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1、新型光鑷及光鑷應(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(jìn)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(xì)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)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
2、轉(zhuǎn)運(yùn)動。常見的渦旋光束有拉蓋爾高斯光束(Laguerre-Gaussianbeam)和高階貝塞爾光束(Besselbeam)。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(yuǎn)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(yùn)距離可達(dá)3mm，這個間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高斯型光束的光鑷的軸向捕獲深度。并且，在軸向3mm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
3、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(yùn)微粒，如圖所示。自加速光束還有韋伯光束(Weberbeam)和螺旋光束(spiralbeams)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?/p>
4、發(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(jī)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?fù)渲笖?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
5、捕獲和旋轉(zhuǎn)金屬粒子。二是可以對多粒予進(jìn)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(yùn)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(yùn)動的示意圖光鑷與細(xì)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(xì)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(xì)胞和深入到細(xì)胞內(nèi)部操控細(xì)胞的功能。Ashkin預(yù)言“將細(xì)胞器從它們正常位置移去的能力，打開了精細(xì)研究細(xì)胞功能的大門”
6、。Liang等聯(lián)合光鑷和光刀對細(xì)胞和細(xì)胞器進(jìn)行手術(shù)，感慨細(xì)胞工具箱里又多了一把鑷子，用起來更方便了。光鑷操控細(xì)胞和細(xì)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(xì)胞的力學(xué)性質(zhì)以及細(xì)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(xì)胞的變化，細(xì)胞的相互作用，細(xì)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(xì)胞;(b)紫外脈沖光對細(xì)胞穿孔使之破裂，釋放
7、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(xì)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(xì)胞光鑷技術(shù)操控活體動物內(nèi)的紅細(xì)胞。(a)光鑷操控小白鼠耳朵毛細(xì)血管中的紅細(xì)胞示意圖;(b)光鑷誘導(dǎo)紅細(xì)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(xì)血管內(nèi)操控單個或多個紅細(xì)胞，利用光阱力聚集多個紅細(xì)胞堵塞血管，或者用光鑷牽引紅細(xì)胞疏通被阻塞的毛細(xì)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(jìn)行的實驗
8、取證，為活體研究和臨床診斷提供了一種全新的技術(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(yùn)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
