鑷與軟物質(zhì)膠體科學(xué),光鑷與單分子生物學(xué),光鑷與物理學(xué),光鑷的基本原理,光與物質(zhì)相互作用伴隨著動量的交換, 從而表現(xiàn)為光對物體力的作用力（F=P/t ）。由于光輻射對物體產(chǎn)生的力常常表現(xiàn)為壓力，因而通常稱之為輻射壓力或簡稱光壓

2、。然而，在特定的光場分布下，光對物體也可產(chǎn)生一拉力，即形成束縛粒子的光勢阱。,對于直徑大于波長的米氏散射粒子，可采用幾何光學(xué)的方法來解釋光勢阱的形成，如圖。,光鑷的基本原理,對于直徑小于波長的瑞利散射粒子對于直徑小于激光波長的瑞利散射顆粒, 適用于波動光學(xué)理論和電磁模型。波動光學(xué)理論認為, 在光軸方向有一對作用力:與入射光同向正比于光強的散射力和與光強梯度同向正比于強度梯度的梯度力。梯度力與散射力的比值大于1，這樣合力就指向焦點處，能夠?qū)崿F(xiàn)對微粒的捕捉,新型光鑷光場,起初，光鑷的光場基本是低階的高斯光束，然而這種光場的捕獲范圍和縱向深度都十分有限，而且光鑷如果要想獲得更加廣泛的應(yīng)用，就必須結(jié)合

3、各種新型光場來實現(xiàn)各種特殊、復(fù)雜的操縱功能。 當下備受關(guān)注的新型光場主要有：渦旋光束、非衍射和自修復(fù)光束、自加速光束以及矢量光束。,新型光鑷光場,渦旋光束與相位奇點相 關(guān)，本身攜帶軌道角動量，在與物質(zhì)相互作用過程中可以將角動量傳遞給微粒，從而導(dǎo)致微粒在光場中做旋轉(zhuǎn)運動。常見的渦旋光束有拉蓋爾高斯光束(Laguerre-Gaussian beam)和高階貝塞爾光束(Bessel beam)。,新型光鑷光場,貝塞爾光束同時也屬于非衍射光束，相比于高斯型光束，貝塞爾光束可傳播較遠距離而保持中心光斑的大小和尺寸基本不變。由于貝塞爾光束在傳播過程中具有很好的穩(wěn)定性，故被用于引導(dǎo)微粒沿軸向輸運距離可達3

4、mm，這個間距遠遠大于高斯型光束的光鑷的軸向捕獲深度。并且，在軸向3 mm 距離中可以實現(xiàn)多個平面長距離捕獲多微粒，如圖所示。,非衍射光束還包括馬提厄光束、拋物線光束、艾里光束等。,新型光鑷光場,拋物線光束和艾里光束也是一種自加速光束。自加速光束在沿軸向傳播過程中以某個角度彎曲而不沿直線傳播，看起來像是在自由空間中加速。這種光束在光操控中可以用于沿著設(shè)定的軌跡輸運微粒，如圖所示。自加速光束還有韋伯光束(Weber beam)和螺旋光束(spiral beams)等,新型光鑷光場,不均勻的偏振光場，如徑向偏振光束和方位角偏振光束，具有優(yōu)越的會聚特性，使得矢量光束在操控納米粒子，特別是金屬納米粒子

5、方面具有明顯的優(yōu)勢。,全息光鑷,全息光鑷作為一種產(chǎn)生多光阱或新型光學(xué)勢阱的方法脫穎而出。它不僅能構(gòu)成各種功能的光阱，并且還能實現(xiàn)三維光辨陣列，并且?guī)恿艘幌盗械难芯亢桶l(fā)展?？茖W(xué)家Grier預(yù)引，全息光鑷將零發(fā)光學(xué)操縱的一場技術(shù)革命。 全息光鑷的主要原理是利用全息元件(目前主要是計算機尋址的液晶空間光調(diào)制器)產(chǎn)生具有特定功能的光場而形成的光鑷。,所形成的光場性質(zhì)的不同，全息光鑷會實現(xiàn)不同的功能，如單粒子的旋轉(zhuǎn)、多粒子的操控和分選等。,形成拉蓋爾-高斯光束的叉型光柵。對應(yīng)的拓撲指數(shù)為l=4,全息光鑷,全息的技術(shù)一是可以方便地產(chǎn)生各種具有軌道角動量或特定衍射特性的新型光鑷光場，包括拉蓋爾-高斯光、高

