光镊的基本基本介绍

第页题目：光镊的基本基本介绍光镊的介绍与历史光镊，是以激光的力学效应为基础的一种物理工具，又被称为单光束梯度力光阱，能利用汇聚的光场与微粒的相互作用形成光学势阱对纳米至微米级的粒子进行操纵和捕获，借此可在显微镜下对微小物体（如病毒、细菌，以及细胞内的细胞器及细胞组分等）进行移位或手术操作。1969年，Ashkin教授通过理论计算认为聚焦的激光能推动尺寸为几个微米的粒子，并实现了用聚焦的氩离子激光使悬浮在水中的透明胶粒（直径0.6~2.5μm）沿着光轴方向加速推离。他发现接近光束的微粒也出乎意科地被吸入光束中推离。在通过用气泡与液滴反复实验后，Ashkin认为光束对折射率比周围介质高的微粒具有横向吸力，但对折射率比周围介质低的微粒具有横向推力。1970年，Aahkin等首先提出能利用光压（OpticalPressure）操纵微小粒子的概念。一直到1986年，Ashkin才发现只需要一束高度聚焦的激光，就可以形成稳定的能量阱能将微粒稳定俘获，这标志着光镊的诞生。一束光在强聚焦的情况下，能够形成比较大的数值孔径，这样就能在焦点附近形成一个梯度力比较大的势阱，微小粒子经过光的动量的相互作用就会前往势阱的中心。光镊的原理级构造基本原理光拥有动量，当光通过小球时，发生折射光路发生改变，动量也随之改变。由于动量守恒，小球的动量也会随之改变，即光路对小球会有一些作用力，分为梯度力和散射力。梯度力是由于光场分布不均匀产生的，大小正比于光的强度梯度，合力指向光束焦点。散射力是由于小球对光的吸收，使光对小球产生推力，正比于辐射强度，方向指向光束传播方向。在一个光场中，当梯度力大于散射力时才能形成一个三维光学势阱而稳定地捕获微粒。此势阱成为光阱。（光阱中的微粒在强汇聚高斯激光的作用下会受到力的作用，合力将微粒束缚在光阱之中，该合力被成为光阱力。）捕获的条件：光强分布有足够大梯度；要保证被捕获粒子的折射率大于周围介质的折射率。计算a.射线光学模型（ray-optics,RO）以几何光学为原理（光线折反动量转移），用于粒子尺寸大于光波长情况。采用单光线追踪法，追踪光线经过小球的光路。如：考虑两条光线a,b，如图，在光路经过小球之后，光线发生改变，由动量守恒，会产生力作用于小球上，日过球心与光束焦点是重合的，则小球上的力被抵消。如果球心和焦点偏离，会产生球心指向光束焦点的力，小球向光束焦点移动。光阱效率、光功率同光阱力的关系为：𝐹=𝑄𝑛1𝑃/𝑐其中为𝑄光阱效率，𝑛1为周围介质折射率，𝑃为激光效率，𝑐为真空中的光速。由此可知，对于一定的介质与光功率，光阱力与光阱效率成正比。小球在偏离光阱中心的位移不超过小球半径的范围内，光阱效率曲线可近似为直线，即光阱效率与以小球位移成正比。𝐹=−𝑘𝑥其中，𝑥为小球的位移，𝑘为光阱的刚度。因而在知道光阱刚度后，通过测出粒子偏离光阱中心的距离𝑥，即可得出粒子在不同位置所受光阱力的大小。b.电磁模型（electronmagnetic,EM）基于MAXWELL电磁波方程与离子极化，适用于粒子尺寸小于光波长情况。将光传播完全看为电磁波传播，求解MAXWELL方程得到电磁场分布后，由坡印廷矢量获得光阱力。例如：假设粒子满足瑞利散射条件，将粒子看做一个正负电偶极子，求解洛伦兹力P为偶极矩，E为电场强度，B为磁场强度，α为粒子极化度。将上式子带入MAXWELL方程与矢量特性方程，可以得到，m是相对折射率，I为光强上式即为EM模型得到的光阱力，可以知道，作用在介质粒子上的光阱力与光束强度的梯度成正比，并指向光强度最高的点。(3).光镊的构造光镊的核心组成部件包括：照明系统，包括光源和聚光镜样品室样品台捕获系统，由激光器、光学耦合器件和聚焦镜组等组成5.成像与观测系统，由成像光路，信号探测和显示部件等组成a.传统显微镜构造的光镊显微镜一方面能在焦平面捕获微小粒子，另一方面正好能在焦平面进行显微放大，所以说显微镜是传统光镊一个非常好的实验平台。b.光纤光镊在制作光镊时，制作基于光纤的光镊，以获得更多维的操纵，在显微镜下达到更灵活的粒子操纵效果。同时，能将显微系统与操纵系统分离开来，在操纵活体细胞、微生物时，越自由越简单地操纵，效果就越好，而这里用到的是光纤很简单的一个尖端，就能很方便地实现操纵效果。应用及展望a.光镊的应用——分选单条染色体装置为全光学生物微操作装置，原理为光镊技术。以分离水稻染色体为例子在操作过程中，细胞经光刀解体后进入光镊操作，通过计算机平台移动，使被选中的染色体移动到光镊视场的作用位点。当染色体与光镊作用点的距离到达2至3um,染色体在阱力作用下掉入阱底，并被牢牢捕获，不随平台移动，使线粒体与其他组织部分分离。在实验之中要注意将染色体拖动到空旷的视野之中，与其他组织部分距离大于几十微米，这样避免了同时吸入其他组织。b.其他应用：光枪，单个活力精细胞研究，原生质体的融合，激光诱导转基因，抗体抗原结合强度，分选单条染色体，细胞膜弹性的测量，分散体系的研究，纳米生物学的研究，微粒的空间排布，教学研究。c.展望在如今学科交叉的科学研究环境之中，光镊作为一个能够在生物学上很好利用的光学手段是十分富有前景，发展很多元的技术，在我能理解的光镊知识范围之内，已经可以做到对细小物体无损坏的与其他物质分离，的能力，这对于单一小物体的研究，控制变量有着很大作用，是研究中必要的一个基础技术，同时，在如今，光镊的应用不仅仅是分离那么简单，它在融合，移动小物体的能力，也能在其他学科中成为优秀的小工具。操纵粒子只是第一步，用这样的工具来测量细胞内部的信息就是对它应用的一种展望，同时需要探索新的应用，才能用通过学科交叉的需求来促进光力微操控的发展。光镊的前进是非常广阔的。【参考文献】[1]苑立波.纤端光操纵：光镊·光手·光枪,2019-07-23,1672-3392（2020）0