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1、光镊原理及其应用 自1986年单光束光镊概念被提出以来 至今光镊已经发展30多年 光镊的可操控尺寸从最初的微米级发展到现在的纳米级 操控方法从最初的单光束光镊到双光束光镊 再到全息光镊以及新型光束捕获 极大地促进了定量生物学的发展 光镊技术已经成为众多学科科学家所渴望的工具 光镊的基本原理 光镊的基本原理和新型光镊 新型光镊光场 全息光镊 光镊的应用 光镊与细胞生物学 光镊与软物质胶体科学 光镊与单分子生物学 光镊与物理学 光镊的基本原理 光与物质相互作用伴随着动量的交换 从而表现为光对物体力的作用力 F P t 由于光辐射对物体产生的力常常表现为压力 因而通常称之为辐射压力或简称光压 然而
2、在特定的光场分布下 光对物体也可产生一拉力 即形成束缚粒子的光势阱 对于直径大于波长的米氏散射粒子 可采用几何光学的方法来解释光势阱的形成 如图 光镊的基本原理 对于直径小于波长的瑞利散射粒子对于直径小于激光波长的瑞利散射颗粒 适用于波动光学理论和电磁模型 波动光学理论认为 在光轴方向有一对作用力 与入射光同向正比于光强的散射力和与光强梯度同向正比于强度梯度的梯度力 梯度力与散射力的比值大于1 这样合力就指向焦点处 能够实现对微粒的捕捉 新型光镊光场 起初 光镊的光场基本是低阶的高斯光束 然而这种光场的捕获范围和纵向深度都十分有限 而且光镊如果要想获得更加广泛的应用 就必须结合各种新型光场来实
3、现各种特殊 复杂的操纵功能 当下备受关注的新型光场主要有 涡旋光束 非衍射和自修复光束 自加速光束以及矢量光束 新型光镊光场 涡旋光束与相位奇点相关 本身携带轨道角动量 在与物质相互作用过程中可以将角动量传递给微粒 从而导致微粒在光场中做旋转运动 常见的涡旋光束有拉盖尔高斯光束 Laguerre Gaussianbeam 和高阶贝塞尔光束 Besselbeam 新型光镊光场 贝塞尔光束同时也属于非衍射光束 相比于高斯型光束 贝塞尔光束可传播较远距离而保持中心光斑的大小和尺寸基本不变 由于贝塞尔光束在传播过程中具有很好的稳定性 故被用于引导微粒沿轴向输运距离可达3mm 这个间距远远大于高斯型光束
4、的光镊的轴向捕获深度 并且 在轴向3mm距离中可以实现多个平面长距离捕获多微粒 如图所示 非衍射光束还包括马提厄光束 抛物线光束 艾里光束等 新型光镊光场 抛物线光束和艾里光束也是一种自加速光束 自加速光束在沿轴向传播过程中以某个角度弯曲而不沿直线传播 看起来像是在自由空间中加速 这种光束在光操控中可以用于沿着设定的轨迹输运微粒 如图所示 自加速光束还有韦伯光束 Weberbeam 和螺旋光束 spiralbeams 等 新型光镊光场 不均匀的偏振光场 如径向偏振光束和方位角偏振光束 具有优越的会聚特性 使得矢量光束在操控纳米粒子 特别是金属纳米粒子方面具有明显的优势 全息光镊 全息光镊作为一
5、种产生多光阱或新型光学势阱的方法脱颖而出 它不仅能构成各种功能的光阱 并且还能实现三维光辨阵列 并且带动了一系列的研究和发展 科学家Grier预引 全息光镊将零发光学操纵的一场技术革命 全息光镊的主要原理是利用全息元件 目前主要是计算机寻址的液晶空间光调制器 产生具有特定功能的光场而形成的光镊 所形成的光场性质的不同 全息光镊会实现不同的功能 如单粒子的旋转 多粒子的操控和分选等 形成拉盖尔 高斯光束的叉型光栅 对应的拓扑指数为l 4 全息光镊 全息的技术一是可以方便地产生各种具有轨道角动量或特定衍射特性的新型光镊光场 包括拉盖尔 高斯光 高阶贝塞尔光 厄米特 高斯光束 利用全息技术产生的新型
6、光阱 如涡旋光阱 在界面所形成的倏逝波形成的近场光镊可以用来捕获和旋转金属粒子 二是可以对多粒予进行实时动态的捕获和操控不仅可以实现十字 矩形 圆形等特殊形状的光阱 还可以控制粒子在其中沿特定的路径运动 原则上可以实现对粒子在任意形状的光阱中的操控 从上至下分别为 傅里叶平面光场的振幅分布 物镜焦平面光场分布和被捕获的粒子在光阱中运动的示意图 光镊与细胞生物学 光镊发明初期 Ashkin等 首次用这个新的工具尝试操纵细胞和病毒等各种生物样品 并且成功地演绎了光镊捕捉 拖动 损伤细胞和深入到细胞内部操控细胞的功能 Ashkin预言 将细胞器从它们正常位置移去的能力 打开了精细研究细胞功能的大门
