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1、光镊原理及其应用 光镊原理及其应用 摘要：激光的发明使得光的力学效应走向了实际应用。本文介绍了光镊技术的基本原理及其在生物科学方面的一些应用。 关键词：光镊；光的力学效应；生物科学；应用 1 引言 光镊是A. Ashkin1在关于光与微粒子相互作用实验的基础上于1986年发明的。光镊在问世之初被看作是微小宏观粒子的操控手段，并渐渐成了光的力学效应的研究和应用最活跃的领域之一。近20年来光镊技术的研究和应用得到了迅速的发展，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。 2 基本原理 光镊的基本原理在于光与物质微粒之间的动量传递的力学效应。对于直径大于波长的米氏
2、散射粒子来说，光镊的势阱原理可以用几何光学来解释13。如图1（a）所示。入射光线A将光子的动量以辐射压的形式作用于粒子小球，力的作用方向与光线入射方向相同。A经过若干反射、折射后，以光线A出射。入射光线的辐射压减去出射光线的辐射压为粒子小球所受的净剩力F A。图1（b）为作用力简图，实际力的作用过程较此复杂，A应为所有（包括反射光透射光）出射光线辐射压的合力，但结果与此相似，小球受轴向指向焦点的力。 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1和电磁模型。波动光学理论（也是光镊的基本理论）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与强度梯度的梯
3、度力。在折射率为n m的介质中，折射率为n p 的瑞利粒子所受的背离焦点的散射力为1 F scat =n m P scat/ c （1） 这里P scat为被散射的光功率。或用光强I0和有效折射率m = n p / n m表示为 （2） 对于极化率为的球形瑞利粒子所受的指向焦点的梯度力为 （3） 这样，在焦点处形成势阱的标准为指向焦点的梯度力与背离焦点的散射力之比大于1，即两者的合力指向焦点，即有 （4） 若粒子小球在横向（垂直于光轴方向）偏离中心位置，也会受到一个指向光束中心的作用力使小球锁在焦点处。该力与光阱效率、光功率成正比2，即有 F =Qn m P / c （5） 其中，Q为光阱效率
4、；P为激光功率；c为真空中光速。在介质和激光功率已定时，光阱力与光阱效率成正比。由几何光学理论模型2,4计算得到的光阱效率与粒子小球偏离焦点位移的关系曲线如图2所示。 由图中曲线可以看出，粒子小球在偏离光阱中心（焦点）的位移不超过小球半径r 的范围内，光阱效率曲线可近似为直线，即光阱效率与以小球半径为单位的位移成正比。而光阱力又正比于光阱效率，故小球所受光阱恢复力在小球半径范围内大致正比于小球位移，即有 F = - kx （6） 其中，x为小球的位移；k为光阱的刚度。 可见，粒子小球在光束焦点附近所受的力均指向光束焦点，由此可揭示在高度汇聚的光束焦点处存在指向焦点的势阱。 另外，A. Ashk
5、in等的一系列关于汇聚激光与物质微粒相互作用的实验，也是第1次从实验的角度证实了早在17世纪德国天文学家Johannes KepIer提出的“彗星的尾巴总是背向太阳的原因是受到太阳光的压力”的假说和James Clerk Maxwell于1873年在他的电磁学理论中论证过的光辐射压。 3 光镊在生物细胞中的应用研究 光镊的发明使光的力学效应走向实际应用，使人们在许多研究中从被动的观察转而成为主动的操控，同时光镊对于捕获微小粒子、测量微小作用力及生产微小器件等许多方面都有非常重要的意义。 3.1对细胞操控的研究 光镊能够操控细胞使其稳定地停留在样品池中，以供研究者观察。1987年，A. A sh
6、k in 和J. M. Dziedzic5用光镊对细菌进行了捕获和操作。燕山大学吕巍等人6在毛细管中对生物细胞进行了光微操纵实验，实现了光镊沿光束纵向和横向操作毛细管中的生物细胞，同时也体现了光镊可间接操纵微粒。同时光镊还可用来测量细胞表面的电荷7，因为细胞表面电荷与细胞的生长和细胞的凋亡有着非常密切的关系。 3.2对细胞应变能力的研究 细胞内部的应变能力在通常情况下是很难用显微镜观察到的，单一的生理学或者形态学参数很难定义细胞的生存能力。光镊是对活体细胞进行非侵入微观操纵的有利工具，能够诱导细胞产生应变。 其发出的近红外连续激光能够诱导线虫类C. elegans发生应变。根据C. elega
7、ns特殊的应变能力，发现在不同的激发波长、激发功率和照射时间内，C.elegans的应变也各不相同。这种方法可在其他动植物细胞中进一步推广应用8。 3.3对细胞横向光阱力的研究 对红细胞横向光阱力方面的研究9，在该研究中以射线光学计算模型为基础，同时运用类似于求解轴向力的方法10，得出了横向力计算公式，对几何尺寸远大于光波长的米氏球状粒子所受激光微束横向光阱力进行了计算，计算结果表明，粒子只有在小于粒子半径的区域内才能被捕获，而不是在整个粒子半径区域，实验中还可以测量作用在粒子上力的大小和粒子的运动速度。微粒大小、相对折射率等对光阱力也产生一定的影响，适当选取各实验参数可增强微粒的捕获稳定性。
8、细胞横向力的研究对光镊的理论有进一步的指导意义。 4 光镊技术在染色体研究中的应用 染色体是生物体中最重要的遗传载体，它是由DNA、RNA、组蛋白和非组蛋白以特殊且复杂的方式构成的。这些组成均是微小结构，从几十微米到几十纳米，对他们的精细研究一直是科学家们研究的热点。光镊技术的诞生与发展，为科学家们揭开生物遗传与变异的奥秘铺平了道路，现将光镊技术在染色体研究中的应用总结如下。 4.1光镊技术探索DNA(或RNA)凝聚及其力学特性 生物分子非常小并不能使光镊直接操纵，往往用一个微米尺度的电介质球粘在分子上作为操作柄，这就便于操作者移动分子的位置和施加力，从而实现了对生物分子的精确控制，光镊技术可