6、階貝塞爾光、厄米特-高斯光束，利用全息技術(shù)產(chǎn)生的新型光阱，如渦旋光阱，在界面所形成的倏逝波形成的近場光鑷可以用來捕獲和旋轉(zhuǎn)金屬粒子。 二是可以對多粒予進行實時動態(tài)的捕獲和操控不僅可以實現(xiàn)十字、矩形、圓形等特殊形狀的光阱，還可以控制粒子在其中沿特定的路徑運動，原則上可以實現(xiàn)對粒子在任意形狀的光阱中的操控。,從上至下分別為：傅里葉平面光場的振幅分布、物鏡焦平面光場分布和被捕獲的粒子在光阱中運動的示意圖,光鑷與細胞生物學(xué),光鑷發(fā)明初期，Ashkin等首次用這個新的工具嘗試操 縱 細胞和病毒等各種生物樣品，并且成功地演繹了光鑷捕捉、 拖動、損傷細胞和深入到細胞內(nèi)部操控細胞的功能。Ashkin 預(yù)言“將

7、細胞器從它們正常位置移去的能力，打開了精細研究細胞功能的大門”。Liang等聯(lián)合光鑷和光刀對細胞和細胞器進行手術(shù)，感慨細胞工具箱里又多了一把鑷子，用起來更方便了。 光鑷操控細胞和細胞器的手段是多種多樣的，包括懸浮、移動、分選、融合等，還可以定量的測量細胞的力學(xué)性質(zhì)以及細胞間的相互作用。隨著光鑷技術(shù)的成熟以及與更多的技術(shù)結(jié)合，如微分干涉和熒光技術(shù)，脈沖激光技術(shù)、激光拉曼技術(shù)、全息技術(shù)、共聚焦技術(shù)、磁鑷技術(shù)等，使得在實時測量細胞的變化，細胞的相互作用，細胞的力學(xué)性質(zhì)等方面的研究更加深入的展開。,分選單條染色體,光鑷分選單條染色體。(a) 游離的水稻中期分裂相細胞; (b) 紫外脈沖光對細胞穿孔使之

8、破裂，釋放出染色體; (c) 熒光激發(fā)下觀測染色體，用光鑷夾持其中單條染色體; (d)(f) 光鑷夾持單條染色體使其從細胞殘骸(染色體群體)中分離出來; (g)(h) 利用微吸管將光鑷分離的染色體富集,操控動物活體內(nèi)紅細胞,光鑷技術(shù)操控活體動物內(nèi)的紅細胞。(a) 光鑷操控小白鼠耳朵毛細血管中的紅細胞示意圖; (b) 光鑷誘導(dǎo)紅細胞疏通血管恢復(fù)正常血液流動,該實驗將光鑷深入到小白鼠耳朵的毛細血管內(nèi)操控單個或多個紅細胞，利用光阱力聚集多個紅細胞堵塞血管，或者用光鑷牽引紅細胞疏通被阻塞的毛細血管, 開拓了光鑷技術(shù)研究活體動物新領(lǐng)域。通過這種非接觸式的微創(chuàng)手術(shù)進行的實驗取證，為活體研究和臨床診斷提供了