7、Liang等联合光镊和光刀对细胞和细胞器进行手术 感慨细胞工具箱里又多了一把镊子 用起来更方便了 光镊操控细胞和细胞器的手段是多种多样的 包括悬浮 移动 分选 融合等 还可以定量的测量细胞的力学性质以及细胞间的相互作用 随着光镊技术的成熟以及与更多的技术结合 如微分干涉和荧光技术 脉冲激光技术 激光拉曼技术 全息技术 共聚焦技术 磁镊技术等 使得在实时测量细胞的变化 细胞的相互作用 细胞的力学性质等方面的研究更加深入的展开 分选单条染色体 光镊分选单条染色体 a 游离的水稻中期分裂相细胞 b 紫外脉冲光对细胞穿孔使之破裂 释放出染色体 c 荧光激发下观测染色体 用光镊夹持其中单条染色体 d f
8、 光镊夹持单条染色体使其从细胞残骸 染色体群体 中分离出来 g h 利用微吸管将光镊分离的染色体富集 操控动物活体内红细胞 光镊技术操控活体动物内的红细胞 a 光镊操控小白鼠耳朵毛细血管中的红细胞示意图 b 光镊诱导红细胞疏通血管恢复正常血液流动 该实验将光镊深入到小白鼠耳朵的毛细血管内操控单个或多个红细胞 利用光阱力聚集多个红细胞堵塞血管 或者用光镊牵引红细胞疏通被阻塞的毛细血管 开拓了光镊技术研究活体动物新领域 通过这种非接触式的微创手术进行的实验取证 为活体研究和临床诊断提供了一种全新的技术 光镊与单分子生物学 光镊技术的亚纳米线的空间分辨率和飞牛顿级的力分辨率正好满足了体外研究单个生物
9、大分子的条件 光镊能够实时跟踪生物分子运动 获取单分子静态和动态的力学性质 已被越来越多地用于研究生化或者生物物理的精细过程 为定量研究生命规律和改造生命活动提供了一种不可或缺的研究工具 光镊是通过微米 手柄 小球对大分子进行间接操控和测量 目前测量的方法已发展有多种 如单光镊 双光镊 光镊与微针结合等 都有很好的应用 还有光镊与光致旋转 光镊与磁镊 以及光镊与全内反射荧光技术结合等 形成独特的技术和方法 有效地解决了相应的科学问题 研究核糖体的运动规律 核糖体是细胞内蛋白质合成的场所 它通过读取信使核糖核酸cRNA核苷酸序列所包含的遗传信息 并使之转化为蛋白质中氨基酸的序列信息以合成蛋白质
10、因此 核糖体在生物的生命活动中具有非常重要的生理作用 2008年Wen等研究了核糖体在翻译过程中的动力学特性 即其沿着信使RNA运动的精细动力学过程 并首次证明了核糖体在易位运动中存在3个亚步 光镊研究核糖体运动 a 原理图 b 核糖体运动的 位移 时间 关系曲线 c 转录过程中每一次暂停生物分子长度改变为2 7nm 光镊与软物质胶体科学 研究分散体系都涉及到微小宏观微粒与流体相互作用这样一个基本问题 直接通过实验研究很困难 而理想化的理论与错综复杂的实际情形差异又很大 所以该领域的进一步发展几乎决定性地依赖于对单个微粒相互作用过程的研究 光镊的特点是可以限制微粒的运动 帮助研究人员在严密控制
11、的条件下精确观测单个微粒的动力学过程 如利用光镊研究微粒相互作用势 长程引力相互作用 研究布朗运动和扩散以及其他动力学性质 研究流体动力学相互作 两分散体系混合液的性质 测量微粒在流体中受的粘滞作用等 光镊是在微粒层次对胶体科学进行实验研究的重要工具 研究分散体系结合几率 利用光镊捕获微粒 使两微粒碰撞在显微镜焦平面附近发生并直接进行观察 通过大量的碰撞后两个微粒结合与分散 可得到相互作用的直接信息 研究的基本思想是 先用光镊捕获一个微粒 然后再捕获第二个微粒 短时间关闭光镊后 观察两个微粒结合与否 对大量的重复实验进行统计 从而获得两个微粒碰撞后的结合几率 胶体微粒结合性质的研究 a 两个微
12、粒在光阱中的示意图 b 两个微粒在光阱中的像 垂直光场观测 c 分散状态 d 聚集状态 e 松散状态 光镊与物理学 光镊在物理学领域应用 可以证实以前无法通过实验验证的物理规律 增进人们对于已有的物理现象和规律的认识 还能为物理的其他学科领域提供新的研究方法和实验技术 例如在光的力学效应验证和力的精确测量 声学显微 布朗运动 纳米技术 量子力学等应用 表明光镊正日益成为促进物理学进展的重要工具 布朗运动的新认识 1907年 爱因斯坦认为能量均分定理适用于布朗微粒 但是因为单个微粒的瞬时速度变化太快 所以这个预言难以从实验上直接证明 2010年Science杂志报道 采用光镊技术在真空中测量了微粒的瞬时速度 首次从实验上成功地验证了布朗微粒符合能量均分定理 光镊测量布朗粒子的瞬时速度的方法 如下图所示 两束正交偏振相向传播的光束形成的光阱将3 m小球悬浮在空中 采用快速的位置探测器 严格均等分开的两束探测光强信号的差别获取小球位置信息 测量得到单个微粒的布朗运动的瞬时速度约等于0 422mm s 实验误差为0 021mm s 与能量均分定理的预期值 kBT m 0 429mm s 很接近 从而直接证明了布朗运动的麦克斯韦 玻尔兹曼速度分布和能量均分定理 谢谢聆听