9、用于探索这些生物系统在分子层面的工作模式，如DNA连接酶如何译码或如何消化DNA，动力蛋白如何沿分子轨道移动，以及RNA和蛋质分子如何折叠、展开。Case 等11利用该技术，他们研究MukBEF蛋白质与DNA凝聚过程中的作用，探索了DNA的凝聚过程。在实验中，聚苯乙烯微球被粘附到一段双链DNA的两端，两个球分别被光阱和微吸管捕捉，将微吸管从光束拉开，可得到DNA的力一伸展的关系曲线。他们发现这种DNA 的力一伸展关系曲线的变化率，比裸DNA的力伸展关系曲线的变化率大；当力达到17pN 时，锯齿状振荡叠加存原小平坦的曲线，说明DN卜MukBEF蛋白质复合物经历了包含连续个别凝聚事件；当力被撤去，
10、DNA就回到凝聚态；而外力小于但接近17pN时，或因单个MukBEF蛋白质分子的构型改变，重凝聚很慢以至于可观察到35nm的单个凝结步骤；非常奇妙的是，当同一个的DNA被重复扯动时，可重现这种锯齿状振荡，而且其峰值点位置及量值并不随实验次序而变。 为解释上述现象，Case等提出：A TP作用下的MukBEF蛋白质聚合物，是沿DNA链由相邻MukBEF蛋白质分子的端部相互作用而形成；同一MukBEF蛋白质二聚体的两个端部较弱的分子内作用使DNA凝聚。另外，利用单光镊系统测量了在基因表达中起关键作用的RNA聚合酶，以DNA为模板，转录RNA的转录速度和作用力，如图2(a)所示。将RNA 聚合酶通过
11、小球固定在样品池底部，DNA的末端粘一聚苯乙烯小球，用光镊夹住此小球，当开始转录后，小球逐渐被拉离光阱，在开环状态下，根据小球的运动便可得到RNA聚合酶的转录速度，而在闭环状态下，根据反馈量便可得到它们之间的作用力。如图2(b)，图2(c)所示。这些实验的探索，为研究DNA与凝聚子的相互作用提供了新的视角。 4.2光镊技术研究染色体及其成分的动态或静态力学行为 生物大分子通常被束缚在直径约lttm的聚苯乙烯小球上，而介质小球则通过光镊技术被俘获在光阱中，通过光镊对单分子进行扭转、弯曲、拉伸操作来研究其力学特性。Schafercl2首先将RNAP固定在溶液的表面上，转录过程RNAP牵引DNA链，
12、进而带动束缚在DNA 上的介质小球向表面运动。Bustmante等研究了单个DNA的非线性弹性拉伸应变的静力学特性，为研究DNA单分子构型提供了进一步的实验基础口13。Brouhard14等利用光镊研究了DNA分子的非线性弹性性质和DNA聚合链特征性运动对生物材料的粘弹性影响。Mihardja等人利用光镊系统拉伸单根核小体，研究了DNA与组蛋白之间的相互作用15；Zhang等人用光镊系统研究了染色质重组复合物SwISNF以及SRC与DNA之间的相互作用16，他们的研究为探索DNA的压缩过程提供了新的途径。基于光镊技术对染色体及其成分的生物力学研究方法，为染色体研究提供了新的工具，但是，这种外加
13、的力学过程使得生物大分子处在非生理状态。所以，如何利用光镊技术在生理状态下观察染色体及其成分的力学特征将是光镊技术在染色体研究中的新的方向。 5 结语 一种能够将细胞或细胞器从复杂环境中取出，在保持它的生长环境不变的条件下，进行研究和观察的工具，一直是生命科学研究个体活细胞所梦寐以求的，而今光镊的诞生使之梦想成真了。光镊为科学家们探索神秘的生命的动力原拉开了序幕，这在生物技术上是一个划时代的突破。光镊也是多学科联合深入研究微观物质的重要技术。在人类向生命的奥秘挑战，向光子时代和生物时代前进的过程中，光镊必将成为重要装备和加速器。 参考文献： 1 A Ashkin, J M Dziedic, J
14、 E Bjorkholm, et al. Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particlesJ. Opt. Lett. 1986, 11(5):288-290. 2 A Ashkin. Forces of a single-beam gradient laser trap on a dielectric sphere in the ray optics regimeJ. Biophysical Journal, 1992, 9(1):65-68. 3 J P Barton, D R
15、Alesander, S A Schoub. Theoretical determination of net radiation force and torgue for aspherical particle illuminated by a focused laser beamJ. Journal of Applied Physics, 1989, 63(6):715-717. 4 X C Yao, Z L Li, B Y Cheng. Increasing transverse stability of optical tweezers by using dual-GJ. Chinese physics, 2000, 61(2):569-582. 5 A Ashkin. JM Dziedzic. Optical trapping and manipulation of viruses and bacterieJ. Science, 19
