神奇的“鑷子”-——光鑷技術(shù)綜述

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1、神奇的“鑷子”——光鑷技術(shù)綜述醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)05級(jí)郭佳王也魯華菲王學(xué)瑛摘要：光鑷技術(shù)誕生二十多年來(lái)，無(wú)論是技術(shù)本身還是它的應(yīng)用都有了極大的進(jìn)展。本文從光的力學(xué)效應(yīng)出發(fā)，簡(jiǎn)要討論了光鑷的原理，介紹了光鑷裝置的基本結(jié)構(gòu)，并對(duì)光鑷的功能進(jìn)行了分析，進(jìn)而對(duì)光鑷技術(shù)在生命科學(xué)中的應(yīng)用作了評(píng)述和討論，闡述了光鑷在生命科學(xué)研究中的潛在地位和巨大的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：光鑷光阱光鑷系統(tǒng)生物大分子1光鑷技術(shù)原理隨著物理技術(shù)手段的不斷進(jìn)步，物理學(xué)和生物科學(xué)的結(jié)合使得對(duì)生命活動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)逐步深入——從原來(lái)器官、組織的層次逐漸發(fā)展到細(xì)胞、生物大分子的層次?；谏飳?duì)象的復(fù)雜性和對(duì)活的生命過(guò)程研

2、究的需求，光鑷技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。光鑷技術(shù)利用激光的力學(xué)效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)生物活體樣品的非接觸、無(wú)損傷操縱，并且可作為粒子相互作用過(guò)程中力的傳感器，因此在生命科學(xué)等領(lǐng)域取得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。以下本文就對(duì)光鑷技術(shù)的產(chǎn)生以及基本原理進(jìn)行闡述。1.1基本概念1.1.1光的動(dòng)量是光的一個(gè)基本屬性：根據(jù)電磁理論，光不但具有能量，還具有動(dòng)量。1.1.2光的力學(xué)效應(yīng)：光與物質(zhì)在相互作用過(guò)程中會(huì)交換動(dòng)量，使受光照射的物體受到一個(gè)力或力矩。根據(jù)牛頓力學(xué)定律，在物體上的力等于光引起的單位時(shí)間內(nèi)物體動(dòng)量的改變，并由此引起物體[3]位移和速度的變化，稱之為光的力學(xué)效應(yīng)。[3]1.1.3光壓：

3、由于光輻射對(duì)物體所產(chǎn)生的力通常稱之為光的輻射壓力，簡(jiǎn)稱光壓。1.2光的力學(xué)效應(yīng)研究發(fā)展史由于單個(gè)光子動(dòng)量很小，普通光源的力學(xué)效應(yīng)非常微弱，因此研究光的力學(xué)性質(zhì)受到了很大的限制。直到1960年激光的發(fā)明——一種具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性的新光源，人[5]們開始對(duì)光的力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行全面和深入的研究，并取得了突破性進(jìn)展。1969年，美國(guó)科學(xué)家A.Ashkin首次實(shí)現(xiàn)了激光驅(qū)動(dòng)微米粒子（沿光軸方向推動(dòng)粒子）的實(shí)驗(yàn)。后來(lái)他又發(fā)現(xiàn)，當(dāng)微粒的折射率比周圍介質(zhì)的折射率高時(shí)，光束對(duì)微粒具有橫向吸力。于是在1970[6]年，A.Ashkin首先提出能利用光壓操縱微小粒

4、子的概念。[3]1986年，A.Ashkin等成功地利用一束強(qiáng)會(huì)聚激光束實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物微粒的三維捕獲，并可在基本不影響周圍環(huán)境的情況下，對(duì)捕獲物進(jìn)行亞接觸性、無(wú)損活體的操作，即無(wú)機(jī)械損傷的遙控操作，自此基于激光的光鑷技術(shù)誕生了。光鑷的發(fā)明使人們?cè)谠S多研究中，從被動(dòng)的觀察轉(zhuǎn)而成為主動(dòng)的操控。二十年來(lái)，光鑷技術(shù)的研究和應(yīng)用都得到了迅速發(fā)展。特別是在生命科學(xué)領(lǐng)域，光鑷已成為研究單個(gè)細(xì)胞和生物大分子行為不可或缺的有效工具。11.3光鑷技術(shù)定義光鑷(Opticaltweezers)，又稱為單光束梯度力光阱(single-beamopticalgradientforcetr

5、ap)，是利用光與物質(zhì)間動(dòng)量傳遞的力學(xué)效應(yīng)而形成的三維勢(shì)阱來(lái)捕獲和操縱微粒的技術(shù)。如圖1所示，這種由光形成的光學(xué)勢(shì)阱就像一個(gè)具有引力的陷阱，微粒一旦處在陷阱中，如果沒有足夠大的動(dòng)能就很難逃脫，它就像一把鑷子可以把微粒牢牢鉗住，因此形象地稱它為光鑷。1.4基本原理圖1電子的勢(shì)能圖類似一個(gè)波的形狀，當(dāng)電子處于波谷的時(shí)候就好像處在一口井里，比較穩(wěn)定。本文以透明介質(zhì)小球作模型，用幾何光學(xué)來(lái)討論光與物體的相互作用，闡述一下光鑷是如何捕獲微粒的，如圖2所示。說(shuō)明：雖然處理光與微粒的相互作用，嚴(yán)格地說(shuō)應(yīng)該用光的電磁理論，特別是對(duì)于尺寸小于光波長(zhǎng)的粒子。但是為了闡明梯度力的概

6、念，并形象地揭示出光是如何捕獲微粒的，本文就以直徑大[2]于光波長(zhǎng)的透明介質(zhì)小球?yàn)閷?duì)象，采用幾何光學(xué)的原理，近似地分析光作用于物體所產(chǎn)生的力。圖2單光束梯度力光阱的幾何光學(xué)原理圖(小球直徑D遠(yuǎn)大于光波長(zhǎng)，小球折射率大于周圍介質(zhì)的折射率)1.4.1光穿過(guò)小球的過(guò)程:如圖2(a)所示，一束激光經(jīng)透鏡聚焦后，入射光線A將光子的動(dòng)量以輻射壓的形式作用于粒子[1]小球，A經(jīng)過(guò)兩次折射后，光子動(dòng)量發(fā)生改變，以光線A′出射。1.4.2分析小球受到的力：如圖2(b)，光束的動(dòng)量變化為△，根據(jù)動(dòng)量守恒定律，粒子小球?qū)a(chǎn)生與光束的動(dòng)量變化大小相等、方向相反的動(dòng)量。又根據(jù)牛頓第二定

7、律可知，粒子小球受到的作用力就等于這一動(dòng)量變化率[4]，即FA。21.4.3梯度力：這種由于光場(chǎng)強(qiáng)度分布不均勻而產(chǎn)生的力，稱為梯度力(GradientForce)，該力的大小正比于光的強(qiáng)[5]度梯度，合力方向指向光束焦點(diǎn)。1.4.4散射力：實(shí)際上當(dāng)光穿過(guò)小球時(shí)，在小球表面會(huì)產(chǎn)生一定的反射，小球?qū)庖灿幸欢ǖ奈?，這都將施加一推力于小球，此力稱為散射力(ScatteringForce)，它[3]正比于輻射強(qiáng)度，方向指向光束傳播方向。1.4.5光阱形成：當(dāng)焦點(diǎn)附近梯度力大于散射力時(shí)，則可以形成三[3]維光學(xué)勢(shì)阱而穩(wěn)定地捕獲微粒。光鑷技術(shù)中的光阱主要就是依靠光梯度力

8、形成的，其合力指向光束焦點(diǎn)，如圖3所示