激光光镊介绍.doc

PAGE  PAGE 5 激光光镊介绍 中国科学院西安光学精密机械研究所 联系人：姚保利 E-mail: yaobl@opt.ac.cn, Te: 029背景简介： 生命的本质在于具有活性，对生命的了解莫过于在活的生命状态中研究其运动过程。生命离不开水，然而水的存在给微观研究带来了困难。以往电子显微镜看到的细胞精细结构都是经过各种化学处理致死的干样品，它已破坏了细胞的生命状态。要观察和调控生命活动的原过程，必须要有合适的实验手段，并按照人们的愿望操纵和排布生物细胞，但不会对它们造成损伤和对其周围环境产生干扰。目前正在发展的各种技术，如软X射线显微，扫描共焦显微，荧光探针，NMR，Raman光谱等，从不同的角度开展了对活细胞的研究，但这些方法都还没有解决在保持细胞活性的条件下对细胞进行约束和控制。光镊技术恰恰在这一点上比众多先前的实验手段具有不可比拟的优势。它利用激光的力学效应产生的皮牛级力，可以非接触无损伤地操纵活细胞，为精确研究细胞功能打开了大门。 光镊即单光束梯度力光阱，是由一束高度汇聚的激光形成的三维势阱，利用光的力学效应，可以捕获进而操控微小粒子（亚微米到数十微米大小）。由于它使用无形的光束来实现对微粒非机械接触的捕获，不会产生机械损伤，又由于光镊的所有机械部件离捕获对象的距离都远大于捕获对象的尺度，是“遥控”的操作，因而几乎不影响粒子的周围环境。加之生物微粒对光穿透性等特点，光镊技术特别适用于活体生物微粒。光镊对微粒的操控不是刚性的，而是像个弹簧，可以在操作过程中实时测量微粒间的微小相互作用力，因而光镊又是粒子相互作用过程中力的探针或称为力的传感器。这使得光镊不但是操控微小粒子的机械手，同时又是微小粒子静态和动态力学特性的理想研究手段。 系统构成和工作原理： 本系统将激光技术，数字技术与显微成像系统结合，用激光作用微观物体，并将其捕获，变化过程通过显微成像系统再经CCD图像采集系统输入电脑。由电脑对微观过程进行后期处理。激光束最小可聚焦至1微米，普通生物细胞的大小为十几个微米。所以可满足大多数生物、物理实验的要求。如图1所示，本系统由半导体激光器（也可以是其他类型的连续或脉冲激光器），光学匹配元件，显微物镜，照明光源，二维精密载物台，电动快门，CCD摄像头，图像采集卡，计算机组成。待处理样品置于载物台，通过显微物镜成像于CCD光敏面，图像经图像采集卡输入计算机，操作者可通过显示器对样品进行观察，调节物镜高度与照明光源使成像清楚。激光经聚焦光学系统进入显微镜，调节聚焦光学系统使激光光束准确聚焦于样品，且通过调节聚焦光学系统可控制激光束聚焦大小。上述过程可在显示器上直接观察。控制载物台二维精密移动使激光准确作用于样品待处理位置。由电动快门控制曝光时间，也可由软件设定图像采集时间范围，将样品的变化动态过程（AVI格式视频文件）存入硬盘。 如图2所示，本系统可将激光束聚焦至直径1μm，并可对用衰减器对激光强度进行连续调节使作用在样品上的光强不至于损坏样品，完全可对单个细胞，甚至单个细胞器进行处理。图3所示是我们用激光光镊对酵母菌细胞的捕获和操作。如图4所示是我们在一种光致变色材料上通过电动快门控制曝光时间用激光打下直径不同的点，曝光时间越长，打的点的直径越大。 图1、 激光光镊照片 图2、 激光束聚焦至直径1μm 图3、激光光镊对酵母菌细胞的捕获和操作 图4、控制曝光时间在样品上记录下直径变化的点 本系统的特点： 与目前市场上的同类产品相比，本系统有以下几方面的优点： 由于其它产品使用的是25mw激光器。因此只能使用高倍数（100X）的浸油物镜方能实现对目标微粒的捕获，这为系统的操作带来了麻烦。而本系统使用半导体激光器输出功率300mw，可以提供足够大的的捕获力，因此在较低的放大倍率下（25X-40X）即可实现对微粒的捕获及移动，使用要简单很多。 市场上的同类产品使用的样品台移动精度为50微米量级，由于移动精度粗，所以很难实现微粒捕获后的移动。而本系统使用的样品台移动精度为5μm, 因此可实现对目标微粒精确的捕获及移动。 本系统可设计成分离元器件的光路，光路清晰，原理明白，非常适用于本科生及研究生的教学及试验。 由于本系统采用分离元器件的光路设计，所以非常容易进行改装升级，拓展其功能，比如可以同时引入多路激光束对目标微粒进行作用，这样不仅在科研上会更有价值而且对学生动手能力的培养很有好处。 本系统的采集卡提供二次开发包，支持对其功能的二次开发，方便使用者设计自己的应用程??。本系统使用的CCD摄像机的分辨率可达752x582, 远大于同类产品的分辨率。 使用我们开发的这套系统可以进行以下几方面的科研： 在生物学中可以用来研究大分子静态力学特性，动力学特性，可以对生物大分子进行精细操作，