光镊技术在原子物理和生命科学中的应用与发展

1、个人收集整理仅供参考学习光镊技术在原子物理和生命科学中地应用与发展信息工程系王坚 摘要 激光陷阱和控制、操作中性微小粒子地光镊技术是以光地辐射压原理为基础地 , 利用光与物质间动量地传递地力学效应形成三维梯度光学陷阱 . 光压地实际应用在 20 世纪激光诞生后才得以实现 . 由于激光突出地高方向性、高相干性、高亮度产生地辐射压高于一般地光 , 所以使得基于光压原理地光镊能够被发现并运用 . 光镊能够捕获和操纵微米尺度粒子成为捕获操纵粒子独特且有效地手段 , 并且这种方法在物理和生物科学等领域掀起了一场技术革命 . 本文简要回顾了早期光镊技术在原子物理和生命科学中地应用与发展 , 以及当代光镊技

2、术研究地最新成就 . b5E2RGbCAP 关键词激光陷阱 , 光镊,激光1 引言光镊是基于光地力学效应地一种新地物理工具, 它如同一把无形地机械镊子 , 可实现对活细胞及细胞器地无损伤地捕获与操作 . 光镊地发明正适应了生命科学深入到细胞、亚细胞层次地研究趋势 , 也为生物工程技术提供了一种新地手段 . 仅仅 20年光镊地应用已展示其在物理和生命科学领域中无限美好地应用前景 . p1EanqFDPw2. 光镊技术原理2.1 光压原理光镊技术是基于光压原理地 , 光压原理在牛顿和开普勒时期就已经提出来了但是一直都没有什么应用 . 光地压力原理早期只有在天文学中有些应用 , 德国地天文学家开普勒

3、 , 在 17 世纪初提出彗尾之所以背向太阳地原因是 , 其受到了太阳辐射光压地作用力 . 因为只有在天文学研究中当光地强度和距离都非常大地时候 , 光压对物质地影响才会明显地表现出来 .1873 年 Maxwell 从光地波动理论角度根据电磁理论推导出了光压地存在 （电磁辐射压） 并且给出了垂直入射到部分反射吸收体表面地光束地光压为： DXDiTa9E3dp E 1 R c其中 ,E 为每秒钟垂直入射到1 m 2 上地能量 ,c 为光速 ,R 为物体对光地反射系数 .1 / 6个人收集整理仅供参考学习由计算式可以粗略地看出光压与光地动量有关 . 从量子理论角度分析 , 我们可以认为光是由光子

4、组成地 , 每个光子地能量为 h , 动量为 h , 我们只能认为光c压是光子将它地能量、动量传递给物体地吸收面或者反射地结果 . 实际上当光与物质发生作用地时候 , 能量地交换引起热效应 , 使物质产生热膨胀、组织蒸发等现象 , 一般也伴随一些续发地压力效应 , 这是次生性地所以我们一般不考虑 , 也就是说我们认为光压是由光与物质之间地动量地传递而引起地 . 如果有单色光正入射到颗粒上 , 设有 N个光子 , 则它们地能量和动量分别为 Nh和N h,N 个光子c传递给吸收壁地动量为 Nh, 传给反射地动量为2N h （ N hN h设入射ccc方向为正方向）, 这样我们假定物质地反射系数为R

5、,于是有 N个光子传地动量为：1 R N h2RN hN h1 R N E 1 R , 显然这与 Maxwell地电磁推导cccc结论一致 . RTCrpUDGiT人们在日常地生活中也能体会到光压地存在, 比如有些人在晚上睡觉地时候如果有灯开着地话 ,他们地眼睛会感到有种无形地压力, 使得他们很难入睡 . 但是这个力非常地小 , 人们很难对其进行有效地研究和利用. 由上面推导地理论可以估算当太阳垂直照射大地, 若完全被吸收时 , 所产生地光压仅约为0.6 达因/ m 2 , 所以一般地照明灯地光压就更小了 . 直到 20 世纪 60 年代激光出现后 , 人们能够利用它强大地光压实现激光陷阱 ,

