光鑷技術(shù)的原理及應(yīng)用

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1、墨強(qiáng)強(qiáng)盈匹蠶皿葛割雀(東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)I程系江蘇南京210096)光攝技術(shù)是美國(guó)科學(xué)寰于[986年發(fā)明的．光捂又稱為單光束梯廑力光阱。簡(jiǎn)單的說．就是用一束高度￡聚的激光形成的二維勢(shì)阱來俘獲，操縱控制微小枇干。自誕生阻來+光攝技術(shù)已經(jīng)在微米R(shí)度量級(jí)柱丁的操縱控制．粒子呵的相Ⅱ作月等方面的研究中發(fā)揮T重要作用。l光曩技術(shù)的產(chǎn)生I969年．Ashkin通過g論計(jì)算認(rèn)為聚焦的擻光能推動(dòng)R-J為幾個(gè)微米的粒子，并實(shí)現(xiàn)r用聚焦的氳離子擻光使懸浮扯水中的透明膠粒(直徑06-25¨m)沿著光軸方向加速推離。他發(fā)現(xiàn)接近光束的微粒也出乎意科地譴吸人光束中推高．n通過用氣泡與

2、液摘反復(fù)實(shí)驗(yàn)后．Ashkin認(rèn)為光束對(duì)折射率比周囤升質(zhì)高的微粒具有橫向吸力，但對(duì)折射率比周圍介m低的微粒異有橫向推力。1970年．Aahkin等旨先提出能利用光壓(opticalp㈣sufe)操縱微／14'l子的概盎。一直到l986年，Ashkin才發(fā)現(xiàn)只需簍一束高度聚焦的激光，就可“肜成穩(wěn)定的能量阱能將微粒穩(wěn)定俘獲。這標(biāo)志著光鑷的誕生．1E因?yàn)槿绱耍忤嚨腅式名稱為單求光梯度力阱(single—kamopticalgradientforcetrap)。2光鑷技術(shù)的t．t：ll理把可以看作是把子流．每個(gè)光子都旬有動(dòng)鼉尸畔÷E是波長(zhǎng)為l的光子能量，當(dāng)光照射到物體

3、時(shí)，光子的動(dòng)昔傳遞給物體井產(chǎn)生壓*．稱為光壓．光壓對(duì)于出現(xiàn)物體的影響可以忽略不計(jì)，但對(duì)于直徑小于100um的微小離子，選種輻射Ⅲ的作用是*簿考慮的。光鑷耐牲子的俘獲作用機(jī)制％其R寸有關(guān)。根據(jù)粒子直徑(D)和光城長(zhǎng)n)的太小關(guān)系，光鑷的作用機(jī)制披舟為3類：集臺(tái)光學(xué)機(jī)制(D>H時(shí))、雷利機(jī)制-{D(q時(shí))和中間機(jī)制(介于前兩者之間的情況)。下面將通過介紹前兩種機(jī)制來解釋光鑷作用的原理。2】幾何光學(xué)機(jī)制(nayopticsregime)對(duì)D))A的情況．俘獲力的產(chǎn)生可通過光折射和動(dòng)量守恒來分析。如圖I(a)。微粒處在偏離激光束軸線的位置．不同強(qiáng)度的光線P1和P2與微

4、粒作用．Pl和P2傳遞培撤幢的動(dòng)Ji-AP，和d^在x軸方向的分li為APX，對(duì)般粒產(chǎn)生一個(gè)指向擻光束軸線的力．其作用在于減小錯(cuò)粒位置對(duì)于軸線的偏移．被稱為■向梯度目復(fù)力．軸向梯度力也是由于光折射的動(dòng)量轉(zhuǎn)移造成的。如圖ifb)和l(c)1它的作用在J。推動(dòng)微枉向澈光束焦點(diǎn)方向運(yùn)動(dòng)．根據(jù)焦點(diǎn)位置T同．軸向梯度力的方向一f能是托也可能是·z。微粒對(duì)人射光的反射作用會(huì)產(chǎn)生散射力(圖I井幣包含散射力產(chǎn)生的情況)。散射力與軸向梯度山的作用剛好相反，是推動(dòng)微粒想背離散光束焦點(diǎn)的方向運(yùn)動(dòng)。如果散射力和梯度力能夠選到平衡．就能罅實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子的穩(wěn)定俘獲。T面是由Ashkin給出的

5、這些力的定量表逃式散射“。．《一m·．鼉疇．j：筆一-霉*眈一．《一．鼉母焉皂繁嗎·掣式中P是光線舯能量+n．是懸浮液的折射率，日和÷舟別是^射和折射的角度，R和T是菲捍耳反射和恃播系教。這兩個(gè)俘獲力的矢量和為f。．1再飛ot_l，H#M■“十Ⅲ2．2雷利機(jī)制01ayleigh”目me)光是電磁渡，粒子(Dt“時(shí))在光的電融茶中被檉化成點(diǎn)偶樁子舢intdipoles)。光對(duì)粒子的散射力可如下表示：^-^掣．．扣，{爿1(s)是電磁藏的時(shí)間平均Po”tIng向量．n1是懸浮漣的折射豐．是直徑為雷利的粒子的散射橫截面，=n，／n，是相關(guān)指投．m是牲子對(duì)光的折射率．

6、k-2”。n以是光的最教．而梧鷹力址是電硅硅作用于楹子上的洛倫馥力：‘-{_tf，州‘爿愿婦漾．_；!．E電磁場(chǎng)強(qiáng)度，是微粒的極化度。散射力和梯度力的合力指向光束焦點(diǎn)，將高介電常數(shù)的粒子向焦點(diǎn)方向推動(dòng)，可以通過改變光束焦點(diǎn)的位置來操縱被俘獲的粒子。3光鑷系統(tǒng)的構(gòu)成光鑷儀器的基本結(jié)構(gòu)是一樣的，最常用的光源為Nd：YAG激光器和氬離子激光器，波長(zhǎng)為0．7“m或L0．6“m，功率為25-500mW。激光通過顯微鏡物鏡聚焦，物鏡數(shù)值孔徑O璩)等于懸浮液的折射率。大部分生物樣品能大量吸收可見光，但對(duì)于波長(zhǎng)在700-1300um范圍內(nèi)的光是透明的，而紅外光可被水吸收。為了

7、避免因光的過度吸收造成溫度不正常升高，減少對(duì)被檢測(cè)對(duì)象的生物活性的損傷，所以通常選用紅外波長(zhǎng)的激光作光源。激光的焦點(diǎn)可通過調(diào)節(jié)透鏡和反射鏡來改變，CCD采集圖象并將其顯示出來，所有的數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)處理。4光鑷技術(shù)的應(yīng)用光鑷采用激光實(shí)現(xiàn)對(duì)微粒的俘獲與操縱，與樣品之間沒有機(jī)械接觸，不會(huì)對(duì)樣品產(chǎn)生機(jī)械損傷；不會(huì)對(duì)樣品的周圍環(huán)境產(chǎn)生污染與干擾，減少了檢測(cè)中的不確定因素。光鑷能夠俘獲與操縱的微粒大小約是幾十納米列幾十微米，而細(xì)胞、細(xì)胞器及生物大分子等生物微粒恰好屬于這一范圍，所以光鑷技術(shù)特別適合生物微粒的俘獲與操縱，同時(shí)對(duì)生物微粒的生命活動(dòng)干擾極小，生物微粒生命活動(dòng)變化能

8、得到完整的保留，使研究者能實(shí)時(shí)觀測(cè)，這