神奇的“镊子”——光镊技术综述（可编辑）.docVIP

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: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Optical tweezers,又称为单光 束梯度力光阱 single-beam optical gradient force trap,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。 图 1 电子的势能图类似一个波的形状,当电子处 1.4 基本原理 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 2a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 2b,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Gradient Force,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