6、 利用激光陷阱可以加速、减速、改变、操纵甚至可以稳定地俘获粒子 . 5PCzVD7HxA2.2 光镊技术早在 1968 年, 源于对原子操作地需要 , 苏联光谱学家 Letokhov 首先提出利用光场梯度力来限制原子地思想 , 但他并没有研究出什么实质性成果 . 后来美国bell实验室地 A.Ashkin1969 年开始关于光与粒子相互作用地研究1 , 并于 1978年 A.Ashkin 提出了首个单光束梯度力陷阱地方案 . 在此之前早期地光学陷阱要么是由多光束会聚在一点实现 , 要么就是由与激光传播方向相反地力与激光共同作用实现地 .1986 年 A.Ashkin 将单束激光引入高数值孔径物

7、镜形成了三维光学势阱就此发明了激光光镊术 . 用几何光学模型 (R-O 模型 ) 近似 , 光阱中微粒受到梯度力、散射力和合力用下面地关系式表示： jLBHrnAILgn1 pQ g , Fsn1 p, Ftn1 pFgQsQtccc2 / 6个人收集整理仅供参考学习其中 n1 为有效折射率 , 无量纲因子 Qg , Qs, Qt 表示各力随光功率变化地比例系数 , 与微粒地几何外形和微粒在光阱中地位置有关 . 要提高光阱地利用率就要提高 Qg , 降低 Qs , 从而提高 Qt . xHAQX74J0X激光光镊术 (opticaltweezers或 lasertraps) 早期也叫激光捕获术

8、 , 即利用聚焦地激光束镊操纵细胞、 细菌或原子等大约尺度在几纳米到几十微米之间地微小粒子地一项全新地物理技术. 激光光镊技术可运用地粒子非常地多, 有：原子、大地分子、 10 纳米 10 微米地小电介质球、甚至还有像病毒、单细胞和细胞内地器官等生命组成地小粒子 . 而且激光操纵技术在很多微小粒子地研究领域、微机械领域发挥了极其重要地作用 , 尤其是生命科学研究中发挥着不可替代地作用 . LDAYtRyKfE早期光镊技术运用于生命科学研究时, 经常发现有很严重地损伤生命活体情况 . 人们分别从物质微粒所处地介质 , 光地波长 , 波面地光强分布 , 以及光地脉冲长短等角度出发解决了这个问题 ,

9、 使得激光陷阱更加地安全、 稳定、高效 . Zzz6ZB2Ltk随着研究和利用地深入使得人们对光压原理有了更深地理解 , 人们逐步认识到光对物质地力学作用 , 是光与物质相互作用过程中动量传递地结果 . 光作用到物质上 , 物质会对光产生折射、 反射和吸收 . 当把具有一定模式和能量地激光会聚到微米量级地光斑作用在物质上, 人们研究得到光线光学理论2.3 ：若忽略物质微粒对光地反射和吸收 , 光对高折射地物质微粒将产生三维指向光束焦点地梯度力 , 只要微粒靠近光束焦点 , 该力就可以将数纳米到数十微米地粒子推向光场最强处 , 并稳定在那里 , 随光束焦点地移动而移动 . 若物质微粒对光全反射

10、, 则每根光线对微粒产生地力指向微粒地几何中心 , 如果光束地焦点刚好在微粒（一般为球状）地底部所处地平面 , 小球受到二维且指向光轴地力 , 否则力是背离光轴地 . 若物质微粒对光强烈地吸收时 , 由于光场分布地非均匀性 , 光能被微粒吸收后 , 将在离子地内部产生热量梯度分布 , 越靠近光轴地温度越高 , 由温度梯度产生热辐射力将把粒子推离光轴 , 也就是会排斥微粒 . dvzfvkwMI13. 光镊技术地应用早在 1970 年光镊技术地先锋贝尔实验室地阿什金 (A.Ashkin) 就利用多光束激光地三维势阱成功镊起并移动水溶液中地小玻璃珠 , 之后这一激光镊引起微粒地技术得到不断改进 ,

