※掺钛蓝宝石雷射与光镊子系统的架设※及其生物学应用-阳明大学.pdfVIP

大專學生參與專題研究計畫成果報告 ※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※ ※ ※ ※ 摻鈦藍寶石雷射與光鑷子系統的架設 ※ ※ ※ ※ 及其生物學應用 ※ ※ ※ ※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※ 執行計畫學生：蔡 金 吾 學生計畫編號：NSC87-2815-C-002-033-M 研 究 期 間 ：86 年7 月1 日至87 年2 月28 日 指 導 教 授 ：曹 培 熙 教 授 執 行 單 位 ：國立台灣大學物理學系 中 華 民 國 八 十 七 年 五 月 四 日 摘要 我們建立了兩個以紅外線為光源的光鑷子（Optical tweezers ）， 分別為：可調波長的摻鈦藍寶石雷射（Ti: sapphire laser ， 0.7μm~1.0μm ）以及固定波長的半導體雷射（Diode laser ，830nm ）， 兩者最大輸出功率均為數百毫瓦（mW ）。我們將此裝置couple 到顯 微鏡的光路中，運用觀察樣本時所用的物鏡聚焦，以達到所需的光強 梯度。我們使用聚苯乙烯膠粒（Polystyrene latex ）來測試光鑷子的性 能，並使用人類肝癌細胞（Hepatoma cells ）來測試此波段之紅外光 對生物的影響。這套設備將應用於生物學的領域上，包括細胞胞器 （Organelle ）位置之操縱，以及完成測量拖曳力與小珠相對於雷射聚 焦光點位置的關係。如此可以藉由測量標準小珠與光點的相對位置， 測量出力的大小，據估計其最大拖曳力約為pN 級，在生物應用上恰 好可以用以測定一些生命現象所牽涉到的力。 引言 光鑷子的發展史 在 1970 年代，Arther Ashkin等人首先提出能利用光壓（Optical pressure ）操弄微小粒子的概念1 ，他們將兩道相向的雷射光加以聚 焦，利用其相反方向的光壓構成一個穩定能量阱，建立第一套利用光 壓操弄微小粒子的工具。這套方法由早先所研究的雷射致冷（Laser cooling ）技術演變而來，假設雷射致冷的機制不只可以運用在原子分 子的尺度，並且可以推廣到μm級的粒子上。之後的幾年中，Ashkin 2 等人陸續發表了幾種應用，包括了將質點提起以對抗重力等等 。 一直到 1980 年代初期，Ashkin等人才發現單獨一道強烈聚焦的 1 光束就足以形成三軸都穩定的能量阱，可以吸引電介質粒子並侷限在 3,4 ,5 光束腰部的中央，第一部「光鑷子（Optical tweezers ）」於焉誕生 。 也因此，光鑷子的正式名稱為「Single-beam optical gradient force trap 」，可以用來抓取並移動從數十nm到數十μm的微小粒子。 使用光鑷子，我們可以精確的移動μm級的粒子，並且施以無破 壞性的遠距操控。很快的，這項技術就開始在許多領域中被廣泛的應 用，尤其是生物及物理科學方面。在生物上，Svoboda和Block等人是 這方面應用的佼佼者6 ，所及包括微管（Microtubule ）的動力學問題， 以及其中運動單位蛋白質（Moto