光鑷原理

1、1.1光鑷技術(shù)光鑷技術(shù)簡介簡介光鑷是以激光的力學(xué)效應(yīng)為基礎(chǔ)的一種物理工具，是利用強會聚的光場與微粒相互作用時形成的光學(xué)勢阱來俘獲粒子的【4】。1969年，A.Ashkin等首次實現(xiàn)了激光驅(qū)動微米粒子的實驗。此后他又發(fā)現(xiàn)微粒會在橫向被吸入光束（微粒的折射率大于周圍介質(zhì)的折射率）。在對這兩種現(xiàn)象研究的基礎(chǔ)上，Ashkin提出了利用光壓操縱微粒的思想，并用兩束相向照射的激光，首次實現(xiàn)了對水溶液中玻璃小球的捕獲，建立了第一套利用光壓操縱微粒的工

2、具。1986年，A.Ashkin等人又發(fā)現(xiàn)，單獨一束強聚焦的激光束就足以形成三維穩(wěn)定的光學(xué)勢阱，可以吸引微粒并把它局限在焦點附近，于是第一臺光鑷裝置就誕生了【5，6】。也因此，光鑷的正式名稱為“單光束梯度力勢阱”（singlebeamopticalgradientfcetrap）。由于使用光鑷來捕獲操縱樣品具有非接觸性、無機械損傷等優(yōu)點，這使得光鑷在生物學(xué)領(lǐng)域表現(xiàn)出了突出的優(yōu)勢。這些年來，隨著研究的深入和技術(shù)的不斷完善，光鑷在生物學(xué)的應(yīng)

3、用對象由細(xì)胞和細(xì)胞器逐步擴展到了大分子和單分子等。目前，光鑷常被用來研究生物過程中的細(xì)胞和分子的運動過程【710】，也常被用來測量生物過程中的一些力學(xué)特征【1114】。1.2光鑷的原理光鑷的原理與特點與特點眾所周知，光具有能量和動量，但是在實際應(yīng)用中人們經(jīng)常利用了光的能量，卻很少利用光的動量。究其原因，這主要是因為在生活中我們接觸到的自然光和照明光等的力學(xué)效應(yīng)都很小，無法引起人們可以直接感受到或觀察到的宏觀效應(yīng)。而科學(xué)家們利用激光所具有

4、的高亮度和優(yōu)良的方向性，使得光的力學(xué)效應(yīng)在顯微鏡下顯現(xiàn)了出來，在這里我們要介紹的光鑷技術(shù)正是以這種光的力學(xué)效應(yīng)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。1.2.1光壓與單光束梯度力光阱壓與單光束梯度力光阱光與物質(zhì)相互作用的過程中既有能量的傳遞，也有動量的傳遞，動量的傳遞常常表現(xiàn)為壓力，簡稱光壓。1987年，麥克斯韋根據(jù)電磁波理論論證了光壓的存在，并推導(dǎo)出了光壓力的計算公式。1901年，俄國人П.Н.列別捷夫用懸在粒子的顯微微針或原子力顯微鏡等相比，光鑷具有不可

5、比擬的優(yōu)越性。光鑷對微粒的操控是非接觸的遙控方式，不會給對象造成機械損傷。這使得光鑷在生物學(xué)研究特別是單細(xì)胞單分子研究領(lǐng)域應(yīng)用非常合適。首先，光鑷捕獲微粒的尺度在幾十納米到幾十微米，正好是生物細(xì)胞、細(xì)胞器以及生物大分子的尺度范圍。其次，光鑷的溫和操控不會損失細(xì)胞，雖然激光會產(chǎn)生熱，但可以通過選擇合適的波長，避開細(xì)胞對光的吸收波長，將熱效應(yīng)降到最低。另外，由于大部分細(xì)胞膜是透明的，光可以穿過細(xì)胞膜操控細(xì)胞內(nèi)部微粒，這是其他操控手段無法做到

6、的。光鑷不僅可以操控微粒，還可以進行微小力的測量，粒子偏離捕獲中心的距離和其受到的回復(fù)力成正比，類似與彈簧，在操控過程中能實時感應(yīng)俘獲粒子的微小負(fù)荷。因此，光鑷是極其靈敏的力傳感器，其作為微小力的探針，可以進行細(xì)胞和生物大分子之間的相互作用的定量測量，進一步揭示細(xì)胞的功能以及活動規(guī)律。3.23.2單個光鑷的光路設(shè)計單個光鑷的光路設(shè)計在我們設(shè)計的納米光鑷系統(tǒng)中將配備多個光鑷。而每個光鑷的光路設(shè)計都遵循相同的設(shè)計要求。即激光束從光源出射開始

7、，到通過物鏡形成光鑷，中間所經(jīng)過的耦合光路，要保證物鏡輸出的光束會聚度最大、像差最小，形成的光鑷捕獲效果最好。為此要求物鏡后瞳能被光束完全充滿，以便提高光鑷捕獲性能。本節(jié)以HeNe激光光鑷為例，詳細(xì)討論單個光鑷的光路設(shè)計。圖3.2為HeNe激光光鑷的光路簡圖。我們采用的倒置顯微鏡的光路為無窮遠(yuǎn)系統(tǒng)，因此激光進入物鏡后瞳時應(yīng)是平行光束。顯微鏡中有個固定在鏡體內(nèi)的透鏡－焦距150mm的輔助透鏡T。它必須作為光鑷系統(tǒng)中的一部分參與到光圖3.2