9、一種全新的技術(shù)。,光鑷與單分子生物學(xué),光鑷技術(shù)的亞納米線的空間分辨率和飛牛頓級的 力分辨率正好滿足了體外研究單個生物大分子的條 件。光鑷能夠?qū)崟r跟蹤生物分子運動，獲取單分 子靜態(tài)和動態(tài)的力學(xué)性質(zhì)，已被越來越多地用于 研究生化或者生物物理的精細過程，為定量研究 生命規(guī)律和改造生命活動提供了一種不可或缺的 研究工具。光鑷是通過微米“手柄”小球?qū)Υ蠓肿?進行間接操控和測量。目前測量的方法已發(fā)展 有多種，如單光鑷、雙光鑷、光鑷與微針結(jié) 合等，都有很好的應(yīng)用。還有光鑷與光致旋 轉(zhuǎn)、光鑷與磁鑷，以及光鑷與全內(nèi)反射熒光 技術(shù)結(jié)合等,形成獨特的技術(shù)和方法，有效地 解決了相應(yīng)的科學(xué)問題。,研究核糖體的運動規(guī)律,

10、核糖體是細胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成的場所，它通過讀取信使核糖核酸cRNA 核苷酸序列所包含的遺傳信息，并使之轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)中氨基酸的序列信息以合成蛋白質(zhì)。因此，核糖體在生物的生命活動中具有非常重要的生理作用。2008年Wen等研究了核糖體在翻譯過程中的動力學(xué)特性，即其沿著信使RNA 運動的精細動力學(xué)過程，并首次證明了核糖體在易位運動中存在3個亞步。,光鑷研究核糖體運動。(a) 原理圖; (b) 核糖體運動的“位移-時間”關(guān)系曲線; (c) 轉(zhuǎn)錄過程中每一次暫停生物分子長度改變?yōu)?.7 nm,光鑷與軟物質(zhì)膠體科學(xué),研究分散體系都涉及到微小宏觀微粒與流體相互作用這樣 一個基本問題。直接通過實驗研究很困難，而理

11、想化的理論與錯綜復(fù)雜的實際情形差異又很大，所以該領(lǐng)域的進一步發(fā)展幾乎決定性地依賴于對單個微粒相互作用過程的研究。光鑷的特點是可以限制微粒的運動，幫助研究人員在嚴密控制的條件下精確觀測單個微粒的動力學(xué)過程。如利用光鑷研究微粒相互作用勢，長程引力相互作用，研究布朗運動和擴散以及其他動力學(xué)性質(zhì)，研究流體動力學(xué)相互作，兩分散體系混合液的性質(zhì)，測量微粒在流體中受的粘滯作用等。光鑷是在微粒層次對膠體科學(xué)進行實驗研究的重要工具。,研究分散體系結(jié)合幾率,利用光鑷捕獲微粒，使兩微粒碰撞在顯微鏡焦平面附近發(fā)生并直接進行觀察。通過大量的碰撞后兩個微粒結(jié)合與分散，可得到相互作用的直接信息。研究的基本思想是，先用光鑷捕

12、獲一個微粒，然后再捕獲第二個微粒，短時間關(guān)閉光鑷后，觀察兩個微粒結(jié)合與否，對大量的重復(fù)實驗進行統(tǒng)計，從而獲得兩個 微粒碰撞后的結(jié)合幾率。,膠體微粒結(jié)合性質(zhì)的研究。(a) 兩個微粒在光阱中的示意圖; (b) 兩個微粒在光阱中的像，垂直光場觀測;(c) 分散狀態(tài); (d) 聚集狀態(tài); (e) 松散狀態(tài),光鑷與物理學(xué),光鑷在物理學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用，可以證實以前無法通過實驗驗 證的物理規(guī)律，增進人們對于已有的物理現(xiàn)象和規(guī)律的 認識，還能為物理的其他學(xué)科領(lǐng)域提供新的研究方法和 實驗技術(shù)，例如在光的力學(xué)效應(yīng)驗證和力的精確測量、聲 學(xué)顯微、布朗運動、納米技術(shù)、量子力學(xué)等應(yīng)用，表明 光鑷正日益成為促進物理學(xué)進展的重要工具。,布朗運動的新認識,1907年，愛因斯坦認為能量均分定理適用于布朗微粒，但是因為單個微粒的瞬時速度變化太快，所以這個預(yù)言難以從實驗上直接證明。2010年Science雜志報道，采用光鑷技術(shù)在真空中測量了微粒的瞬時速度，首次從實驗上成功地驗證了布朗微粒符合能量均分定理。 光鑷測量布朗粒子的瞬時速度的方法，如