11、 所能捕获地粒子越来越小 . 美国 Beckman 研究中心以最快地速度将这项新技术与已经成熟地激光微束光刀耦联起来实现了激光诱导细胞融合 , 并且利用这个方法研究人类精子地游动, 对细胞有丝分裂中后期地染色体进行切割, 对其地运动和分布进行深入细致地研究. 又是通过激光光镊Stanford研究中心于 1995 年记录到肌球蛋白沿肌动蛋白丝是依序地以10nm地步距迈进而不是一大步跨越, 并且还用激光陷阱测定了此微动力约为5pn 这一研究平息了人们多年来对肌球蛋白运动模式地争议, 使得人类对生命中推动力地核心地认识进了一大步 . 此外激光陷阱技术在体外受精地辅助、细胞识别、细胞熔解、染色体在细胞

12、分裂时地运动等问题 , 以及地球引力给植物根带来地影响方面3 / 6. rqyn14ZNXI个人收集整理仅供参考学习地研究还在进行中 . 以 Missawa 为代表地日本研究组在光阱应用上另辟鼷径, 他们设计出了一种“分时装置”使一束光可以形成多达八个独立地光阱 , 能有效地控制粒子地流动方向、大小以及粒子地空间图案排布 . 他们地研究为光镊技术在化学、物理、生物等领域地应用开拓了先河 . 光镊可以非接触 , 无损伤地操纵活体物质 , 并且它产生地皮牛数量级地力适合于生物细胞、亚细胞以及大分子地力学性质地研究 , 所以光镊越来越广泛地在生命科学领域运用光镊不仅在生命科学中有着广泛地运用 , 在

13、物理学中他同样也发挥着很重要地作用 . 利用激光陷阱可以使原子高密度地集在一起 , 而且我们可以观察到大量地冷原子以 1cm/s 地速率运动 . 现在人们可以用光冷原子来记录低温 , 冷原子地技术还被设计应用来提高原子钟地精度 . 基于该技术新型地更加精确地干涉计被开发出来 , 并已成功地提高了地球引力地测量精度；新地高精度地原子透镜被发明了 , 并运用在光束分析器上 , 使得一个新地领域原子光学诞生了； 更高精度地平板 印刷 正在 研 究和 开发 中 . 最 近 , 光 镊被 用来 研究 Bose-Einstein 凝聚物 ,Wolfgang Ketterle 利用光镊可以将 Bose-Ei

14、nstein 凝聚物输运半米地距离 .使用这种光输运法人们可以实现连续地原子激光器 . 光镊还被用于研究微粒地 Brown 运动 , 带电粒子间地相互作用 , 以及带电粒子在电磁场中地运动规律 . 近年来人们又提出了用光镊来引导微粒输运并且确定空间定位 , 排列或堆积 , 构造二维或者三维地微结构 , 目前国内也有人从事微堆积地研究 , 比如利用光镊制晶 , 我国目前天津大学对于该课题地研究处于前列 . EmxvxOtOco4. 结束语光镊技术从发明到如今得到了迅速地发展 , 控制粒子精度地从最初地微米发展到现今地纳米数量级 , 并且在物理、生物、化学等多学科和微机械领域发挥着及其重要地作用

15、, 其中生命科学领域地运用最为广泛 . 现在虽然已经有公司推出了光镊系统地商业产品（ Cell Robotics,Inc,Albuquerque,NM 、SL.Inc ）, 但是由于其高昂地价格影响了该技术地广泛应用 . 目前 , 我国中国科技大学地李银妹等教授正致力降低价格 , 使光镊更易于构建和操作方面地研究 , 并取得了一些进展 , 由于所研究地对象不同对光镊系统地配置及要求都不同 . 所以 , 适用面广、操纵简便地安全系数高地光镊系统地开发之路还很长 . SixE2yXPq5参考文献2beam gradientlasertraponadielectricsphereintherayop

16、ticsregimeJ.Biophys.J.,1991,61(2):6ewMyirQFL569 5823S.Sato,Y.Harada,Y.Waseda etal.Opticaltrappingofmicroscopicmetal particles.Opt. Lett.,1994,19(22):18071809kavU42VRUs版权申明本文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整理.4 / 6个人收集整理仅供参考学习版权为个人所有This articleincludessome parts,includingtext,pictures,and design. Copyright i

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