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1、光鑷技術陳榮2010.10E-mail:chenr@fjnu.edu.cnTel:871602521主要內容引言研究進展光鑷基本原理光鑷實驗裝置應用成果與展望2光鑷技術(OpticalTweezers或LaserTraps)早期也叫激光捕獲術，即利用聚焦的激光束鑷起并操縱細胞、細菌或原子等大約尺度在幾納米到幾十微米之間的微小粒子的一項技術。引言3光鑷----光學鑷子，顧名思義它是一種利用光物理性質實現(xiàn)的工具，它應具有傳統(tǒng)的機械鑷子或鉗子可狹持、操縱微小物體的功能，故成為光鑷或光鉗。引言4激光束聚焦至直徑1um激光光鑷對酵母細胞的捕獲和操作控制曝光時間在樣品上記錄下直徑變化
2、的點5傳統(tǒng)的機械鑷子必須用其前端接觸到物體，再施加一定的壓力，物體才能被鑷住，而后進行翻轉，遷移等操縱。而光鑷則大不相同，①它使物體受到光的束縛而達到“鑷”的目的，然后通過移動光束來遷移或翻轉物體②與機械鑷子相比，它是一種溫和的、非機械接觸的方式來夾持和操作物體③尤為重要，在以光鑷的光為中心的一定區(qū)域內，物體一旦落入這個區(qū)域就有自動移向幾何中心的可能，尤如微粒被吸光器吸入，或一個飛行物體墜入宇宙黑洞樣，光鑷具有“引力”效應。同時光鑷又象一個陷阱。引言6同時，“光鑷”實際上是以宏觀機械鑷子對光的勢阱效應的一種形象和通俗的描繪。對“光鑷”的物理性質，人們采用“光學勢壘”“光捕
3、獲阱”“光梯度力阱”或“光字勢阱”等物理術語予以描述。引言7研究進展1970年貝爾實驗室的阿什金就利用多光束激光的三維勢阱成功鑷起并移動水溶液中的小玻璃珠，之后這一激光鑷起微粒的技術得到不斷改進，所能捕獲的粒子越來越小;1985年阿什金開始采用單光束鑷起細菌及病毒等微小生物體;81987年首先使用514.5nmAr+成功鑷起病毒,緊接著利用1064nmNd:YAG。但由于活性體對可視波段激光的吸收作用，早期搬運細菌的過程中存在對活細胞損傷的問題;后來阿什金發(fā)現(xiàn)對于大多數(shù)生物細胞和有機體來說紅外光是相對透明的，從而采用800—950nm的紅外激光配合一定的功率操作可不對細胞
4、組織造成損害，之后這一技術在生物領域得到快速發(fā)展。9三、光鑷基本原理3.1光的動量與光輻射壓力（光壓）光的動量是光的基本屬性之一光不但具有能量而且有動量 光子光與物質相互作用交換能量動量的傳遞力，光壓10根據牛頓第二定律，作用在物體上的力F等于光引起的單位時間內物體動量的變化：這意味著光對被照物體施加一個力的作用，這種由于光輻射對物體產生的力通常稱之為光的輻射壓力或光壓。11如果光束的作用面積為S，則單位面積上的光壓強為。可以估算出，太陽光垂直照射時，地球表面的光壓為：W=0.5達因/m2，這個量很小。但由于激光的高亮度、高方向性，發(fā)散角為毫弧度。10mWHe-Ne激光，
5、輻射亮度為太陽光的1萬倍，與原子彈爆炸時亮度相當。再將其聚焦到衍射極限光斑，（）時，其壓強為W=106達因/m2從而可產生108cm/s2=105g的加速度。對于微米數(shù)量級的小球來說，這個力非常大，每個光子的動量雖小，但在聚焦后形成的高密度能流下，其力量非常大，此為光攝的能源所在。12應當注意的是，如此高的能量密度集中于小球上，當幾毫瓦的激光聚焦成1的衍射極限光斑，會聚于大小的小球上。當小球與外界絕熱時，即使有千分之一的入射能量（微瓦數(shù)量級），被小球吸收，這微瓦的能量也會使小球溫度在毫秒時間內超過沸點，而被蒸發(fā)。然而，光鑷作用下的小球都是浸入液體中的，球被液體冷卻。這時熱
6、傳導方程與擴散方程形式相同，水中小球溫度變化為：13r：小球半徑，K：水中傳導率，W：小球獲得的功率。經計算，上述同樣的功率（微瓦）下，小球的溫升只有1℃，可以承受。還應當注意，光攝利用的是光線在小球上的折射效應，而不是吸收效應。這在下面的受力分析中進一步明確。而這里要說明的是光子確實可以對小球形成壓力。14三、光鑷基本原理3.2梯度力上面所講的是光子對小球的壓力，該壓力方向沿光傳播方向，這里尚未說明它形成光鑷作用。那么我們先來觀察處在均勻與非均勻光場中的小球的受力情況。見圖1。15圖1梯度力的形成16圖1中假設小球是透明體，這是符合實際情況的。因為大部分生物細胞的組成是
7、水分子，特別是對脫了壁的原生質體，近乎是透明的球狀體。這里還假設小球的折射率大于周圍媒質的折射率,這也是符合大多數(shù)情況的。17根據動量守恒原理，它（光線a）必須要給小球施加一個向左方向的動量，即光線a在小球內折射的結果，使小球受到一個向左的力。同理，可以分析，由于光線b的折射，小球受到一個向右的力，在均勻場中，兩力等值，其合力⊥（垂直）向下。18對于圖1A中的均勻光場來說，光線a,b進入小球發(fā)生折射，既2次折射，這里這是折射占主要的量。從圖中可知，比如對于光線a，它向右方折射。因為光線是帶有動量的，它的方向是沿著光傳播的方向，
