光镊技术及应用

第页光镊技术及应用【摘要】光镊技术依据动量理论，利用光子具有动量的性质，设计光束粒子阱，对单个微小颗粒进行捕获、操控。光镊技术自发明以来三十多年，已经能在微米量级进行微粒的操纵，并广泛应用于生物细胞、生物大分子的研究中。本文主要介绍光镊技术的原理以及其在生物医学上的一些应用。【关键词】光镊光学势阱生物医学应用发展历史20世纪60年代，激光发明以来，光得以以单光束高能量密度模式传播，这为光镊的发明提供了理论上的可能性1969年,Ashkin通过理论计算推测出聚焦的激光能推动尺寸为几个微米的粒子。1986年，Ashkin发明了光镊。在成功使用氦激光使1um左右透明微粒在光束方向上被推动后，Ashkin发现了光束的势阱效应，光束能够对一定大小的微粒进行捕捉，使颗粒被吸引入光束或者从光束推离，这便是光束横向上的势阱效应，依据这一特性，通过使用两束激光对射，能实现了让特定的颗粒处于平衡状态，并且受到两光束的控制，势阱效应验证了光的动量理论，为光与物质的相互作用光压理论研究提供了良好的方向，是光的力学效应的一个重要实例。在1998年，开发出可以实现具有复杂结构光场的多个陷阱的全息光学镊子在2000年代后期，表面等离子为基础的光学镊子被创建，其可以实现稳定的俘获纳米粒子，即使单个分子的几个纳米尺度实现纳米级捕获和操作。2018年，光镊的发明者阿瑟·阿什金（ArthurAshkin）以及杰哈·莫罗和唐娜·斯特里克兰共同获得诺贝尔奖，光镊的发明与其在生物学上的广泛应用受到学界关注。光镊基本原理是光与物质的相互作用中的动量，光具有能量也具有动量，电磁学发展的早期，人们普遍关注光的动量理论中的光镊原理光镊基本原理是光与物质的相互作用，光具有能量也具有动量，光学的发展近代以来，早期主要是以电磁辐射为研究方向，而激光发明后，人们得以从光的动量出发，研究光对粒子的作用力。图1-光镊原理示意图[1]图2-光与微粒的相互作用[2]1.光具有动量其一，当光经过两次折射离开微粒表面时候，光不会沿着原方向传播，而是偏转了一定的角度，光动量有所改变，那么改变的动量传递到了微粒，使得微粒的动量在相反方向上改变，微粒具有了另一个方向的动量。制造一个高斯光束，光束束腰直径与微粒可比拟时，由于高斯光束光场的横向不对称性质，光场会给予微粒一个梯度力，该梯度力沿着光束径向向外，当微粒中心未处于光束轴上时，Fa与Fb横向分量即梯度力大小不相同,方向相反，将导致微粒横向受到一个拉距力吸向光束光轴，直到微粒到达光轴平衡位置，微粒将被横向束缚。其二，当光穿过小球时,在小球表面会产生一定的反射,小球对光也有一定的吸收,这将施加推力于小球,此力称为散射力,它正比与辐射强度，方向指向光束传播方向。2.光学势阱及捕获条件根据上面的提示，我们已经知道想要对微粒进行控制操作，需要保证有梯度力的存在，即光强分布需要有较大梯度，此外，物质微粒想要与光发生作用，就应该与周围环境的介电常数有差异，否则轮不到微粒被捕获环境便损耗掉功率了，即需要保证捕获粒子的折射率大于周围介质的折射率。除此以外，激光波长，束腰半径，功率和微粒大小，形状，吸收系数等也都能影响光与微粒的作用力。3.光镊的构成图3-光镊的简化光路[2]光镊系统由激光光源、激光扩束滤波光路、光镊移动控制环节、位移检测部分和传统的光学显微镜组成。图中实线表示激光光镊光路，虚线为照明和成像光路。显微物镜下面是活动样品池。四相限光电探测器快速检测并记录小球的位移,其输出信号被电子放大器放大并送到光镊移动控制环节形成负反馈、以固定小球位置,并随时计算小球所受作用力的大小。CCD或光学摄像机来拍摄实验图像。双向色镜将成像光路与光镊光路链接。应用1.单光纤镊子(OFT)捕获单细胞图4-发射到锥形光纤探头（TFP）中的光对粒子的捕获和处理的示意图[3]捕获需要将光聚焦在光纤的末端，以便可以将光学梯度力施加在靠近纤维末端的粒子上。该方式相较常规光镊COT的优势是灵活，简单，只需要移动光纤便能将捕获的细胞移动到指定的位置。在此基础上，单光纤镊子还广泛用于捕获细胞后的单细胞标记和分析，除了从光信号中分析单个细菌外，通过单个OFT进行光捕获还可以对运动细菌进行能量分析。2.对细胞应变能力的研究细胞內部的应变能力在通常情况下是很难用显微镜观察到的,单一的生理学或者形态学参数很难定义细胞的生存能力。[2]光镊能够对活体细胞进行非侵入微观操纵,使细胞产生应变。其发岀的近红外连续激光能够诱导线虫类C.elegans发生应变。根据C.elegans特殊的应变能力,发现在不同的激发波长、激发功率和照射时间内,Celegans的应变也各不相同。这种方法可在其他动植物细胞中进一步推广应用。3.细胞组装OFT还可以用于细胞组装，这对于研究细胞间相互作用和交流非常重要。此外，无规分布的单元的组装成规则形状的结构和阵列在许多其它生物医学和生物光学领域，如组织工程中起重要作用[4]，药物递送，和靶向治疗[5,6]等。展望光镊技术将单细胞乃至细胞器从生物组织中剥离出来，并且能够无破坏的进行活体操作，这对于人们对微观世界的认识与改造无疑具有重大意义，给以往研究静态的细胞的人们提供了一种突破性的思路，对人类向生命的奥秘进发必将发挥举足轻重的作用。【参考文献】[1]李银妹,龚雷,李迪,刘伟伟,钟敏成,周金华,王自强,姚焜.光镊技术的研究现况[J].中国激光,2015,42(01):9-28.[2]姚建铨,安源,赵海泉.光镊技术的发展与应用[J].光电子·激光,2004(01):123-128.[3]ZhaoXiaoting,ZhaoNan,ShiYang,XinHongbao,LiBaojun.OpticalFiberTweezers:AVersatileToolforOpticalTrappingandManipulation.[J].Micromachines,2020,11(2).[4]Derby,B.Printingandprototypingoftissuesandsca

olds.Science2012,338,921–926.[CrossRef][5]Saltzman,W.M.;Olbricht,W.L.Buildingdrugdeliveryintotissueengineeringdesign.Nat.Rev.DrugDiscov.2002,1,177.[CrossRef][6]49.Chen,Z.;Li,Y.;Liu,W.;Zhang,D.;Zhao,Y.;Yuan,B.;Jiang,X.Patt