神奇的“镊子”-——光镊技术综述

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1、神奇的“镊子”——光镊技术综述医学实验05级郭佳王也鲁华菲王学瑛摘要：光镊技术诞生二十多年来，无论是技术本身还是它的应用都有了极大的进展。本文从光的力学效应出发，简要讨论了光镊的原理，介绍了光镊装置的基本结构，并对光镊的功能进行了分析，进而对光镊技术在生命科学中的应用作了评述和讨论，阐述了光镊在生命科学研究中的潜在地位和巨大的发展前景。关键词：光镊光阱光镊系统生物大分子1光镊技术原理随着物理技术手段的不断进步，物理学和生物科学的结合使得对生命活动规律的认识逐步深入——从原来器官、组织的层次逐渐发展到细胞、生物大分子的层次。基于生物对象的复杂性和对活的生命过程研

2、究的需求，光镊技术应运而生。光镊技术利用激光的力学效应，可实现对生物活体样品的非接触、无损伤操纵，并且可作为粒子相互作用过程中力的传感器，因此在生命科学等领域取得了越来越广泛的应用。以下本文就对光镊技术的产生以及基本原理进行阐述。1.1基本概念1.1.1光的动量是光的一个基本属性：根据电磁理论，光不但具有能量，还具有动量。1.1.2光的力学效应：光与物质在相互作用过程中会交换动量，使受光照射的物体受到一个力或力矩。根据牛顿力学定律，在物体上的力等于光引起的单位时间内物体动量的改变，并由此引起物体[3]位移和速度的变化，称之为光的力学效应。[3]1.1.3光压：

3、由于光辐射对物体所产生的力通常称之为光的辐射压力，简称光压。1.2光的力学效应研究发展史由于单个光子动量很小，普通光源的力学效应非常微弱，因此研究光的力学性质受到了很大的限制。直到1960年激光的发明——一种具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的新光源，人[5]们开始对光的力学效应进行全面和深入的研究，并取得了突破性进展。1969年，美国科学家A.Ashkin首次实现了激光驱动微米粒子（沿光轴方向推动粒子）的实验。后来他又发现，当微粒的折射率比周围介质的折射率高时，光束对微粒具有横向吸力。于是在1970[6]年，A.Ashkin首先提出能利用光压操纵微小粒

4、子的概念。[3]1986年，A.Ashkin等成功地利用一束强会聚激光束实现了对生物微粒的三维捕获，并可在基本不影响周围环境的情况下，对捕获物进行亚接触性、无损活体的操作，即无机械损伤的遥控操作，自此基于激光的光镊技术诞生了。光镊的发明使人们在许多研究中，从被动的观察转而成为主动的操控。二十年来，光镊技术的研究和应用都得到了迅速发展。特别是在生命科学领域，光镊已成为研究单个细胞和生物大分子行为不可或缺的有效工具。11.3光镊技术定义光镊(Opticaltweezers)，又称为单光束梯度力光阱(single-beamopticalgradientforcetr

5、ap)，是利用光与物质间动量传递的力学效应而形成的三维势阱来捕获和操纵微粒的技术。如图1所示，这种由光形成的光学势阱就像一个具有引力的陷阱，微粒一旦处在陷阱中，如果没有足够大的动能就很难逃脱，它就像一把镊子可以把微粒牢牢钳住，因此形象地称它为光镊。1.4基本原理图1电子的势能图类似一个波的形状，当电子处于波谷的时候就好像处在一口井里，比较稳定。本文以透明介质小球作模型，用几何光学来讨论光与物体的相互作用，阐述一下光镊是如何捕获微粒的，如图2所示。说明：虽然处理光与微粒的相互作用，严格地说应该用光的电磁理论，特别是对于尺寸小于光波长的粒子。但是为了阐明梯度力的概

6、念，并形象地揭示出光是如何捕获微粒的，本文就以直径大[2]于光波长的透明介质小球为对象，采用几何光学的原理，近似地分析光作用于物体所产生的力。图2单光束梯度力光阱的几何光学原理图(小球直径D远大于光波长，小球折射率大于周围介质的折射率)1.4.1光穿过小球的过程:如图2(a)所示，一束激光经透镜聚焦后，入射光线A将光子的动量以辐射压的形式作用于粒子[1]小球，A经过两次折射后，光子动量发生改变，以光线A′出射。1.4.2分析小球受到的力：如图2(b)，光束的动量变化为△，根据动量守恒定律，粒子小球将产生与光束的动量变化大小相等、方向相反的动量。又根据牛顿第二定

7、律可知，粒子小球受到的作用力就等于这一动量变化率[4]，即FA。21.4.3梯度力：这种由于光场强度分布不均匀而产生的力，称为梯度力(GradientForce)，该力的大小正比于光的强[5]度梯度，合力方向指向光束焦点。1.4.4散射力：实际上当光穿过小球时，在小球表面会产生一定的反射，小球对光也有一定的吸收，这都将施加一推力于小球，此力称为散射力(ScatteringForce)，它[3]正比于辐射强度，方向指向光束传播方向。1.4.5光阱形成：当焦点附近梯度力大于散射力时，则可以形成三[3]维光学势阱而稳定地捕获微粒。光镊技术中的光阱主要就是依靠光梯度力

8、形成的，其合力指向光束焦点，如图3所示